海堤填筑料固结特性研究

李文斌，谢 康，周 坤，丰土根，王超然，张 箭，张福海

(1.福建省水利规划院，福建 福州 350001；2.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；3.河海大学 江苏省岩土工程技术工程研究中心，江苏 南京 210098)

福建省沿海海堤大多采用山土、砂性土填筑。然而沿海地区多缺乏山土、砂性土，随着环境保护要求日益增高，从内陆山区开采，运输距离远，导致工程造价高、工期长，且为了水土保持，许多地区禁止土料开采[1]。而沿海地区海泥储量丰富，适量水泥和海泥掺合形成海泥搅拌水泥(桩)土从原则上可用于海堤填筑。

在淤泥固结机理方面，国内外的学者们做了很多研究，如郝斌[2]应用 SEM-EDS-XRD 技术进行微观结构研究，结合宏观固结特性试验，确定滨海软土微观物理结构与宏观结构强度关系。王亮等[3]利用研制的沉积固结试验方法研究淤泥自重固结性质。王洪圆等[4]对软土的固结曲线进行全面分析，可确定出主固结系数和次固结系数的临界点。张福海等[5]分析淤泥的沉降与固结机理，采用沉降柱试验模拟淤泥颗粒的沉降与固结过程。崔伟[6]等总结前人淤泥自重固结过程，阐述了淤泥的固结过程是淤积物的物理化学作用。本文拟通过科学试验等方法系统地研究淤泥、山土、海泥搅拌水泥(桩)土固结特性，通过对比分析得出材料固结变形的相关规律，进而从固结变形的角度进一步探讨淤泥、山土、海泥搅拌水泥(桩)土作为海堤堤身填料的可行性。

1 试验内容

1.1 试验材料

材料采用的是从福建省琅岐岛取得的海泥，以及附近山区的山土。海泥土初始含水率高，压缩性高；山土的含水率较低，粘性较大。试验所用水泥采用“钟山牌”32.5#复合硅酸盐水泥，水泥产自南京市江南水泥有限责任公司。试验按相应比例分别取不同质量的原始含水率海泥与水泥进行掺和。将海泥和水泥按照水泥掺量为10%、15%和20%掺合在一起再装入塑料袋中，置于养护室内闷料24 h，同时所有过程应尽快完成，防止水分蒸发。

1.2 基本物理力学性质试验

1.2.1 含水率试验

从试样袋中取代表性海泥土样15～30 g，放入小铝盒内，盖好盒盖保证材料含水率为现场含水率，运回实验室，用烘干法测定其在天然状态下的含水率。温度控制在105 ℃～110 ℃的恒温下烘至恒量，进行三组平行实验取平均值后，获得各材料的含水率如表1。

1.2.2 密度试验

采用环刀法取原状土样，先在环刀内壁涂一薄层凡士林，刃口向下放在土样上，将环刀垂直下压，并用切土刀沿环刀外侧切削土样，边压边削至土样高出环刀。根据试样的软硬采用钢丝锯或切土刀整平环刀两端土样，擦净环刀外壁，称环刀和土的总质量，进行三组平行实验取平均值后，获得各材料的干、湿密度如表1。

1.2.3 比重试验

采用100 mL比重瓶利用比重瓶法测定海泥、山土、海泥搅拌水泥(桩)土的比重，进行三组平行实验取平均值后，获得各材料的比重如表1。

1.3 标准固结试验

步骤一：将去除过杂物的材料按工程需要制成天然土，选择面积为30 cm2的切土环刀，环刀内壁涂上一薄层凡士林，刀口应向下放在海泥和山土的天然扰动土上，切取土样时应与天然状态时垂直方向一致。

