固化淤泥土壓縮特性分析

2021-07-17 05:33:26張麗雅

水利建設與管理 2021年6期

王波張麗雅李健

(中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100048)

1 前言

我國沿海地區分布著面積廣闊的淤泥質海岸，約占據著1/4的海岸線，隨著經濟的快速發展，沿海地區的水利工程、圍海造田、港口及航道建設工程等基礎設施建設項目越來越多，從而產生了大量淤泥。以往對淤泥進行的拋填廢棄需要大量的耕地來堆放和存儲，吹填與疏浚還產生了大片的淤泥地基[1-3]，環境污染和耕地浪費問題日益嚴重。因此如何安全高效地利用這類海相淤泥軟土地基成為研究重點。

在軟土地基上修建堤壩，其穩定和沉降控制是工程建設中必然面臨的兩大問題，需要系統探討地基變形和穩定的問題。海相淤泥除了具有一般軟土含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強度低、受豎向荷載后沉降變形大、沉降持續時間長等特點外，還具有變形量大、壓縮穩定所需時間長、側向變形較大的特點[4]，其變形參數對筑壩工程有很大影響，如影響一些南方地區長距離輸水管線等敏感工程的穩定性[5]。

壓縮特性對淤泥地基的工程特性有重要影響，土體壓縮后滲透性減小，土體內的土顆粒間有效應力不斷改變，最終使強度發生變化；壓縮導致堤壩地基不均勻沉降，也直接影響著上部結構使用安全和運行安全，因此系統研究固化淤泥的壓縮特性具有重要意義。

常用的固化劑主要有水泥、石灰等[6]，發生反應過程中，使淤泥流態變成流塑態[7]，其中，水泥有利于提高固化淤泥的早期強度，石灰有利于降低固化淤泥的含水率[8]。固化劑類別和摻量對淤泥的固化效果有重要影響。國內現有淤泥固化的報道多集中在固化材料對固化淤泥強度的影響等方面，國外的研究多關注固化淤泥的壓縮屈服特性[9]及壓縮特性的評價[10,11]等方面，而對于高含水率沉積淤泥壓縮特性的系統研究報道不多。

本文以唐山南堡典型濱海沉積淤泥為研究對象，開展了不同固化劑種類及摻量的室內壓縮試驗，對比分析了水泥、石灰及粉煤灰等固化劑在單摻情況下的固化效果，探討固化強度及其影響因素，為提高淤泥固化效果積累研究經驗。

2 試驗方案設計

2.1 試驗材料

本次試驗采用取自唐山市南堡開發區南堡五支隊南側濱海平原的典型原狀濱海沉積淤泥，取樣地點位于東經118°8′2″、北緯39°10′11″，原狀淤泥取樣現場情況如圖1所示。

圖1 淤泥取樣現場情況

固化劑選用粉煤灰、水泥、生石灰等3種材料，其中粉煤灰取自北京石景山熱電廠的龍口灰場；水泥為河北燕新建材集團有限公司生產的“鉆牌”32.5級復合硅酸鹽水泥；生石灰粉購于北京建材市場；吸水樹脂為宜興市可信的化工有限公司生產的SAP高分子吸水性樹脂。

唐山南堡濱海沉積淤泥屬于典型海相土，是一種以粉質黏土為主的結構性軟土，呈暗黃黑色，烘干后泛白，且在土中夾雜了微量的貝殼及樹葉等有機質，其顆分曲線如圖2所示。根據《土工試驗規程》(SL 237—1999)對該淤泥的基本物理性質進行了測試，實測淤泥試樣的各項物理性質指標見表1。可以看出，原狀淤泥的天然密度為1.56g/cm3，含水率為69.21%，遠大于液限26.82%。

表1 唐山南堡濱海淤泥基本物理性質

2.2 試驗設備

試驗采用南京土壤儀器廠生產的WG型三聯單杠桿固結儀，固結容器主要有環刀、護環、透水板、加壓上蓋和量表架、加壓設備、百分表、調土刀、鋼絲鋸、天平及秒表等，測力環百分表采用德國麥思德高精度數顯千分表。設備如圖3所示。

圖3 WG型三聯單杠桿固結儀

2.3 試樣制備

固化試樣制備步驟如下：

a.將固化劑和淤泥試樣按試驗設計中相應比例混合后在容器中用調土刀混合攪拌均勻，攪拌時間10min。

b.制備試樣前用環刀在其內壁涂上一薄層凡士林，便于壓縮試驗中順利脫模。

c.在高度大于25mm的盤子上分兩層均勻攤鋪拌和物。

d.在每層均勻拌和后，在拌和物上，緩慢豎直壓入環刀。

e.用塑料薄膜覆蓋裝有試樣的盤子，并將盤子放入養護室養護。

f.靜置24h后，用刀將壓縮試驗試樣取出，削去環刀外側及兩端的固化土后，繼續放入干凈盤中在養護室中養護至相應齡期。

制備完成后的試樣尺寸內徑為61.8mm，高度為20mm。按加入水泥(A、B組)、生石灰(C組)、粉煤灰(D組)及對照組將試樣分為四組，各組養護齡期均設置為7d，見表2，保濕缸中固化淤泥養護情況見圖4。

