不同加載速率下堿渣K0固結試驗研究

王 歡，程 鵬，紀文棟，劉曉強

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術國家工程實驗室水工構造物檢測診斷與加固技術交通行業重點實驗室，天津300456；2.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，西安710075）

不同加載速率下堿渣K0固結試驗研究

王 歡1，程 鵬2，紀文棟1，劉曉強1

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術國家工程實驗室水工構造物檢測診斷與加固技術交通行業重點實驗室，天津300456；2.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，西安710075）

以天津堿廠堿渣為研究對象，進行不同加載速率連續加載方式下完全側限K0固結試驗，研究連續加載條件下K0固結過程中堿渣的變化。試驗結果表明：加載速率越高，堿渣結構瞬間的破壞程度越大，產生的應變越大，加載速率對初期的沉降和穩定性有明顯的影響。不同加載速率下相同的應力對應的應變不同，軸向應力加載速率越大，應變越大，加載階段完成大部分變形。在軸壓作用下孔壓上升很快且接近軸壓值，試驗過程中產生超靜孔隙水壓力。試驗初期，加載速率越大，固結速度越快，排水量越多，穩壓階段不同加載速率的固結速度比較接近。堿渣表面附著強結合水，受顆粒表面引力的控制，堿渣彈性強，黏性高，具有較強的親水性。

堿渣；加載速率；K0固結；試驗研究

純堿是重要的基本工業原料，純堿工業是我國基礎化學工業之一，在國民經濟中占有重要地位。氨堿法是我國生產純堿的主要方法，氨堿法生產純堿的最大缺點是蒸氨工藝流程中會產生大量廢棄物即堿渣，我國氨堿法制堿每年可達300萬t，每年產生廢液約3 000萬m3，堿渣近300萬t［1］。排放的廢渣一般采用地表堆積的處理方式，天津堿廠自投產至今，大量排放的堿渣已經形成了堆積高度達到數米的堿渣山（圖1）。堿渣占地面積大，方量多，堆積的堿渣占用了天津港的大片土地，給天津港的規劃和發展帶來了嚴重影響，且露天堆放，極易起塵，對周圍的環境也造成了影響，河流不同程度的污染，影響周圍群眾的生活，可見堿渣的堆積不僅浪費土地而且破壞生態平衡，在種種問題的推動下，有效合理的解決堿渣堆積問題是刻不容緩的。

圖1 堿渣堆積及現場情況Fig.1Accumulated soda residue and scene situation

目前天津港采用近挖坑深填埋結合真空預壓處理及表面堿渣中摻粉煤灰、活性強化劑拌制工程土的聯合治理措施［2］。但是堿渣用作地基與基礎的理論和經驗不足，還需要對堿渣的性質進行深入研究，目前開展的堿渣試驗多側重于研究堿渣的微觀結構和力學性狀的研究，如候晉芳、劉愛民、閆澍旺［3］開展的堿渣制工程土的微觀結構及巖土工程特性研究，趙洪亮［4］提出的堿渣土工程特性的試驗等，而針對純堿渣地基變形特性及時間效應的研究比較少。

本文主要基于英國GDS公司生產的固結試驗系統對堿渣進行不同加載速率下連續加載方式的K0固結試驗，研究堿渣K0固結過程中變形特性及加載速率的影響，研究結果可以為堿渣地基的處理應用提供幫助。

1 堿渣的基本特性

1.1堿渣的組成成分

堿渣的化學成分包括碳酸鈣、硫酸鈣、氯化鈣等鈣鹽，鋁、鐵、硅的氧化物，以及氯化鈣、氯化鈉等易溶于水的氯化物，同時含有少量的二氧化硫等成份。堿渣中易溶鹽化學分析表明堿渣的溶液偏堿性，PH值在10左右，由于堿性作用，堿渣在潮濕環境中對鋼筋混凝土不會造成腐蝕，但是其含鹽量較高，對環境會造成影響，之前學者已經總結其化學成分含量檢測結果見表1［3］。

表1 干堿渣的組成成分Tab.1Content of dry soda residue

1.2堿渣的物理力學指標

與天然土類似，堿渣也是三項體，三項組成中重量和體積的比例關系可用一系列的物理指標反映，很多學者已經通過試驗總結了堿渣的物理力學參數（表2）［5］。

表2 堿渣的物理力學指標Tab.2Physico?mechanical indices of soda residue

2 堿渣K0固結試驗

2.1試驗設備

試驗設備采用英國GDS公司生產的固結試驗系統（圖2），系統控制器精度高于0.1％，所有測量值的分辨率都小于0.1％全量程。

圖2 試驗儀器Fig.2Test instrument

GDS固結試驗系統是通過計算機來控制的，包括數據采集，將數據轉換為工作單位，以及按照圖形和數字格式處理數據。采用Rowe&Barden型液壓固結壓力室，并結合Bishop和Skinner′s浮動環的特性。壓力室通過2個GDS壓力控制器與計算機連接，這兩個控制器一個控制軸向應力，另一個控制反壓。另外選擇外置傳感器測量孔隙水壓力和軸向變形。