步骤二：小心边压边削，注意避免环刀偏心入土，应使整个土样进入环刀并凸出环刀为止，然后用钢丝锯或修土刀将两端余土削去修平，擦净环刀外壁。

步骤三：测定土样密度，并在余土中取代表性土样测定其含水率，然后用圆玻璃将环刀两端盖上，防止水分蒸发。

步骤四：在固结仪的固结容器内装上带有试样的切土环刀(刀口向下)，在土样两端应贴上洁净而润湿的滤纸，放上透水石，然后放入加压导环和加压板以及定向钢球，安装千分表。

表1 材料含水率、密度和比重Tab.1 Moisture content,density and specific gravity of materials

注：10%、15%和20%是指海泥搅拌水泥(桩)土的水泥掺量。

本次试验定为50、100、200、400、800 kPa(1 kPa=0.001 N/mm2)五级荷载累计数值，分三组平行试验平均取值。时间按照 6 s、15 s、1 min、2 min 15 s、4 min、6 min 15 s、9 min、12 min 15 s、16 min、20 min 15 s、25 min、30 min 15 s、36 min、42 min 15 s、49 min、64 min、100 min、200 min、400 min、23 h、24 h记录千分表读数，直至稳定为止。所有过程应尽快完成，防止水分蒸发。经过普通高压固结仪TKA-STC-3H(图1)试验后，获得不同固结压力作用下试验结果。

图1 普通高压固结仪TKA-STC-3HFig.1 Ordinary high pressure Consolidator TKA-STC-3H

2 试验结果分析

2.1 压缩变形分析

各材料经过普通高压固结仪TKA-STC-3H试验在各级压力作用下固结后获得结果如图2。

从图2中可以看出，在相同固结压力作用下，随着固结时间的增加，各材料的变形量开始段变化量增加速率大，最终变形量减小，而且在每级荷载开始的100～200 min内就基本达到峰值。随着固结压力的增加，各材料的变形量的增加幅度逐渐减小，但每级固结压力作用下达到峰值的时间基本一致。海泥的最终固结变形最大，山土最小，而海泥搅拌水泥(桩)土随着水泥掺量的增加，最终压缩变形逐渐减小。这是由于当水泥与高含水率海泥充分拌和后，水泥颗粒表面的矿物很快与海泥中的水发生水解和水化反应，经过24 h养护后生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等化合物。这些化合物形成了悬浮的溶液，具有胶结作用，凝结后形成水泥土的胶结强度，随着时间的进行，水解和水化反应越充分，胶结作用越强，后期变形量越小。

图2 固结压缩变形在各级压力下随时间变化曲线Fig.2 Time varying curves of consolidation compression deformation under various pressures

2.2 压缩曲线分析

固结压缩特性是土体性质的重要方面，将海泥、山土以及海泥搅拌水泥(桩)土作为工程材料，必须考虑其压缩变形特性。从工程施工的角度来看，既需要满足固结速率快，又需要满足相应的压缩性能。工程中常采用100～200 kPa压力区间对应的压缩系数a1-2评价土的压缩性，当a1-2≤0.1 MPa-1时为低压缩性土，0.1 MPa-10.5 MPa-1时属于高压缩性土。

通过标准固结试验得到的固结数据，得到海泥、山土以及不同水泥掺量海泥搅拌水泥(桩)土的初始孔隙比e0，并绘制各材料的e-p曲线，如图3，得到材料的初始孔隙比见表2，材料在100～200 kPa下的压缩系数a1-2如表3。

表2 材料的初始孔隙比Tab.2 Initial void ratios of materials

注：10%、15%和20%是指海泥搅拌水泥(桩)土的水泥掺量。

图3 材料e-p曲线Fig.3 e-p curves of materials

从图3中可以看出，海泥固结压缩变形最大，初始孔隙比为1.62，800 kPa固结压力作用24 h后，孔隙比减小了0.97。山土的固结压缩变形最小，初始孔隙比为1.14，800 kPa固结压力作用24 h后，孔隙比只减小了0.33。水泥掺量为10%、20%、30%的海泥搅拌水泥(桩)土从初始孔隙比分别为1.57、1.23、1.10，800 kPa固结压力作用24 h后孔隙比依次减少了0.84、0.64、0.46。即随着水泥掺量的逐渐增加，海泥搅拌水泥(桩)土孔隙比变化也逐渐变小。

