天津碱渣土基本参数室内试验研究

王 龙，吴宜鹏，范庆来，王冠妍，焉 振

(1.天津港股份有限公司 科信设施部，天津 300456；2.鲁东大学 土木工程学院，烟台 264000；3.天津市东方泰瑞科技有限公司，天津 300072；4.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室，天津 300456)

碱渣是生产纯碱过程中产生的固体工业废料。目前，碱渣的化学成分及矿物组成已经被基本查明，碱渣的化学成分主要为无机盐和无机化合物，其中CaCO3含量最高，以文石和方解石的形式存在，其次是MgO，另外还有CaCl2、MgCl2、NaCl等易溶性盐。天津碱厂生产纯碱产生大量碱渣，碱渣堆放占用土地且极不环保，成为发展难题。近年来通过在天津港附近未利用区域开挖深坑，用碱渣回填，有效地解决了碱渣堆放难题，且开挖出的土体又可用于基础设施建设。虽然碱渣回填的实施对解决碱渣堆放占地问题起到了很好的效果，但随着天津港区扩建，港区周围土地资源日益紧张，将碱渣回填形成的地基进行重新利用，变废为宝，会产生巨大的经济和社会效益。且随着国家对生态要求日益提高，工程建设的环境效应影响已从被动式宏观管理上升到主动设计的新高度，碱渣地基的重新利用愈发重要，并成为新的挑战。

碱渣土作为一种新型地基回填材料，诸多学者对其进行了广泛的研究，严驰[1]等以不同条件的碱渣三轴试验为基础，研究了碱渣的强度变形特性，并且分析了碱渣强度产生的机理；徐玉龙[2]等对两种不同类型碱渣与饱和卤水混合而成的碱渣浆进行了室内一维沉降试验研究，揭示了两种不同类型碱渣的一维沉降规律，为进一步探索碱渣沉降固结机理及现场碱渣回填废弃盐腔工程提供一定参考；雷长顺[3]为解决使用管道水力输送法输送碱渣时缺乏理论参数指导的问题，通过室内试验对碱渣浆液在管道中的流动特性进行了研究，另外还通过有限元软件ABAQUS对碱渣填垫后所形成含有薄硬壳层的双层地基的承载力特性进行了数值分析；崔国瑾[4]采用FLAC 3D软件模拟分析及预测碱渣地基的沉降，证明了采用灰色理论法应用到碱渣地基的实际工程中是可行的并且对于短期沉降预测精度非常高，丰富了实际工程计算碱渣地基沉降量的方法；张明义[5]等通过微型触探试验、硬化时间测试、室内击实试验、比重试验和室外静载试验对混合粉煤灰制成的不同配比的碱渣土进行了试验研究，认为一定配合比下的碱渣土可应用于地基、路基以及场地的填筑；刘春原[6]等以不同粉煤灰掺量的碱渣土界限含水率试验、击实试验、三轴试验和无侧限抗压强度试验为基础，结合微观电镜扫描试验，研究了拌合物碱渣土的强度特性，并且分析了粉煤灰增强碱渣强度的机理；徐敏[7]等利用碱渣土的真空预压排水法和真空-电渗联合法排水固结的对比试验，分析了真空-电渗联合法的排水固结机理。

虽然对碱渣土体性质已开展诸多研究工作，但是由于测量方法不一、取土位置各异、原状重塑差别，以上研究中碱渣土参数的差异性较为明显，如严驰等测得碱渣土含水率为140%、塑限为92.5%、液限为142.9%、孔隙比为2.97，而房营光等测得碱渣土含水率为198.8%、塑限为43.2%、液限为112.4%、孔隙比为5.42；在强度方面如雷长顺测得碱渣土的内摩擦角φ为27.99°、粘聚力c为2.39 kPa，而房营光等测得碱渣土的内摩擦角φ为22.75°、粘聚力c为12.5 kPa，碱渣土体基本参数的差异性会影响后续理论及试验分析等。为实现对碱渣地基进行处理和重新利用等，必须准确了解其力学性质和基本参数，为后期数值仿真和现场试验等提供准确数据支持。本文通过固结、直剪(慢剪、固结快剪以及快剪)、颗粒级配分析、液塑限联合测定等室内土工试验，对碱渣土试样压缩性、比重、强度参数、密度、渗透系数、颗粒级配、液塑限等进行详细测定。试验结果可补充现有碱渣性质研究成果，也为后期碱渣土的改良、应用以及碱渣特性等的研究提供基础。