2.2試驗方案

試樣為天津港現場取來的堿渣，堿渣的含水率為190％，試驗用試樣質量130.5 g，試樣規格直徑79.2 mm，高20 mm（圖3）。將樣品環護圈與壓力室底座固定，多孔圓盤放置在底座上，將環刀放于環刀夾內部放置在多孔圓盤上，在環刀上部邊緣放置一個密封圈，將壓力室頂蓋放置于試樣上方并與底座固定，通過反壓控制器與軸壓控制器充出底座與頂部橡膠袋內部的氣體，反壓、軸壓、孔壓、軸向位移清零。

圖3 試驗試樣Fig.3Specimen

試驗方案是在完全側限條件下通過軸向液壓水袋的作用分別在5、10、15、30 min不同的時間內使軸向壓力由0 kPa連續增加到400 kPa（表3），之后保持穩壓不變繼續進行固結，以觀察不同加載速率對堿渣K0固結排水試驗效果的影響，此試驗結果用于不同施工速率地基沉降及排水固結特性的分析。

表3 試驗方案Tab.3Experiment scheme

2.3試驗結果分析

試驗中通過各種傳感器與軟件自動量測記錄K0固結過程中應力、應變、孔壓等隨時間的變化過程；圖4～圖9給出不同連續加載速率下試樣K0固結效果，圖中不同的虛實線分別代表不同加載速率下的固結曲線。

圖4為本次試驗的連續加載曲線，斜線部分為加載階段，軸力由0 kPa加載到400 kPa，根據加載時間的設定不同此過程中軸力的加載速率分別為80 kPa/min、40 kPa/min、26.67 kPa/min、13.33 kPa/min；直線部分為穩壓階段，即軸壓達到400 kPa后保持該壓力不變的固結過程。

柑橘產量與氣溫、降水量呈顯著正相關；與日照時數呈極顯著負相關。需要加強研究柑橘各發育期氣象因子與柑橘產量的關系，掌握柑橘生長發育期對氣溫、降水、日照的需求，有效利用氣象條件，防范氣象災害，結合生產實際，加強果園管理，提高柑橘產量與品質。

圖4 加載過程Fig.4Loading process

圖5 應變-時間關系Fig.5Relationship between strain and time

圖6 應力-應變關系Fig.6Relationship between stress and strain

圖7 軸壓作用下孔壓變化過程線Fig.7Variation of pore pressure under the action of axial stress

2.3.1應變-時間分析

圖5為應變-時間曲線，加載速率不同使堿渣的結構受到不同程度的擾動，加載速率越高，對堿渣結構瞬間的破壞程度越大，由曲線可以看出不同加載速率下，加載速率越快，應變越大，應變隨加載速率的增加呈上升趨勢。

堿渣與一般的材料不同，含水率很高，在加載的過程中試樣的孔隙比、顆粒排序變化較大，從而使試樣變形引發沉降，堿渣地基早期的沉降比一般的地基要快、沉降量要大。試樣的強度隨加載速率的大小也會改變，加載速率越大，試樣強度越大。可見加載速率對應變即施工過程中初期的沉降和穩定性有明顯的影響，施工速度越快，沉降越快，初期的變形是整體變形中最快，也最不穩定的，因此為了預測地基早期的和工后沉降，有效的控制施工質量，嚴格把握施工速度是非常重要的。

2.3.2應力-應變特性分析

應力-應變關系受含水率、密度、應力路徑等諸多因素影響，試驗中堿渣的應力-應變關系體現了加載方式對堿渣原結構強度的綜合影響。

圖6給出了4種不同加載速率下的應力-應變曲線，從圖6中可以看出4條曲線的形狀趨勢相似，但是前3種加載速度下的曲線有明顯峰值，速度較低的比較平緩，這是由于堿渣的靈敏度較高，加載速率越快，對堿渣結構瞬間的破壞程度越大，對堿渣的影響比較明顯，而緩慢的加載速度使堿渣的變形比較平緩。

曲線還可以看出不同加載速率下相同的應力對應的應變不同，在主要加載階段隨著軸向應力的增大而迅速增大，軸向應力加載速率越大，相同的應力對應的應變越大，直至軸向應力達到設定值保持不變，軸向變形趨于平穩增加，這是因為堿渣含水率高、飽和度高，孔隙比大，加載的初始階段軸向應力增大，堿渣迅速排水，孔隙比減小，內部顆粒重組，應變不斷增大，隨著堿渣有效應力增大，強度慢慢增強，軸向應力增加，應變增加，直到趨于平穩，且大部分的變形在加載階段已經完成，所以施工過程中要實時觀測地基穩定問題及工后緩慢沉降問題。

