固化淤泥土压缩特性分析

2021-07-17张丽雅

水利建设与管理 2021年6期

王波张丽雅李健

(中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048)

1 前言

我国沿海地区分布着面积广阔的淤泥质海岸，约占据着1/4的海岸线，随着经济的快速发展，沿海地区的水利工程、围海造田、港口及航道建设工程等基础设施建设项目越来越多，从而产生了大量淤泥。以往对淤泥进行的抛填废弃需要大量的耕地来堆放和存储，吹填与疏浚还产生了大片的淤泥地基[1-3]，环境污染和耕地浪费问题日益严重。因此如何安全高效地利用这类海相淤泥软土地基成为研究重点。

在软土地基上修建堤坝，其稳定和沉降控制是工程建设中必然面临的两大问题，需要系统探讨地基变形和稳定的问题。海相淤泥除了具有一般软土含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低、受竖向荷载后沉降变形大、沉降持续时间长等特点外，还具有变形量大、压缩稳定所需时间长、侧向变形较大的特点[4]，其变形参数对筑坝工程有很大影响，如影响一些南方地区长距离输水管线等敏感工程的稳定性[5]。

压缩特性对淤泥地基的工程特性有重要影响，土体压缩后渗透性减小，土体内的土颗粒间有效应力不断改变，最终使强度发生变化；压缩导致堤坝地基不均匀沉降，也直接影响着上部结构使用安全和运行安全，因此系统研究固化淤泥的压缩特性具有重要意义。

常用的固化剂主要有水泥、石灰等[6]，发生反应过程中，使淤泥流态变成流塑态[7]，其中，水泥有利于提高固化淤泥的早期强度，石灰有利于降低固化淤泥的含水率[8]。固化剂类别和掺量对淤泥的固化效果有重要影响。国内现有淤泥固化的报道多集中在固化材料对固化淤泥强度的影响等方面，国外的研究多关注固化淤泥的压缩屈服特性[9]及压缩特性的评价[10,11]等方面，而对于高含水率沉积淤泥压缩特性的系统研究报道不多。

本文以唐山南堡典型滨海沉积淤泥为研究对象，开展了不同固化剂种类及掺量的室内压缩试验，对比分析了水泥、石灰及粉煤灰等固化剂在单掺情况下的固化效果，探讨固化强度及其影响因素，为提高淤泥固化效果积累研究经验。

2 试验方案设计

2.1 试验材料

本次试验采用取自唐山市南堡开发区南堡五支队南侧滨海平原的典型原状滨海沉积淤泥，取样地点位于东经118°8′2″、北纬39°10′11″，原状淤泥取样现场情况如图1所示。

图1 淤泥取样现场情况

固化剂选用粉煤灰、水泥、生石灰等3种材料，其中粉煤灰取自北京石景山热电厂的龙口灰场；水泥为河北燕新建材集团有限公司生产的“钻牌”32.5级复合硅酸盐水泥；生石灰粉购于北京建材市场；吸水树脂为宜兴市可信的化工有限公司生产的SAP高分子吸水性树脂。

唐山南堡滨海沉积淤泥属于典型海相土，是一种以粉质黏土为主的结构性软土，呈暗黄黑色，烘干后泛白，且在土中夹杂了微量的贝壳及树叶等有机质，其颗分曲线如图2所示。根据《土工试验规程》(SL 237—1999)对该淤泥的基本物理性质进行了测试，实测淤泥试样的各项物理性质指标见表1。可以看出，原状淤泥的天然密度为1.56g/cm3，含水率为69.21%，远大于液限26.82%。

表1 唐山南堡滨海淤泥基本物理性质

2.2 试验设备

试验采用南京土壤仪器厂生产的WG型三联单杠杆固结仪，固结容器主要有环刀、护环、透水板、加压上盖和量表架、加压设备、百分表、调土刀、钢丝锯、天平及秒表等，测力环百分表采用德国麦思德高精度数显千分表。设备如图3所示。

图3 WG型三联单杠杆固结仪

2.3 试样制备

固化试样制备步骤如下：

a.将固化剂和淤泥试样按试验设计中相应比例混合后在容器中用调土刀混合搅拌均匀，搅拌时间10min。

b.制备试样前用环刀在其内壁涂上一薄层凡士林，便于压缩试验中顺利脱模。

c.在高度大于25mm的盘子上分两层均匀摊铺拌和物。

d.在每层均匀拌和后，在拌和物上，缓慢竖直压入环刀。

e.用塑料薄膜覆盖装有试样的盘子，并将盘子放入养护室养护。

f.静置24h后，用刀将压缩试验试样取出，削去环刀外侧及两端的固化土后，继续放入干净盘中在养护室中养护至相应龄期。

制备完成后的试样尺寸内径为61.8mm，高度为20mm。按加入水泥(A、B组)、生石灰(C组)、粉煤灰(D组)及对照组将试样分为四组，各组养护龄期均设置为7d，见表2，保湿缸中固化淤泥养护情况见图4。