表3 100～200 kPa固结压力下材料的压缩系数Tab.3 Compression coefficient of materials under consolidation pressure of 100～200 kPa

注：10%、15%和20%是指海泥搅拌水泥(桩)土的水泥掺量

从表3中可以看出，海泥的压缩系数为1.40 MPa-1，属于高压缩性土；山土的压缩系数为0.15 MPa-1，属于中压缩性土。水泥掺量为10%、15%、20%的海泥搅拌水泥(桩)土的压缩系数依次是0.90、0.70、0.21 MPa-1。随着水泥掺量的增加，海泥搅拌水泥(桩)土在100～200 kPa的压缩系数越来越小，最终的固结压缩变形越来越小。

2.3 固结系数分析

固结系数是反应受侧限土体在荷载作用下固结速度的一个标量。其大小反映土固结快慢的程度，即固结系数为反映土层固结特性的参数。

Taylor根据一维固结理论分析发现，固结度U与时间因数的曲线在固结度U<60%时很接近抛物线，并指出在变形-时间平方根曲线中确定与U=90%相对应的时间，由此计算固结系数。该方法的主要优点在于确定t90所需时间很短，可以减小次固结压缩对试验结果的影响，方法也比较简便。其缺点主要是对试验前期沉降读数精度要求较高，若前期沉降读数精度低，数据点的离散性较大，呈非理想形状。该压力下固结系数：

(1)

从时间平方根法绘制的曲线可知，各材料达到90%的固结度所需要的时间。各材料达到90%固结度具体时间和固结系数如表4。

从表4中可以看出，海泥和山土达到90%固结度的固结系数大于0.02，固结速度慢。相同固结压力条件下，三种水泥掺量为10%、15%、20%的海泥搅拌水泥(桩)土达到90%固结度的固结系数均在0.008左右，说明三种材料经过焖料养护后的固结速度相差不大。

3 结论

1)从海泥、山土以及海泥搅拌水泥(桩)土的含水率和干密度的角度来看，山土初始含水率较小，干密度也较大；海泥搅拌水泥(桩)土随着水泥掺量的增加，初始含水率逐渐减小，干密度也逐渐增加。

2)海泥的压缩系数大于0.5 MPa-1，属于高压缩性土；山土的压缩系数在0.1 MPa-1和0.5 MPa-1之间，属于中压缩性土。随着水泥掺量的增加，海泥搅拌水泥(桩)土的压缩系数逐渐减小。水泥掺量为20%的海泥搅拌水泥(桩)土的压缩系数最小。

3)海泥和山土达到90%固结度的固结系数均大于0.02，固结速度慢。海泥搅拌水泥(桩)土在达到90%固结度时固结系数均相差不大，即海泥搅拌水泥(桩)土固结系数的大小随水泥掺量的变化没有明显的区分。

图4 时间平方根法求t90Fig.4 Time square root method to seek t90

表4 材料达到90%固结度所需时间及固结系数Tab.4 Time and coefficient of consolidation for materials to reach 90% degree of consolidation

注：10%、15%和20%是指海泥搅拌水泥(桩)土的水泥掺量。

综上所述，工程中常采用100～200 kPa压力区间的压缩系数和固结系数来衡量材料的固结压缩性能，根据试验结果分析得出，当海泥搅拌水泥(桩)土的水泥掺量为20%时，在10%、15%和20%三种水泥掺量中压缩系数最小，固结系数为0.008，三者基本一致。故水泥掺量为20%的海泥搅拌水泥(桩)土固结变形最小，固结速度也最快，最适合作为海堤填筑材料，山土则次之。