冻融循环作用下城市污泥固化土动强度特性研究*

2022-10-06杨爱武杨少朋杨少坤王亚成

工程地质学报 2022年4期

杨爱武杨少朋杨少坤姜帅王亚成

(①东华大学，环境科学与工程学院，上海 201620，中国)

(②天津城建大学，天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384，中国)

0 引言

随着城镇化进程的不断加快，我国城市污泥产量迅速增加。污泥具有高含水率、刺鼻臭味、力学性质差和污染物含量高等特点，在运输与处理过程中，如果处理不当发生泄漏，将会造成严重的二次污染，大量的城市污泥堆积也容易引发工程地质灾害。将城市污泥通过固化轻质技术配制成具有轻质且强度高等特点的城市污泥固化土，将其应用到路基填料工程当中能有效地解决道路不均匀沉降引起的工程问题。

在城市污泥固化处理技术研究方面，国内外学者围绕城市污泥固化处理中运用的添加剂进行了大量研究。杨家宽等(2012)利用在污泥中添加无机复合调理剂的思路，将生石灰、粉煤灰混合加入到污泥中进行污泥的改性处理。试验结果表明，在固化过程中，无机复合调理剂显著改善了污泥的脱水性能，构成了新的内部结构，使污泥固化土有了抵御外力的能力。Chen et al.(2010)通过向污泥中添加水泥等添加剂，研究发现水泥在污泥中发生水化反应后，与污泥颗粒结合构成一种高强度的网格结构，使污泥在外力作用下变形较小，并且观察发现外力作用后的固化土依旧保持多孔结构，污泥强度得到明显提升。吴炎等(2019)在污泥中掺入纸浆渣烧结灰(PS灰)和水泥，采用多因素分析法，研究得到固化污泥的无侧限抗压强度与PS灰和水泥含量呈“阶梯形”分布。Thapa et al.(2009)研究了向硝化后的污泥中添加褐煤、锯末和硅藻土等其他添加剂后的污泥内部结构，表明不同的外加剂均可以在污泥内部构建一个新的结构，提高污泥固化土的强度。Zhao(2002), Zhao et al.(2001)将石膏加入污泥中，利用石膏与污泥混合作用提高铝盐絮凝污泥的能力，从而提高污泥固化土的强度。

实际工程中，路基土不仅要承受自重以及上部荷载引起的变形，还要在季节更替等自然因素作用下满足力学特性的要求，冻融循环作用是影响土特性的重要自然环境条件之一。目前众多学者主要研究了冻融循环对土的物理力学特性的影响。杨成松等(2003)基于冻融循环，研究了土体干容重和含水率的变化规律，通过分析可知土的干容重会随着冻融循环次数的增加有所波动，但最终会趋于一个稳定值，且这个值只与土体种类有关。Johnson et al.(1978，1979)以粉土和黏土路面作为研究对象，采用室内试验和原位试验相结合的方式建立了冻融循环后的力学模型。对冻融循环试验过程中的粉土和黏土进行静三轴试验，通过对比现场和室内试验数据，分析得到回弹模量、含水率和干密度随冻融循环变化的函数表达式。Chamberlain et al.(1979)以冻融循环为基础，研究了冻融循环对土体渗透性的影响，对试验结果的分析虽未建立明确的数量关系，但提出冻融循环对塑性指数高的土影响较大，其渗透性改变最显著。

除自然气候环境影响外，土体在工程安全运营阶段仍受到长期动荷载作用，国内外众多学者围绕着土动力特性展开了一系列研究，提出了真实交通荷载作用下，传递至路基的间歇性动静荷载模型(王直民，2006；刘飞禹，2007；孙波，2013)。刘亚明等(2018)针对车辆动荷载作用下干密度、围压和频率对路基土体动力学性质的响应展开研究。提出在路基设计过程中要以车辆动荷载频率范围的下限作为路基相关设计参数的参考。宋金华等(2018)对冻融循环后的石灰改良土进行动三轴试验，建立了动应力和冻融循环作用共同影响下的累积塑性变形预测模型，并进一步分析了掺灰比、冻融循环次数对临界动应力的影响。王静等(2014)对经受不同冻融次数作用后的路基土进行不同围压条件下的动三轴试验，分析得出动模量与围压、塑性指数和冻融循环次数的关系式。陈强等(2019)探讨了动荷载作用下含水率和加载频率对铁路路基膨胀土力学特性的影响，对确保膨胀土地区铁路线的安全运营具有重要意义。