表2 不同固化劑及摻比試樣分組

圖4 固化淤泥養護

2.4 試驗方法

為了系統對比摻入水泥、生石灰、粉煤灰后固化淤泥壓縮特性的改變情況，合理確定固化劑種類、摻比及組合類型就顯得尤為重要。從經濟合理和工程效果角度出發，依據相關文獻經驗[12-24]，將水泥、生石灰及粉煤灰的摻比分別選為10%和20%、6%、20%，并與未固化淤泥進行對比，開展了唐山濱海沉積淤泥7d齡期的固化壓縮試驗。淤泥固化試驗中摻比ξ計算公式如下：

(1)

式中mc0——摻入固化劑的質量，kg；

ms0——被加固淤泥的濕質量，kg。

為對比固化劑組合對固化強度的影響，試驗設計中分別考慮單摻組合。將7d齡期、相應配比和固化劑摻量下的壓縮試驗平行試樣，在其測完密度后，按照《土工試驗規程》完成試驗，每次試驗都進行三個平行試驗。試樣在各級壓力下的固結時間為1h，固結壓力依次取12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa、1600kPa。

3 結果分析

壓縮系數與壓縮模量是評價土體壓縮性的重要指標，因此本文通過分析固化淤泥土的壓縮系數與壓縮模量來探討不同固化劑對其壓縮特性的影響。固化淤泥各組試樣的壓縮試驗結果見表3。

表3 固化淤泥壓縮試驗結果

(2)

式中av——壓縮系數，MPa-1；

p1、p2——固結壓力，kPa；

e1、e2——不同固結壓力下的孔隙比。

壓縮模量是基于土體線彈性模量而得到的一個指標，即在無側向膨脹條件下，試樣垂直壓力增量與垂直應變增量的比值，與壓縮系數間存在換算關系，見式(3)。與壓縮系數相同，通常也采用對應于p1=100kPa、p2=200kPa時的Es值作為試樣的壓縮模量。

(3)

式中Es——壓縮模量，MPa；

s1、s2——單位沉降量，mm/m；

e0——試樣的天然孔隙比。

根據壓縮模量，土體劃分為高壓縮性(Es≤5MPa)、中壓縮性(5MPa15MPa)三類。

神經內外科臨床教學本身存在很多難點和重點。對于有一定基礎的進修醫師來說，臨床病例教學采用簡單的面授課并不能收到特別良好的效果。此外，由于人數較少，也不適于大班教學。通過帶教醫師引導性提出問題后，讓進修醫師作為教學中的主角，搜集資料、制作課件、共同探討的基于問題的學習（problem based learning，PBL）模式，在功能神經外科病例教學中可發揮較大作用[5]。臨床醫學針對的是單個的患者和具體的疾病，治療疾病的過程就是發現問題、分析問題、解決問題的過程。而PBL最早就開始在醫學教學中開展，因此基于問題的學習比較適合在功能神經外科臨床病例教學中使用[5-6]。

3.1 單摻水泥對固化淤泥壓縮性的影響

將水泥與淤泥拌和后，水泥礦物會與水分發生水解和水化反應，通過生成水化硅酸鈣和氫氧化鈣來提高固化強度。由表3可知，對照組淤泥養護齡期為7d的情況下，壓縮系數為0.54MPa-1，壓縮模量為3.70MPa。而同等條件下在摻入10%和20%水泥后，試樣的壓縮系數分別降低為0.27MPa-1和0.20MPa-1，壓縮模量分別提高至7.78MPa和12.91MPa。由試驗結果并結合圖5可以看出，單摻水泥的淤泥試樣的壓縮系數比未固化試樣分別降低50.00%、70.37%，固化淤泥的壓縮性得到顯著降低，且隨著水泥摻比的增加而降低；而其壓縮模量分別提高了110.27%、248.92%，固化淤泥的抗壓強度有了明顯提高，且隨著水泥摻比的增加而增加。

圖5 對照組和單摻水泥試樣的e-p曲線對比

上述結果證明在實際工程中可適當提高水泥摻比來改善土體的壓縮特性。

3.2 單摻生石灰對固化淤泥壓縮性的影響

將石灰與淤泥拌和后，二者主要通過發生離子交換反應、結晶反應、碳酸化反應和火山灰反應等化學和物理化學反應達到固化效果。由表3可以看出，在養護齡期為7d的情況下，單摻6%生石灰的淤泥試樣的壓縮系數為0.17MPa-1，壓縮模量為11.94MPa。由試驗結果并結合圖6可以看出，單摻生石灰的淤泥試樣的壓縮系數比未固化試樣降低了68.52%，固化淤泥的壓縮性同樣得到顯著降低；而其壓縮模量提高了222.70%，固化淤泥的抗壓強度也明顯增強。

圖6 對照組和單摻6%生石灰試樣的e-p曲線對比

上述試驗結果說明單摻少量生石灰可以較大程度地改善土體的壓縮特性，且在實際應用中可以適當增加攪拌悶料時間，使生石灰和淤泥顆粒充分反應來達到相應的固化強度要求。

3.3 單摻粉煤灰對固化淤泥壓縮性的影響

將粉煤灰與淤泥拌和后，由于粉煤灰具有較大的比表面積，使其具有一定的吸附能力，且粉煤灰中含有的化學物質可使淤泥中的分子發生化學反應，從而起到固化作用[25]。表3中在養護齡期為7d的情況下，單摻20%粉煤灰的淤泥試樣的壓縮系數為0.43MPa-1，壓縮模量為4.62MPa。由試驗結果并結合圖7可以看出，單摻粉煤灰的淤泥試樣的壓縮系數比未固化試樣降低了20.37%，固化淤泥的壓縮性有一定程度的降低；而其壓縮模量提高了24.86%，固化淤泥的抗壓強度也有小幅增加。