不同水泥掺量下非饱和固化淤泥力学特性试验研究

张 启， 孙 秀 丽， 刘 文 化*， 张 洪 勇， 杨 钢

( 1.江南大学 环境与土木工程学院， 江苏 无锡 214122；2.大连理工大学 建设工程学部， 辽宁 大连 116024 )

0 引 言

近年来，为改善水质，保护环境和航运畅通，我国开展了大规模的河道清淤活动，导致大量淤泥堆积[1-3]．淤泥含水率高、力学性质差，难以直接利用．目前，国内外对淤泥大多采用固化剂进行固化处理[4-7]．经固化后的淤泥可作为路基、河堤等填土材料资源化利用．

国内外学者对固化淤泥开展了大量研究，成果卓越．Wang等[8]对固化淤泥的长期强度开展研究，发现水泥/石灰掺量的增加提高了固化土的力学性能，粉煤灰可提高石灰固化沉积土的强度和弹性模量．Li等[9]使用焚烧污泥灰渣固化淤泥，发现与普通硅酸盐水泥和石灰等固化剂相比，焚烧污泥灰渣具有强度高、固化速度快、透水性低和环境污染小等优点．黄英豪等[10]从土的结构性角度出发，发现水泥固化淤泥是一种典型结构性土，具有明显屈服应力．王臻华等[11]发现碳酸氢钠使水泥固化淤泥处于碱性环境，促进高铁酸钾降解有机质，加速水泥水化．上述研究成果对人们进一步认识固化淤泥力学特征和指导实际工程具有重要意义．

近年来，部分研究者开始关注固化淤泥等固化土的水稳定性问题．Kim等[12]通过无侧限抗压强度试验研究了木质素和粉煤灰固化土的水稳定性，发现固化土的水稳定性较素土明显改善，但部分配比下固化土仍存在浸水软化现象．He等[13]、张俊峰等[14]也发现浸水湿化后固化淤泥的强度有所降低．上述研究均证实固化土的饱水程度对其力学特性有重要作用．因此，有必要研究固化土的非饱和特性．目前，国内外关于非饱和土的研究主要集中在非胶结结构类重塑土[15-19]；固化土的非饱和特性研究则主要集中在探讨浸水饱和对固化土无侧限抗压强度的影响[12-14，20]以及固化土的非饱和渗透特性[21]．固化土的强度和体变随基质吸力(饱和度)的变化规律研究则较欠缺．

鉴于此，本文对固化淤泥进行不同基质吸力条件下的三轴固结排水试验和无侧限抗压试验研究，以明晰非饱和固化淤泥的体变和强度特征，获得非饱和固化淤泥强度与水泥掺量和基质吸力之间的定量关系，为非饱和固化淤泥土工构筑物的安全稳定性评价提供理论依据．

1 试验方法

1.1 试验材料

试验所用淤泥取自无锡太湖，淤泥的基本物理性质指标：含水率70%、相对密度2.66、液限62.4%、塑限27.7%、有机质含量4.4%、塑性指数34.7．根据土的分类方法，该淤泥属高液限黏土．淤泥挖出后，立刻放入桶中静置，除去上清液后测得其含水率为70%．试验所用固化剂为32.5#复合硅酸盐水泥．试验材料的化学组成成分如表1所示．

表1 试验材料的化学组成成分

1.2 试验方案

首先将除去上清液后的淤泥按每立方米100、200、300 kg水泥进行固化．将淤泥和水泥按照上述配比放入搅拌机中搅拌5 min，使其混合均匀后，抽真空30 min以消除混合物中的气泡．将淤泥、水泥混合物装入39.1 mm×80 mm模具制备三轴剪切试样．制样过程中混合物分层装入，每放入一层混合物立刻进行振实，以排出气泡使固化淤泥密实．参照刘文化等[22]、王东星等[4]的方法，将制好的固化淤泥试样放入密封袋中，再放入温度(20±1) C°、湿度大于95%的恒温恒湿箱中养护．已有研究表明[23]，水泥的水化程度与时间有关，且在90 d后基本稳定．为保证同一水泥掺量下不同基质吸力非饱和固化淤泥试样具有相同的水化程度，避免基质吸力平衡时间对水泥水化产生影响，本文试样养护时间定为90 d．养护完成后，试验前先进行抽真空饱和，之后进行不同基质吸力条件下三轴剪切试验．具体试验方案见表2．