综合目前国内外学者的研究现状发现，大量学者针对城市污泥固化技术和基于冻融循环的改良土的力学性质以及动荷载作用下的力学性质都有所研究，但综合考虑城市污泥固化土在气候条件耦合作用下动力特性的研究较少。而污泥固化土作为一种新型填垫料应用于路基工程当中，不可避免地会受到环境气候变化引起的冻融循环作用，其在长期交通荷载作用下的动力特性是否满足工程需求尚需进一步探讨。基于此，本文结合天津地区路基填料所受季冻特点，对经历不同冻融循环次数和冻融温度后的城市污泥固化土，探讨其在长期动荷载作用下的力学指标变化规律，以期对在多变的自然气候环境影响下，经冻融循环与动荷载耦合作用后的污泥固化土高效安全应用提供理论支撑。

1 试验材料与方案

1.1 试验土样及制备

试验所用污泥取自天津某污泥堆场，呈固态且有强烈腐臭气味，取回后室温下密封并遮光保存，以防污泥中水分流失和有机质降解。城市污泥的基本物理性质见表1，重金属含量如表2所示。

表1 污泥的基本物理性质Table 1 Basic physical properties of sludge

表2 重金属含量Table 2 Extractable metal content

试验采用软黏土作为土骨架，将软黏土、污泥与固化剂进行充分混合配置污泥固化土，其基本物性指标见表3。所用固化剂为自主研发，并已申请专利(杨爱武等，2017)。固化剂主要由固化剂主剂和固化剂辅剂两部分组成，以普通硅酸盐水泥作为固化剂主剂，对污泥固化土的强度起主要作用；固化剂辅剂分为辅剂1和辅剂2两种，起催化作用，加快强度增长速度的同时增大最终强度。

表3 软黏土基本物理力学指标Table 3 Basic physical and mechanical indices of soft clay

固化之前往污泥中添加适量生石灰进行消化处理，可以发挥降低含水率和分解有机质的作用。通过大量试验，综合考虑土体强度和实际工程造价等因素，最终确定污泥固化土试样的制备方案如表4所示。

表4 污泥固化土制备方案Table 4 Preparation scheme of sludge solidified soil

将配置完成的污泥混合料装入模具，制取直径3.91icm，高8icm的圆柱形试样，并进行标准养护。由分析可知污泥固化土养护28id后无侧限抗压强度增长比较缓慢，认为其内部反应基本完成(杨爱武等，2018)，故选择龄期为28id的污泥固化土进行物理力学特性分析，具体如表5所示。

表5 养护28d污泥固化土的基本物理性质Table 5 Physical property parameters of sludge solidified soil cured for 28 days

1.2 冻融循环试验方案

在本次试验中，采用可控温型冻融试验箱进行冻融试验。在试验过程中，将标准养护28id后的试样用保鲜膜严密包裹，模拟封闭式环境。在不同冻融温度下，试样在试验箱内放置12ih视作模拟一次冻结。完成一次冻结后的试样在温度20i℃环境下放置12ih视作一次融化。

考虑在自然气候环境条件下，天津地区冬季低温波动范围以及固化土埋深影响，冻融温度选择-15i℃、-10i℃及-15i℃进行冻融循环试验。为与后期开展动力特性研究保持一致，选取养护28id的试样在冻融循环后进行围压σ3为20ikPa的三轴剪切试验，具体试验结果如图1所示。由图1可知，在同一冻融循环作用次数情况下，无侧限抗压强度随着冻融温度的降低而降低。原因在于不同的冻融温度下，固化土内部的水在转化成冰晶的过程中，速度以及数量等都存在差异，随着温度的降低，低温冻结加剧了土体的结构性破坏，形成的冰晶对土体内部结构性破坏程度随之加大，从而导致固化土抗剪强度对冻融温度降低而逐渐减小。同时同一冻融温度下试样抗剪强度随冻融循环次数增加而减小，在相同冻融循环次数下，冻融循环温度越低，抗剪强度越低，且均呈现出在前5次冻融循环作用下，抗剪强度衰减较快，在7次左右基本趋于平稳。