1 仪器设备及方法

根据《土工试验规程》中的操作要求及方法，进行各种室内试验。本文通过比重试验测定土样比重，通过密度试验测定土样密度，利用变水头渗透试验测定原状碱渣土和重塑碱渣土试样的渗透系数，利用直剪仪对碱渣土试样分别开展了慢剪、固结快剪以及快剪三种直剪试验。由于上述试验操作简单，与一般砂土、黏土的土工试验类同，无特殊性，所以不进行详述。而固结试验、颗粒级配分析、液塑限联合测定的试验步骤略微复杂，故在下文加以详述。

本文通过开展固结试验测定压缩模量及回弹模量，试验参照《土工试验规程》[8]中的固结试验(SL237-015-1999)。试验仪器采用GZQ-1型全自动气压固结仪，在天津港区碱渣回填场地的浅层8.8～10 m深度内土层按原状土取样的方法取3个高度为20 cm的土样，各土样深度分别为8.8～9.0 m、9.6～9.8 m、9.8～10 m，用环刀法分别从3个20 cm的土样中取其上下两端2 cm的土样，共进行6组试验。在全自动气压固结仪系统内进行一系列基本设置之后，随后平衡自重开始室内标准固结试验，其中加载卸载及再加载荷顺序为：加载50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa；卸载400 kPa、200 kPa、100 kPa、50 kPa；再加载50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa。每级荷载时，当沉降值在1 h内变化不超过0.005 mm时视为稳定，即可进入下一级加载。通过上述步骤可得到一个比较完整的加卸载滞回圈。

本文采用筛析法和密度计法联合分析碱渣土样的颗粒组成。首先将深度为7.2～7.4 m取土器中的碱渣土烘干研磨，再把研磨后的碱渣土倒入细筛中振筛30 min，振筛结束后称量各级筛上及底盘内试样的质量。取过0.25 mm筛后的土样分别称取30.606 g和30.334 g进行试验，记为试验1和试验2，由于碱渣土可溶盐含量过高，故先测出可溶盐含量和对碱渣土试样进行洗盐处理，试验干试样即为试验试样减去该试样的可溶盐含量。

通过液、塑限联合测定法测定碱渣土样的液限和塑限。试验仪器采用液塑限联合测定仪，首先对试样进行风干，再将试样过0.5 mm筛。取0.5 mm筛下的代表性土样200 g，并用纯水将土样调制成均匀膏状，放入调土皿浸润过夜。将制备的试样充分调拌均匀，填入试样杯中，填满后刮平表面。把试样杯放在联合测定仪升降座上并调节零点，调整升降座使圆锥尖接触试样表面，指示灯亮时圆锥在自重下沉入试样，经5 s后测定圆锥下沉读数。取试样不小于10 g并放入称量盒中，测定含水率。重复步骤完成第二、三次平行测定，并分别测定圆锥下沉深度及相应含水率。

2 试验结果分析

2.1 固结试验结论

将6个环刀土样进行试验得到试样的一维压缩曲线，试验结果如图1所示。

1-a 试验1 1-b 试验2 1-c 试验3

根据试验图像可以看出，碱渣的压缩特性与细粒土不同，在外荷载施加的初期有明显的变形，一段时间后变形趋于稳定，此后随时间延长其沉降量改变不大。碱渣作为一种大孔隙物质，其压缩性随密实度提高有较大减小。碱渣在压力为0.1～0.2 MPa时的压缩系数为4 MPa-1左右，大于0.5 MPa-1，为高压缩性土；当加载至0.4 MPa时，卸载再加载，此时压力为0.1～0.2 MPa时的压缩系数在0.1～0.2 MPa-1，均大于0.1 MPa-1，小于0.5 MPa-1，属于中压缩性土。

2.2 比重试验结论

本试验共设两组平行试验，测得土样平均比重为2.255(表1)。由比重换算得到碱渣土的孔隙比为4.44。

表1 比重瓶试验结果Tab.1 Experimental results of pycnometer

黄思杰[9]等测得砂土的比重为2.66，碱渣土较之低15%；王元战[10]等测得原状粉质粘土的比重为2.73，碱渣土较之低17%。可见，碱渣土作为一种特殊的工程土，其颗粒比重较天然土小。