試樣在不完全飽和情況下，孔壓值會低于軸壓值很多，飽和度越高，孔壓值越接近軸壓值［6］，為了解軸壓作用下孔壓的變化過程，整理數據繪制孔壓-時間變化曲線如圖7所示。

由圖7可見，孔壓隨著軸壓的加載過程逐漸增長，不同軸壓加載速率下孔壓的上升速度不同，加載速率越快，孔壓上升越快，峰值越接近軸壓目標值，試驗過程中產生超靜孔隙水壓力，穩壓后測得的孔壓在軸壓的80％以上。孔壓滯后時間很短，一方面是因為試樣與儀器側壁的摩擦力很小，另一方面與試樣的高飽和度有關［6］，堿渣的含水率接近200％，且飽和度高，堿渣顆粒間接觸少，呈懸浮狀態，軸力加載使水體受壓導致孔隙水壓力上升［7］，堿渣飽和度越高孔壓滯后越短越接近軸壓。在之后的穩壓過程中，孔壓以緩慢的速度下降，堿渣顆粒間的接觸面積慢慢變大，骨架形成變密實，承載能力慢慢變強。

2.3.4排水情況分析

飽和堿渣是高靈敏度土，加載速率不同使堿渣結構受到不同的擾動。圖8為不同加載率度下排水量與時間的關系，結合應變-時間分析，試驗表明試驗初期排水量和固結速度與加載速率有很大影響，加載階段加載速率越大，固結速度越大（排水曲線斜率）［5］，排水量越多，穩壓階段不同加載速率的固結速度比較接近。

圖8 排水量-時間關系Fig.8Relationship between drainage and time

試驗前測得試樣的質量為130.5 g，根據含水率與常溫下水的密度的關系可以計算出水的體積約為85 500 mm3。圖9為一個排水較快的試樣固結24 h以后的排水-時間曲線，可以看到初期的排水比較迅速，后期排水比較平穩，曲線表明試樣排水趨于平穩，最終排水量只占試樣中水的體積的60％，這是因為堿渣中還有一部分被堿渣顆粒表面吸附著的強結合水，它受顆粒表面引力的控制，彈性強，黏性高，不容易受外力影響，性質比較穩定，同時堿渣本身具有很強的親水性，堿渣的這些特征在工程應用中要加以重視。

圖9 穩定排水量Fig.9Steady drainage

3 結論

本文通過微觀分析與宏觀試驗相結合的方法，對天津堿廠堿渣進行基本物理性質分析，利用GDS固結試驗系統進行K0固結試驗，得出以下結論：

（1）飽和堿渣結構性很強，靈敏度高，加載速率越快，對堿渣結構瞬間的破壞程度越大，產生的沉降越大，加載階段對初期的沉降和穩定性有明顯的影響，施工過程中應根據實際情況需要控制施工速度。

（2）不同加載速率下相同的應力對應的應變不同，軸向應力加載速率越大，相同的應力對應的應變越大，穩壓后軸向應變比較平穩，加載階段完成大部分變形。

（3）孔壓滯后時間很短，試驗過程中有產生超靜孔隙水壓力，孔壓可以達到軸壓的80％以上，堿渣是高飽和度、高含水率材料。

（4）試驗初期排水量和固結速度與加載速率有關，加載速率越快，固結速度越快，排水量越多，穩壓階段不同加載速率的固結速度比較接近。

（5）堿渣表面附著強結合水，受顆粒表面引力的控制，堿渣彈性強，黏性高，具有較強的親水性。

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Study on K0consolidation of soda residue with different loading rates

WANG Huan1,CHENG Peng2,JI Wen?dong1,LIU Xiao?qiang1
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Harbor&Marine Structure Safety，Ministry of Transport,Tianjin 300456,China;2.CCCC First Highway Consultants Co.,Ltd.,Xi′an 710075,China）

Taking soda residue of Tianjin port as the study subject,the K0consolidation test under continuous loading with different rates and complete side was carried out to study the influence of loading rate to soda residue on K0consolidation.The test results show that:the higher the loading rate,the greater the extent of damage to struc?tures,the bigger the strain,and loading rate has obvious influence on the early subsidence and stability.The strain is different with the same stress under different loading rates.The higher the axial stress rate,the bigger the strain. The most of deformation is in the loading stage.The pore pressure rises quickly and is close to the axial pressure, and excess pore water pressure exists in the test.At the beginning of the test,the higher the loading rate,the faster the consolidation rate,the more the drainage,in steady stage,consolidation velocity of different loading rates is simi?lar.The strongly bound water is attached to the surface of the soda residue.The soda residue has high viscosity, strong elasticity and hydrophilicity due to the attraction.

soda residue;loading rate;K0consolidation;experimental study

X 705

A

1005-8443（2016）02-0193-05

2015-03-30；

2015-12-18

王歡(1984-)，女，天津市人，工程師，主要從事巖土室內試驗工作。

Biography：WANG Huan（1984-），female，engineer.