以最低冻融循环温度-15i℃为例，在冻融温度为-15i℃条件下，经历不同冻融循环次数的污泥固化土试样三轴应力-应变关系曲线如图2所示。由图2可知，污泥固化土在不同冻融循环次数作用后，应力-应变关系为弹塑性应力-应变关系，曲线表现为弱应变软化型，强度存在峰值点。随着冻融循环次数的增加，峰值强度逐渐降低，且达到峰值强度时所对应的轴向应变也随之减小，前3次冻融循环作用后，强度下降较大，当经历7次冻融循环作用以后，其强度基本趋于稳定。这是因为土体在经过最初几次冻融循环作用后，由于失水干缩与吸水湿胀，导致内部出现较多的裂缝，土体结构性破损比较严重，土体强度明显下降，而在经过一定次数(7次)的冻融循环作用后，土颗粒之间的黏结力和干湿循环作用产生的应力逐渐趋于平衡，达到稳定状态，裂缝不再继续扩大，强度逐渐稳定。综上所述，选择1次、3次、5次、7次、10次冻融循环次数作为模拟污泥固化土受气候条件影响的试验条件。

1.3 动力特性试验方案

采用DDS振动三轴仪对经过冻融循环作用后的污泥固化土试样进行不排水条件下的动三轴试验，以探讨固化土在长期循环荷载作用下的累积变形和动强度特性。考虑到固化土作为路基填料使用时的埋置深度以及车辆交通振动荷载对路基土的影响深度，试验过程中将围压σ3设定为20ikPa。循环荷载波形采用近似交通荷载的标准正弦波形，研究发现，地铁的频率一般小于2iHz(郑刚等，2013)，由于交通荷载的频率变化范围大，与交通工具的选取、车速及运行时间段有关，并随着车辆行驶速度和密度的增加而增加，同时结合公路设计规范，最终选取频率1iHz(相当于汽车行驶速度70ikm·h-1)。冻融温度选择-15i℃、-10i℃及-15i℃，冻融循环次数选取为1次、3次、5次、7次、10次，动三轴试验方案如表6所示。

表6 动三轴试验方案Table 6 Dynamic triaxial test scheme

轴向循环应力荷载采取分级加载的方式，分级加载应力大小根据试样三轴剪切试验结果确定，第1级循环应力为100ikPa，之后逐级递增，每级循环荷载振动30000次，以达到相对长期作用的效果。图3表示1iHz正弦波作用下，σ3为20ikPa、轴向循环应力为150ikPa时的加载波形示意图，试验过程中作用于土单元体上的轴向应力经历了从零到峰值再到零的数值变化。试验发现，当冻融循环次数为3次、冻融温度为-10i℃和-15i℃，以及冻融次数超过5次时，单级荷载作用300ikPa下试样破坏过快，试验结果并不具备研究意义，因此设计具体的应力加载方案如表7所示。

表7 动应力施加方案Table 7 Dynamic stress exertion scheme

2 累积变形特性

不同冻融温度和不同冻融循环次数条件下的固化土试样轴向累积动应变与循环振次之间的关系曲线如图4～图6所示。

由图4～图6分析可得，施加相同动应力幅值时，试样的应变趋势基本保持一致，冻融循环次数和冻融温度对变形形式的影响不大，试样破坏时均呈现出脆性破坏的特征。当施加的动应力幅值小于临界动荷载时，试样产生的应变在振动初期有所增长，很快在较少的振次内即停止增长；当施加动应力接近临界动荷载时，试样在较少振次内增速较快但随着振次的增加，应变增速逐渐减缓；当施加的动应力幅值大于临界循环动荷载时，初期应变增长速度略慢，当加载到一定的振次后，试样应变增速突变并破坏，表现出脆性破坏特征，存在明显的剪切面，如图7所示。分析可得，污泥固化土在循环荷载作用下破坏过程大致分为3个阶段：微裂纹出现阶段、裂纹扩展阶段、整体错动阶段，与动力循环荷载作用下的累积变形发展趋势分为稳定型、临界型和破坏型3个阶段一致。即动应力幅值小于临界应力时为稳定型，施加临界动应力时为临界型，动应力幅值大于临界动应力时为破坏型。

