新型土体固化剂加固海底淤泥力学特性研究

2022-09-21李光耀叶观宝单卫良

水文地质工程地质 2022年5期

李光耀，张振，叶观宝，单卫良，舒欢

（1.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系, 上海 200092；2.上海宝粉材料科技有限公司,上海 200000；3.金茂苏皖企业管理（天津）有限公司, 江苏南京 210003）

将化学固化剂与土体进行原位或异位搅拌形成固化土可有效改善土体工程性质，如提高土体的强度和抗渗性能、减少土体变形[1-2]。迄今为止，水泥仍是最常用的土体固化剂[3-4]。然而，水泥工业不仅需要消耗大量石灰石和黏土等自然资源，而且生成过程中排放的粉尘和废气严重影响环境和健康。因此，研发新型固化剂以减少或替代水泥一直是研究的热点，具有重要的工程价值和社会意义。

近年来，众多学者将土体固化剂的研发思路投向了以工业固废为主的原料，这是将工业固废充分资源化利用的有效途径[5-6]。方祥位等[7]研究了GT 型土体固化剂在加固土体时的工程性质。Sun 等[5]通过混合一定比例的脱硫石膏、钢渣和炉渣形成一种新型固化剂。王子帅等[8]通过相关试验对工业废渣协同水泥加固土体的抗硫酸盐侵蚀性能进行了研究。张小芳等[9]研究揭示了水泥-矿渣-粉煤灰的固化机理。

GS 固化剂是一种以炼钢产生的工业废渣为主要原料（固废质量分数达70%以上）、采用碾磨工艺、经过材料适应性试验而研制的应用于软土加固的绿色固化材料，并已成功应用于工程实践中[10-11]。叶观宝等[12]、Ye 等[13]研究了GS 固化剂加固上海第③层、第④层软土的工程力学特性，研究表明，在相同掺量和龄期下，GS 固化土的室内无侧限抗压强度是水泥土的1.3～2.1 倍，现场标贯击数是水泥土的1.8～2.3 倍。随着我国海洋强国战略的实施，基础设施建设也向海洋进军。海底淤泥具有特殊的土性特点，其固化研究尚处于起步阶段。

本文开展了GS 固化剂加固海底淤泥的应用研究。以香港某工程海底淤泥为加固对象，对比分析了GS 固化剂和水泥的掺量、龄期对固化土无侧限抗压强度的影响，并建立了回归模型，提出了GS 固化剂加固海底淤泥的强度预测方法。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

试验用土取自香港某工程海相沉积土（海底淤泥），现场取土、密封管密封后运输至实验室。土样呈流塑状态，含水量高，灰黑色，含有很少量的细砂并夹杂着一些贝壳碎片，有异味。其主要物理力学和化学参数指标见表1。试验采用GS 固化剂和P·O42.5 水泥作为土体固化剂，两者的主要性能指标见表2。

表1 海底淤泥土性指标Table 1 Soil properties of submarine soft soil

表2 GS 固化剂与水泥性能指标Table 2 Performance indices of GS agent and cement

1.2 试验方案与试验步骤

采用无侧限抗压强度试验研究固化剂掺量和龄期对固化土加固效果的影响。依据《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T 233—2011)[14]，一般工程中固化剂的掺量在10%～20%，因此试验中GS 固化剂和水泥的掺量选择10%、15%、20%，试验龄期选择14，28，56，90 d。参考工程实践，并通过室内流动度试验，水灰比确定为1.0。

将试验土风干、人工捣碎、过5 mm 筛网，使用搅拌棒将过筛后的土粉与指定的固化剂（GS 固化剂或水泥）充分混合，添加所需的水到混合物中并用电动搅拌机快慢交替搅拌10 min 后，将浆液倒入50 mm×50 mm×50 mm 的立方体试件模具中，放在振动台上振动密实去除气泡和气穴，振动密实后的固化土混合料应高出试模的上部沿口；试模上部沿口多余的固化土用刮刀刮除并抹平，然后盖上塑料薄膜。试块应在成型24 h 后利用在试模底部留出的气孔处使用气枪拆模，放入养护室（室温25 °C±1 °C 和湿度大于95%）中养护到所需要的龄期（14，28，56，90 d）。

借助压式万能试验机进行无侧限抗压强度试验，采用应力控制，以0.15 kN/s 的速度均匀连续施加荷载。每组6 个试件，取测试强度的算术平均值作为该组试块的无侧限抗压强度值。为便于辨识，试验组采用C/GSX-Yd 标注，其中C 代表水泥，GS 代表GS 固化剂，X 代表掺量，Yd 代表龄期。例如，GS10-14d 即为GS 固化剂掺量10%、龄期14 d 的试验组。