表2 试验方案

1.3 试验装置

试验所用三轴仪为江苏永昌科教仪器制造有限公司生产的SYLD-30型应力应变控制式非饱和三轴剪切渗透试验仪(如图1所示)．该三轴仪可进行不同基质吸力条件下非饱和土的三轴剪切试验．试验过程中可测量试样的轴向应变和体积变化．由于固化淤泥试样基质吸力平衡时间较长，为减少三轴仪上固化淤泥试样基质吸力平衡的时间，三轴试验前将固化淤泥试样进行基质吸力预平衡，预平衡装置如图2所示．固化淤泥试样在基质吸力预平衡完成后立刻装入三轴仪中，施加围压和基质吸力(与预平衡时一致)进行二次平衡，然后进行常基质吸力条件下的三轴固结排水剪切试验，剪切速率0.001 mm/min．

图1 非饱和土三轴仪

图2 基质吸力预平衡装置

2 试验结果与分析

2.1 固化淤泥的土-水特征曲线(SWCC)

3种水泥掺量固化淤泥的土-水特征曲线如图3所示．由图3可以看出，不同水泥掺量条件下固化淤泥的土-水特征曲线表现形式不尽相同．3种水泥掺量情况下固化淤泥的饱和度Sr在基质吸力达到进气值之前均未发生明显变化，在达到进气值后随基质吸力增大饱和度开始下降．然而水泥掺量不同，饱和度随基质吸力的变化速率各不相同，水泥掺量越大变化速率越小，低水泥掺量固化淤泥的土-水特征曲线位于高水泥掺量固化淤泥土-水特征曲线的下方．上述现象可能与不同水泥掺量条件下固化淤泥的孔隙分布有关．毛细公式如下：

R=2Tscosθ/s

(1)

式中：R为孔隙半径，Ts为表面张力，θ为固-液接触角，s为基质吸力．由式(1)可知试样孔隙半径越大排水所对应的基质吸力越小．在施加相同基质吸力的情况下，大孔隙排水所需的基质吸力小于小孔隙的，因此大孔隙排水优先于小孔隙．图4所示为不同水泥掺量条件下固化淤泥的SEM图，可以看出低水泥掺量固化淤泥试样颗粒排布较为松散，孔隙分布以大孔隙为主；随着水泥掺量的提高，相同的养护龄期下，固化淤泥试样中的水化产物增多，高水泥掺量固化淤泥试样颗粒排布较为紧密，多表现为小孔隙．根据式(1)所示毛细公式，基质吸力作用下低水泥掺量固化淤泥大孔隙中的孔隙水优先排出，饱和度逐渐下降；而高水泥掺量固化淤泥小孔隙中的孔隙水则应在更高的基质吸力下才能排出．因此，饱和度下降速率呈现出水泥掺量越高速率越小趋势．

图3 不同水泥掺量条件下固化淤泥的土-水特征曲线

Fig.3 Soil-water characteristic curves of solidified silt with different cement contents