由不同冻融循环次数应变曲线试验数据可发现，经过1次、3次、5次、7次、10次冻融循环后试样轴向应变较未冻融试样的轴向应变均有所增长，以-10i℃情况为例，其分别增加17.67%、22.48%、27.15%、31.15%、33.15%。根据试验数据结合图5可得在一定冻融温度条件下，轴向应变增速和最终值随着冻融循环次数增加而变大。通过观察不同温度下经历多次冻融循环次数后动累积应变曲线可发现，随着冻融温度降低，当施加的动荷载超过临界动荷载时，试样在很少的振次下便发生脆性破坏，亦即变振幅条件下，冻融循环加剧了土体内部结构破坏程度。固化土在冻结过程中，试样中的水分冻结成冰晶损伤土体内部颗粒联结，促使微小孔隙扩展为大孔隙，造成土样内部出现较多裂缝，在土样融化过程中，试样内部微观结构无法恢复到冻结前状态，结构性破损较为严重。在经历多次冻融循环后，孔隙整体水平提高，结构连接、胶结等性能弱化，部分脱离接触，稳定性大幅减弱，表现为在循环荷载作用下土体原始结构性遭到一定破坏，土体内部连接更加疏松，造成土体变形呈现急剧增长，在较少的循环振次内便产生了较大的轴向应变。

3 冻融循环作用下动强度变化规律

动强度作为城市污泥固化土工程应用的重要评判指标，对于工程实践有着重要的意义。土体的动强度可以理解为在一定的动荷载加载振次下达到屈服破坏时所需的动应力。本文研究表明，污泥固化土试样动强度的变化受外加动荷载、冻融温度和冻融循环次数等因素的影响。根据动三轴试验结果，为了得到动应力-应变关系曲线随时间的变化趋势，为接下来分析动强度随时间的变化规律，故按照循环动荷载振次以及施加荷载的频率，将前文循环振次换算为作用的时长进行分析，得到不同温度不同冻融循环次数后的0ih、1ih、2ih、3ih、4ih、6ih动应力-应变曲线如图8～图10所示。

由图8～图10可以看出，除t=0ih的曲线，其他时刻曲线分布相对集中。这是由于t=0ih时，土体结构破损量少，在其他时刻土体的结构破损程度均大于t=0时刻，因此表现为相同应力作用下0ih时刻土体变形量小。

根据动应力-应变等时曲线，针对不同冻融温度和不同冻融次数条件，以屈服应力作为表征动强度的参数值，对分级加载时屈服极限随时间变化的规律进行分析，可得关系式(1)。

(1)

由式(1)可推算出任意时刻强度值。当τ→∞时，对上式取极限则有：

τ∞=limt→∞τ=C

(2)

限于篇幅，以-15i℃为例，在不同冻融次数条件下，动强度随时间的变化关系如图10所示。

分析图11可知，上述关系式(1)中A、B、C为拟合参数，其值见表8中冻融温度为-5i℃部分。从表8中可见，冻融温度为-5i℃时，5种不同冻融循环次数下拟合度R2分别为0.975i63、0.989i36、0.990i14、0.987i45、0.981i22，均比较接近1，拟合度高，故拟合函数可靠性高。即可用关系式(1)预测城市污泥固化土经历冻融循环后动强度随时间变化的规律。同理通过分析计算可得到-10i℃与-15i℃的参数值，具体见表8所示。

由关系式(2)结合表8参数值可以得到不同冻融条件下的动强度曲线见图11所示。

表8 不同冻融温度下参数值Table 8 Parameter values at different freeze-thaw temperatures

由图12可以发现城市污泥固化土动强度变化趋势具体表现为：在前5次冻融循环作用下土体动强度降低幅度较大，在经历7次冻融作用后，其值不再有明显的下降。此外，动强度随温度的下降而下降明显，当温度达到-10i℃以下，相同冻融次数下的动强度差异逐渐减小，也有趋于稳定的趋势。由此可见，每一次冻融都会影响土体动强度，而且在多次冻融循环作用后，土体内部结构基本破坏，并趋于一个新的平衡状态，与前文所述污泥固化土抗剪强度在经历7次冻融循环作用后基本趋于稳定一致。