表2 不同固化剂及掺比试样分组

图4 固化淤泥养护

2.4 试验方法

为了系统对比掺入水泥、生石灰、粉煤灰后固化淤泥压缩特性的改变情况，合理确定固化剂种类、掺比及组合类型就显得尤为重要。从经济合理和工程效果角度出发，依据相关文献经验[12-24]，将水泥、生石灰及粉煤灰的掺比分别选为10%和20%、6%、20%，并与未固化淤泥进行对比，开展了唐山滨海沉积淤泥7d龄期的固化压缩试验。淤泥固化试验中掺比ξ计算公式如下：

(1)

式中mc0——掺入固化剂的质量，kg；

ms0——被加固淤泥的湿质量，kg。

为对比固化剂组合对固化强度的影响，试验设计中分别考虑单掺组合。将7d龄期、相应配比和固化剂掺量下的压缩试验平行试样，在其测完密度后，按照《土工试验规程》完成试验，每次试验都进行三个平行试验。试样在各级压力下的固结时间为1h，固结压力依次取12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa、1600kPa。

3 结果分析

压缩系数与压缩模量是评价土体压缩性的重要指标，因此本文通过分析固化淤泥土的压缩系数与压缩模量来探讨不同固化剂对其压缩特性的影响。固化淤泥各组试样的压缩试验结果见表3。

表3 固化淤泥压缩试验结果

(2)

式中av——压缩系数，MPa-1；

p1、p2——固结压力，kPa；

e1、e2——不同固结压力下的孔隙比。

压缩模量是基于土体线弹性模量而得到的一个指标，即在无侧向膨胀条件下，试样垂直压力增量与垂直应变增量的比值，与压缩系数间存在换算关系，见式(3)。与压缩系数相同，通常也采用对应于p1=100kPa、p2=200kPa时的Es值作为试样的压缩模量。

(3)

式中Es——压缩模量，MPa；

s1、s2——单位沉降量，mm/m；

e0——试样的天然孔隙比。

根据压缩模量，土体划分为高压缩性(Es≤5MPa)、中压缩性(5MPa15MPa)三类。

神经内外科临床教学本身存在很多难点和重点。对于有一定基础的进修医师来说，临床病例教学采用简单的面授课并不能收到特别良好的效果。此外，由于人数较少，也不适于大班教学。通过带教医师引导性提出问题后，让进修医师作为教学中的主角，搜集资料、制作课件、共同探讨的基于问题的学习（problem based learning，PBL）模式，在功能神经外科病例教学中可发挥较大作用[5]。临床医学针对的是单个的患者和具体的疾病，治疗疾病的过程就是发现问题、分析问题、解决问题的过程。而PBL最早就开始在医学教学中开展，因此基于问题的学习比较适合在功能神经外科临床病例教学中使用[5-6]。

3.1 单掺水泥对固化淤泥压缩性的影响

将水泥与淤泥拌和后，水泥矿物会与水分发生水解和水化反应，通过生成水化硅酸钙和氢氧化钙来提高固化强度。由表3可知，对照组淤泥养护龄期为7d的情况下，压缩系数为0.54MPa-1，压缩模量为3.70MPa。而同等条件下在掺入10%和20%水泥后，试样的压缩系数分别降低为0.27MPa-1和0.20MPa-1，压缩模量分别提高至7.78MPa和12.91MPa。由试验结果并结合图5可以看出，单掺水泥的淤泥试样的压缩系数比未固化试样分别降低50.00%、70.37%，固化淤泥的压缩性得到显著降低，且随着水泥掺比的增加而降低；而其压缩模量分别提高了110.27%、248.92%，固化淤泥的抗压强度有了明显提高，且随着水泥掺比的增加而增加。

图5 对照组和单掺水泥试样的e-p曲线对比

上述结果证明在实际工程中可适当提高水泥掺比来改善土体的压缩特性。

3.2 单掺生石灰对固化淤泥压缩性的影响

将石灰与淤泥拌和后，二者主要通过发生离子交换反应、结晶反应、碳酸化反应和火山灰反应等化学和物理化学反应达到固化效果。由表3可以看出，在养护龄期为7d的情况下，单掺6%生石灰的淤泥试样的压缩系数为0.17MPa-1，压缩模量为11.94MPa。由试验结果并结合图6可以看出，单掺生石灰的淤泥试样的压缩系数比未固化试样降低了68.52%，固化淤泥的压缩性同样得到显著降低；而其压缩模量提高了222.70%，固化淤泥的抗压强度也明显增强。

图6 对照组和单掺6%生石灰试样的e-p曲线对比

上述试验结果说明单掺少量生石灰可以较大程度地改善土体的压缩特性，且在实际应用中可以适当增加搅拌闷料时间，使生石灰和淤泥颗粒充分反应来达到相应的固化强度要求。

3.3 单掺粉煤灰对固化淤泥压缩性的影响

将粉煤灰与淤泥拌和后，由于粉煤灰具有较大的比表面积，使其具有一定的吸附能力，且粉煤灰中含有的化学物质可使淤泥中的分子发生化学反应，从而起到固化作用[25]。表3中在养护龄期为7d的情况下，单掺20%粉煤灰的淤泥试样的压缩系数为0.43MPa-1，压缩模量为4.62MPa。由试验结果并结合图7可以看出，单掺粉煤灰的淤泥试样的压缩系数比未固化试样降低了20.37%，固化淤泥的压缩性有一定程度的降低；而其压缩模量提高了24.86%，固化淤泥的抗压强度也有小幅增加。