(a) 水泥掺量100 kg/m3

(b) 水泥掺量200 kg/m3

(c) 水泥掺量300 kg/m3

2.2 固化淤泥的强度和体变特性

图5所示为水泥掺量100 kg/m3试样在不同基质吸力条件下的三轴剪切试验结果．由图可知，不同净围压下，固化淤泥试样应力-应变曲线皆表现为应变硬化，剪切过程中均表现为体缩；基质吸力越大，抗剪强度越大，试样体缩越小，不同净围压下试样体变基本相同．需要指出，净围压300 kPa时，不同基质吸力条件下试样应力-应变曲线几乎重合，这可能与固结过程中试样孔隙变化引起的孔隙水存在形式转变有关，为了便于理解给出某一基质吸力条件下不同孔径分布时孔隙水分布概念模型，如图6所示．水泥的掺入使得固化淤泥具有一定的结构强度，低净围压作用下试样存在一定数量的大孔隙，某一基质吸力条件下大孔隙当中的水被排出，孔隙水以弯液面形式存在于土颗粒接触点位置(如图6(a)所示)．随着净围压增大，试样中的大孔隙逐渐被压密并转化为小孔隙甚至消失，与低净围压情况相比，相同基质吸力条件下该部分小孔隙中的水无法排出，以体积水的形式存在于孔隙当中(如图6(b)所示)．随着净围压的增大，孔隙压密更加明显，相同基质吸力条件下孔隙中的水逐渐由毛细弯液面向体积水转化，弯液面数量逐渐减少．而Wheeler等[24]的研究表明相同基质吸力条件下基质吸力的强度贡献取决于受弯液面影响的土颗粒接触点的个数，受弯液面影响的土颗粒接触点的个数越少，强度贡献越小．因此，随着净围压增大，基质吸力的强度贡献逐渐减小．

(a) 净围压100 kPa

(b) 净围压200 kPa

(c) 净围压300 kPa

(a) 压密前

(b) 压密后

水泥掺量200、300 kg/m3试样在不同基质吸力条件下的三轴剪切试验结果如图7、图8所示．由图可知，固化淤泥在3种净围压条件下的应力-应变曲线均表现为应变软化，随着净围压的增大软化趋势逐渐减弱；抗剪强度随基质吸力和净围压的增大而增大．水泥掺量200 kg/m3固化淤泥在3种净围压条件下剪切时，试样均表现为体缩．体缩量随净围压增大而增大，随基质吸力增大而减小．水泥掺量300 kg/m3固化淤泥，在净围压为100 kPa时，试样先体缩后体胀，净围压大于等于200 kPa时，试样体变表现为体缩．

不同水泥掺量条件下固化淤泥试样的应力-应变曲线形式及体变规律可能与试样的结构屈服应力有关．图9所示为不同水泥掺量下非饱和固化淤泥的屈服应力．从图中可以看出，当试样的水泥掺量和基质吸力增大时，结构屈服应力也随之增大．对于水泥掺量为100 kg/m3的固化淤泥试样，当试样在本文所采用的净围压下剪切时，试样处于正常固结或弱超固结状态，表现为应变硬化和剪缩特征．对于水泥掺量为200、300 kg/m3的固化淤泥试样，本文所采用的净围压均小于试样的结构屈服应力，固化淤泥试样处于超固结状态，应力-应变曲线皆表现为应变软化．水泥掺量越高，试样的结构屈服应力越大，相同净围压条件下试样的超固结性越大，应变软化趋势越明显．水泥掺量300 kg/m3固化淤泥试样在100 kPa净围压条件下剪切时试样处于强超固结状态，表现出先减缩后剪胀趋势；随着净围压增加，超固结比逐渐减小，应变软化趋势和剪胀趋势逐渐减弱．

(a) 净围压100 kPa

(b) 净围压200 kPa

(c) 净围压300 kPa

(a) 净围压100 kPa

(b) 净围压200 kPa

(c) 净围压300 kPa

图9 不同水泥掺量下非饱和固化淤泥屈服应力

2.3 固化淤泥的无侧限抗压强度及抗剪强度与无侧限抗压强度的关系

图10所示为不同水泥掺量条件下固化淤泥的无侧限抗压强度．由图可知，水泥掺量100 kg/m3固化淤泥的无侧限抗压强度随基质吸力的增大而增大，但基质吸力200、300 kPa条件下的无侧限抗压强度相差不大．这是因为水泥掺量100 kg/m3固化淤泥试样在基质吸力大于200 kPa时，其含水率接近残余含水率(如图3所示)，基质吸力的进一步增大对强度提升并不明显．而水泥掺量为200、300 kg/m3的固化淤泥在基质吸力300 kPa时并未达到残余含水率，因此，在本文试验所用基质吸力范围内，随着基质吸力的增大无侧限抗压强度不断增大．