对图12得到的动强度值引入冻融次数n，探究固化土动强度与冻融次数的关系。通过分析得到固化土动强度τ与冻融次数n的关系式如式(3)所示。

τ=A0+B0eC0n

(3)

式中：A0、B0、C0均为试验参数，不同冻融温度下具体参数值见表9。

表9 试验参数值Table 9 Test parameter values

为验证公式的准确性，利用应变速率与应力的变化曲线求固化土的动强度。以冻融温度为-15i℃为例，对不同冻融循环次数下的情况进行分析，结果如图13所示。

分析图13可知，曲线中存在一个应变速率突变的拐点，拐点后的变化速率突然增大，该点也是土样由稳定变形进入加速变形的转折点，因此，用这个速率变化的转折点确定固化土的动强度。同理对冻融温度在-10i℃和-15i℃条件下进行计算分析，得到的固化土动强度如表10所示。根据关系式(3)求得的固化土动强度值如表11所示。

表10 应变速率法求得的动强度Table 10 Dynamic strength obtained by strain rate method

表11 动应力-应变等时曲线法求得的动强度Table 11 Dynamic strength obtained by isochronous curve method

综合对比关系式(3)所得结果和通过利用应变速率与应力的变化曲线求固化土的动强度值，可得数值接近，强度值基本一致，因此可认为关系式(3)合理，可以作为冻融循环作用下动强度的预测公式。

4 冻融循环作用下静、动强度对比分析

对于土体长期强度特性方面的研究，要根据具体的条件具体分析，因土质材料、试验条件以及外部环境的差异都会引起长期强度的变化，要通过细致的分析才能下结论。因此，利用三轴流变试验仪，对经历同等冻融温度和冻融次数的污泥固化土试样进行蠕变试验，仍采用应力控制、分级加载的试验方法，加载大小和级数同动应力施加方案相一致，同样可通过应变速率法或等时曲线法求得固化土在冻融循环条件下的静长期强度。基于污泥固化土在冻融循环作用下的动强度特性，通过与王亚成(2017)在同等试验条件下的静力长期强度试验数据进行对比分析，结果如图14所示。

由图14可以看出，污泥固化土静、动长期强度随冻融次数的变化规律基本一致，均随着冻融温度的降低和冻融次数的增加而逐渐减小，且前5次冻融对强度的影响较大，随着冻融循环次数的增加，强度变化趋于平缓，7次以后基本保持不变或略有下降。在其他条件相同的情况下，污泥固化土静长期强度明显大于其动长期强度。产生这些现象的原因与前述固化土抗剪强度受冻融温度和冻融次数作用机理相一致，不同的是，循环荷载作用下，振动使得污泥固化土颗粒间联结状态和胶结作用发生破坏，同时在正弦波循环加载的过程中，伴随着部分能量的释放，每一次振动所经历时间越长，土体在一个周期内的应变就越充分，从而导致土体抵抗变形的能力也越差，因此同等条件下污泥固化土的动长期强度值要低于静长期强度值。

为了更直观地对污泥固化土在长期静、动荷载作用下的强度参数进行对比，图15给出了其在-15i℃、-10i℃及-15i℃ 3种冻融温度下的静强度、静长期强度、动长期强度柱状图。

由图15可以看出，在不同的加载条件下，基于冻融循环的城市污泥固化土的3种强度值都表现为静强度>静长期强度>动长期强度，而在平时的设计与施工中，一般只考虑到地基土的静强度，很少涉及后两者，这对于季冻区的工程建设将造成极大的不利影响，甚至会发生重大事故。因此在季冻区施工不仅要监测地基的瞬时静强度，还要结合现场施工环境考虑其长期强度才能保证地基安全。

需要说明的是，本文基于天津地区路基填料所受季冻特点，研究了污泥固化土经受冻融循环作用后分别施加静、动荷载时的长期强度与变形特性，而污泥固化土作为一种新型路基填垫料，其在使用过程中会不可避免地受到静、动荷载的交替作用，因此后续试验可以考虑对污泥固化土在经历冻融循环后交替受到静、动荷载作用下的长期力学性能展开研究，以更加贴近工程实际。