2-a 慢剪 2-b 固结快剪 2-c 快剪图2 抗剪强度线Fig.2 Shear strength line

2.3 直剪试验结论

通过开展慢剪、固结快剪以及快剪三种直剪试验，分别确定了三种试验情况下对应不同垂直压力的抗剪强度，通过对不同垂直压力下的抗剪强度进行拟合，得到三种直剪试验下的抗剪强度线(图2)。

由图2可知碱渣土的强度指标，并将碱渣土的强度指标列于表2。由此可见，三种直剪试验所测得的内摩擦角大致相同，而其粘聚力差别较大，以慢剪试验测得的值最小，快剪试验的值最大。

表2 三种直剪试验的抗剪强度指标Tab.2 Shear strength index of three direct shear tests

参考天津港附近地区土体参数，粉质粘土的内摩擦角φ一般为18°～25°，粘聚力c一般为5～10 kPa；砂土内摩擦角一般为20°～40°，大部分在30°左右。就固结快剪试验而言，碱渣土的内摩擦角与粉质粘土相比低44%～60%，粘聚力比粉质粘土高出87%以上，与砂土相比碱渣土的内摩擦角较之低67%。砂土有时也有很小的粘聚力，但这是由于毛细粘聚力的缘故，因此不做考虑。另外，徐建新[11]等研究得出碱渣土在固结快剪试验条件下内摩擦角φ为20°，粘聚力c为25 kPa，在快剪试验条件下内摩擦角φ为18°、粘聚力c为21 kPa；本节中对应试验所得结论与之相比，粘聚力值较为接近，但内摩擦角值偏低。闫澍旺[12]等研究得出碱渣土在快剪试验条件下内摩擦角φ为18.6°、粘聚力c为32 kPa；本节中对应试验所得结论与之相比可以得出相同结论，即粘聚力值较为接近，但内摩擦角值偏低。

2.4 密度试验结论

饱和碱渣土试样的湿密度大致介于1.12～1.29 g/cm3，平均值为1.21 g/cm3；干密度大致介于0.376～0.446 g/cm3，平均值为0.406 g/cm3。参考天津港附近地区天然土体参数，黏土的湿密度为1.79 g/cm3，干密度为1.49 g/cm3；砂土的湿密度为1.80 g/cm3，干密度为1.72 g/cm3；无论干密度或湿密度，碱渣土与两者相比均较低。

2.5 变水头渗透试验结论

原状碱渣土的渗透系数试验结果如表3所示，可知原状碱渣土试样的平均渗透系数k=1.40×10-5cm/s，属于粉土范围(10-3～10-6cm/s)。蔡学石[13]等测得软粘土的平均渗透系数为1.46×10-8cm/s，与之相比，可见碱渣土的渗透性较好。

表3 原状碱渣土试样的渗透系数Tab.3 Permeability coefficient of undisturbed soda residue soil

在重塑土的渗透试验中，制备了若干组不同孔隙比的土样。试验显示随孔隙率增加，重塑土的渗透性随之增大。柯森-卡门研究得到，土的渗透系数k与孔隙率n之间的关系可用式(1)描述

(1)

式中：ρω为水的密度，取1 g/cm3；η为水的动力粘滞系数，20℃以下为1.01；C2为颗粒性状与水的实际流动方向有关的系数，可近似取0.125；S为土颗粒的比表面积，m2/cm3。

孔隙比与孔隙率的关系如下

(2)

式中：e为孔隙比，n为孔隙率。

联立式(1)和式(2)可以得到

(3)

采用式(3)对重塑土的试验数据进行拟合，拟合结果如图3所示。可见，渗透系数的离散度较大，但比表面积大致介于40～120 m2/cm3。拟合曲线的比表面积S=66.34 m2/cm3，R2=0.122。

图3 孔隙率对渗透性的影响Fig.3 Effect of porosity on permeability

2.6 颗粒分析试验结论

根据筛分和密度计法的试验结果，做出完整的级配曲线(图4)。由于在试验1的密度计测量中，在5～10 min时，密度计读数从14变为3.5，故试验2在5～10 min的时间内分别读取6 min、7 min、8 min和10 min的密度计读数，由于土颗粒粒径相差大，所以级配曲线图中土颗粒粒径取对数坐标。