图11为无侧限抗压强度与水泥掺量和基质吸力之间关系图．图中曲面的拟合公式为

图10 不同水泥掺量条件下固化淤泥的无侧限抗压强度

Fig.10 Unconfined compressive strength of solidified silt with different cement contents

图11 无侧限抗压强度与水泥掺量和基质吸力关系

Fig.11 Relationship between unconfined compressive strength, cement contents and matric suctions

qu=c+0.01c2-0.167s+0.004 9cs

(2)

式中：qu为固化淤泥的无侧限抗压强度，c为水泥掺量，s为基质吸力．该公式能够较好地拟合固化淤泥试样在非饱和条件下的无侧限抗压强度试验数据，拟合优度R2=0.991．该公式可为预测不同水泥掺量条件下非饱和固化淤泥的无侧限抗压强度提供参考．

图12(a)所示为不同水泥掺量和不同基质吸力的固化淤泥在100 kPa净围压条件下的抗剪强度与无侧限抗压强度之间的关系曲线．从图中可以看出，固化淤泥的抗剪强度和无侧限抗压强度之间具有较好的线性关系，线性拟合优度R2=0.965．图12(b)、(c)分别为不同水泥掺量和不同基质吸力的固化淤泥在200、300 kPa净围压条件下抗剪强度和无侧限抗压强度之间的关系曲线．由图可知，200、300 kPa净围压条件下固化淤泥的抗剪强度和无侧限抗压强度之间也存在较好的线性关系，拟合优度分别为R2=0.985、R2=0.986．对比3种净围压条件下固化淤泥的抗剪强度和无侧限抗压强度之间的关系曲线可以发现，随着净围压的增大，拟合曲线在竖轴上的截距逐渐增大，而曲线的斜率则在0.76～0.91波动．上述现象可能与净围压对固化淤泥的侧向约束有关，净围压越大，侧向约束越强，抗剪强度越高．

(a) 净围压100 kPa

(b) 净围压200 kPa

(c) 净围压300 kPa

3 结 论

(1)固化淤泥的土-水特征曲线在基质吸力小于进气值时饱和度变化并不明显；但基质吸力大于进气值时，固化淤泥的饱和度随基质吸力的增大而逐渐降低，水泥掺量越大，饱和度随基质吸力增大而降低的速率越小．低水泥掺量固化淤泥的土-水特征曲线位于高水泥掺量固化淤泥土-水特征曲线的下方．

(2)水泥掺量100 kg/m3固化淤泥的应力-应变曲线均表现为应变硬化，净围压越大，抗剪强度越高；随着净围压的增大，基质吸力对强度的贡献逐渐减小，净围压为300 kPa时，试样应力-应变曲线趋于重合．

(3)水泥掺量200、300 kg/m3固化淤泥的应力-应变曲线均表现为应变软化，净围压和基质吸力越大，抗剪强度越高．水泥掺量200 kg/m3固化淤泥在3种净围压条件下均表现为体缩．水泥掺量300 kg/m3固化淤泥在100 kPa净围压条件下剪切时，试样表现为先体缩后体胀；净围压为200、300 kPa时，试样均表现为体缩．

(4)水泥掺量100 kg/m3固化淤泥的无侧限抗压强度随基质吸力增大先增大后趋于稳定；水泥掺量200、300 kg/m3固化淤泥的无侧限抗压强度随基质吸力增大而不断增大．无侧限抗压强度与水泥掺量和基质吸力有关．

(5)不同水泥掺量和基质吸力条件下固化淤泥的抗剪强度与无侧限抗压强度之间存在较好的线性关系．