2 试验结果与分析

2.1 固化土应力-应变关系

图1 为不同龄期下固化土的应力-应变曲线。由图1 可知，无论何种固化剂及掺量，海底淤泥固化土的应力-应变曲线主要分为3 个阶段：第1 阶段，应力随着应变线性增长；第2 阶段，随应变增加，应力的增长速率逐渐减缓，直至应力达到峰值（抗压强度）；第3 阶段，应力随应变增加迅速降低，并渐趋近于稳定值（残余强度）。同时，在龄期较小时（14，28 d），固化土需应变增至4%～5%达到峰值应力，且峰值后的残余阶段应力下降幅度较小且平缓；随着龄期的增长，固化效果逐渐显著，试样在应变2%～3%达到峰值应力，且峰值后的残余阶段应力大幅快速下降。在相同的固化剂掺量下，随着龄期增长固化土趋于脆性破坏。从图中可知，GS 固化土强度明显高于水泥土。

图1 不同固化剂掺量下固化土应力-应变关系曲线Fig.1 Stress-strain curves of the stabilized soil in different binder contents

2.2 无侧限抗压强度

图2 为固化土无侧限抗压强度随龄期和固化剂掺量的变化曲线。由图2（a）可知，2 种固化土的强度随龄期增加变化趋势基本一致，且呈非线性增长。在固化早期，两者无侧限抗压强度有着显著的增加，之后强度增加变缓，但是GS 固化土的强度提高相比于水泥土更加明显。如图2（b）所示，GS 固化土的无侧限抗压强度随掺量的增加逐渐增大，增长趋势与水泥土类似，但增长速率更大。

图2 无侧限抗压强度变化规律Fig.2 Changes of the unconfined compressive strength

为进一步分析GS 固化剂的加固效果，计算相同龄期、相同掺量下，GS 固化土与水泥土的无侧限抗压强度比。从表3 可知，强度提高比在2.03～2.91 之间。通过以上分析表明，GS 固化剂加固海底淤泥的早期强度高、强度增长快，达到相同强度用量更少，其加固效果优于水泥。

表3 无侧限抗压强度提高比Table 3 Improvement ratio of the unconfined compressive strength

2.3 弹性模量

无论是水泥土还是GS 固化土，应力-应变曲线都表现为非线性，通常取E50，即原点与无侧限抗压强度的一半的连线斜率评价固化土的弹性模量。已有研究发现加固土的无侧限抗压强度qu与弹性模量E50存在线性相关关系[15]。如图3 所示，2 种不同固化剂加固土的数据点大体分布在三角区域内，且上、下限范围如式（1）（2）所示。GS 固化土E50与qu的关系与水泥土基本一致。

图3 弹性模量与无侧限抗压强度关系Fig.3 Relationship between the elastic modulus and unconfined compressive strength

水泥土：

GS 固化土：

3 力学性能预测方法

3.1 方法的建立

已有文献及经验公式表明[16-17]，2 个不同条件下的水泥土无侧限抗压强度之比与其龄期之比和掺量之比呈幂函数的关系：

式中：qu—无侧限抗压强度；

aw—固化剂掺量；

T—龄期，下标1 和2 表示2 种条件；

α，β—待确定的参数。

由前文可知，GS 固化土和水泥土的无侧限抗压强度曲线关系变化趋势一致，本文通过对式（3）取两边的自然对数转换为线性函数等式之后，使用线性拟合确定参数α和β分别为1.08 和0.40，相关系数为0.96。图4 为线性拟合结果。

图4 无侧限抗压强度的数据拟合结果Fig.4 Fitting results of the unconfined compressive strength

为在实际工程中便于设计使用，将式（2）转换为图5 所示的设计图表。当已知某特定掺量和龄期的GS 固化土无侧限抗压强度时，可根据以下步骤快速预测任一掺量和龄期的GS 固化土无侧限抗压强度：

图5 设计图表Fig.5 Design chart

步骤1：从实验室试验或先前的研究中获得GS 固化剂掺量为aw2、龄期为T2的GS 固化土的qu2。

步骤2：根据设计要求，确定考查龄期T1，初步确定GS 固化土的设计掺量aw1。

步骤3：计算aw1/aw2和T1/T2。

步骤4：借助设计图表（图5），计算qu1。

步骤5：如不满足设计的强度要求，改变固化剂掺量，重复步骤2～4。

3.2 方法的验证与应用

由图6 可知，预测的无侧限抗压强度与试验值均在45°线附近，说明式（3）的预测结果具有较好的可靠性。

图6 计算结果与实测结果对比Fig.6 Comparison of the predicted and measured values

根据试验结果，已知龄期14d、掺量15%的GS 固化土无侧限抗压强度qu2为2.41 MPa。如采用设计图法预测龄期为56d、掺量为15%的GS 固化土无侧限抗压强度qu1，通过设计图可以得到qu1为4.25 MPa。将aw1=15%、aw1=15%、T1=56 d、T2=14 d、qu1=2.41 MPa代入式（3）中，计算得到qu1为4.20 MPa。因此，借助设计图可快速地确定GS 固化土的无侧限抗压强度。