图4 碱渣土级配曲线Fig.4 Gradation curve of soda residue soil

根据级配曲线图，深度在7.2～7.4 m的碱渣土颗粒粒径分布范围为0.002～2 mm，总体以粉粒(粒径范围为0.005～0.075 mm)为主，约占总颗粒含量的70%，碱渣土与普通黏性土相比具有粒径小、分布范围集中的特点。另外土样颗粒粒径小于0.001 7 mm占总质量的10%，颗粒粒径小于0.024 3 mm占总质量的30%，颗粒粒径小于0.031 mm占总质量的60%，即深度在7.2～7.4 m的碱渣土土样不均匀系数为18.235(>10)，属级配不均匀，但曲率系数为11.205(>3)，总的来说该土样级配不良。通过颗粒分析试验结果可知，碱渣土是一种级配不良、颗粒较细的物质，这与徐竹青[14]等所得试验结果一致。

2.7 液塑限试验结论

液塑限联合测定共进行三组试验，调节试样不同的含水率，测定圆锥入土深度，三组试验圆锥入土的深度宜接近2～4 mm、7～9 mm、15～17 mm。具体试验数据见表4。

表4 液塑限试验数据Tab.4 Liquid-plastic limit test data

含水率与圆锥下沉深度的关系见图5，在其上查得下沉深度为10 mm所对应的含水率158.552%为液限，查得下沉深度为2 mm所对应的含水率4.098%为塑限，初始含水率为169.013%。王欢[15]等测得碱渣土的液限为112.4%、塑限为43.2%、含水率为198.8%，本项目所测结果与之相比，液限和含水率比较接近，但塑限差别较大。

图5 圆锥下沉深度和含水率关系曲线Fig.5 Curve of relationship between conical subsidence depth and water content

根据所得的塑限和液限，求出塑性指数IP=154.454和液性指数IL=1.068。邓雷飞[16]等测得粉质粘土的塑性指数为14.5，液性指数为0.98；石峥[17]等测得饱和软黏土的塑性指数为18.8，液性指数为1.09；碱渣土的液性指数与两者相比较为接近，但塑性指数比两者更大，这主要是由于碱渣土的细颗粒成分更多且含水量更高。

塑性指数综合反映了土的颗粒大小、矿物成分，常用于细粒土的分类，该土样塑性指数为154.454(>17)属黏土类；黏性土的状态可根据液性指数分为坚硬、硬塑、可塑、软塑和流塑，该土样的液限指数为1.068(>1)，属于流塑态，且该土样粘聚力非常小，接近砂土性质，失水速度快。

3 结论

针对碱渣土，本文利用固结试验确定其侧限压缩模量及回弹模量；开展比重试验，测得碱渣土的比重并利用公式换算得到碱渣土的孔隙比；开展了慢剪、固结快剪以及快剪试验分别确定了碱渣土试样在三种试验条件下的强度指标；利用环刀法测定了其湿密度，并通过含水率换算得到碱渣土的干密度；利用变水头渗透试验，对原状碱渣土的渗透系数进行测定，同时制备不同孔隙率的重塑碱渣土试样，并确定其渗透系数；通过开展颗粒分析试验并作出完整的级配曲线；利用液塑限试验测得碱渣土的液限、塑限值并求出塑性指数和液性指数。由此得到以下结论：

(1)碱渣土的初始孔隙比为4.44，含水率达198.1%，液限为158.552%，塑性指数达154.454，渗透系数为1.40×10-5cm/s。可见碱渣土具有孔隙比大、含水率高、液限高、塑性高、渗透性低等特点。

(2)碱渣土的湿密度为1.21 g/cm3，干密度为0.406 g/cm3，压缩模量为1.59 MPa，回弹模量为12.35 MPa；在慢剪、固结快剪及快剪试验条件下，测得碱渣土的粘聚力分别为11.89 kPa、18.73 kPa、28.77 kPa，内摩擦角分别为10.09°、9.48°、9.03°。与淤泥土相比，碱渣土具有相对较高的强度、较小的压缩性；与其他学者测得的碱渣土参数相比，本文测得的粘聚力值与其较为接近，但内摩擦角值偏低。

(3)碱渣土的化学成分主要为CaCO3等难溶性盐，所以其具有较强的结构性能，且由于这些化合物是土骨架的组成部分，因此碱渣土可作为工程土使用；但由于碱渣土具有孔隙比大、含水率高等特点，填埋后的碱渣场地无法直接使用，必须进行适当的工程处理。

(4)碱渣土级配不良、颗粒较细，其粒径为0.005～0.075 mm的颗粒含量约占70%，即以粉粒为主，且碱渣土透水性较为理想，利于在荷载作用下加速固结，易于实施加固处理。