固化輕質吹填土配合比優化及工程特性研究

賀小青

(西安交通工程學院土木工程學院，陜西 西安 710300)

1 概述

隨著港口城市經濟貿易的繁榮發展，其基建項目日益增多，土地資源遠遠不足，需要依靠圍海造陸來增加可利用土地面積和提高港口貿易的吞吐能力。吹填土由此而來，但其含水量高、壓縮性大、抗剪強度低的特性導致其無法滿足工程實踐所需[1]，必須經過處理才能滿足施工強度。傳統處理吹填土的方法如真空預壓法，在排水之前需要在泥漿表層根據軟土層厚度和施工要求再次吹填0.5 m以上厚度的細砂或中砂來滿足插板機等施工機械所需基本承載力要求，所用砂量巨大，人工砂費用昂貴，天然砂的開采還極大的破壞環境；飽和的砂土還易發生振動液化，噴砂冒水現象，嚴重影響施工環境和施工安全。對于吹填土固化技術，目前已有一些研究成果，如沈宇鵬等[2]對天津曹妃甸含氯鹽吹填土采用S95級?；郀t礦渣粉為主固化劑，添加硅酸鈉、石膏粉和生石灰進行固化，研究固化劑和添加劑的配合比例以及養護齡期對固化土的強度影響，得出礦粉必須與添加劑配合使用才有效，添加劑中生石灰作用最明顯。最新研究[3-6]表明對吹填土進行固化，并且加入發泡劑減輕吹填土質量，經過處理后的吹填土具有密度低、強度高、生態環保等優點，可以滿足工程要求，而且預制固化輕質吹填土可以作為路基等常規地基土材料使用。

2 固化輕質土配合比優化

2.1 原樣土基本物理性質分析

本文以連云港吹填土為基本材料，靜水沉降法分析土樣粒度成分如圖1所示，在未加分散劑時，土體的固體顆粒粒徑主要集中在0.005～0.075范圍內，占 65%左右，加入分散劑以后，顆粒粒徑仍主要集中在0.005～0.075范圍內，含粉粒的量降低到55%左右，含黏粒的量達到40%左右，可將土樣定名為粉質輕黏土。通過加分散劑前后試驗結果對比，連云港吹填土具有一定的團聚性，這種團粒組成的土體強度不高，分散性較大。兩組土樣的不均勻系數Cu均大于5，曲率系數Cc均小于1，連云港濱海區吹填土為不良級配的土，不均粒土。

本次采用X射線衍射分析法，對連云港吹填土原樣進行礦物成分全分析，含黏土礦物的量較高，其中含伊蒙混層和伊利石的量相對較高，是黏粒的組成礦物，因此該吹填土具有較強的親水性，壓縮性高，抗剪強度低。塑性指數18.5>17，且土中含有較多的黏粒和有機質，土的孔隙比較大，在物質成分和結構上決定了該軟土具有高壓縮性，高靈敏度；由于試驗結果液性指數1.16>1.0，土體處于流塑狀態，土體密實度較低，決定了土的強度較低，其礦物成分和物理性質指標如表1，表2所示。

表1 連云港吹填土礦物成分表

表2 連云港吹填土基本物理性質指標

2.2 固化輕質土配合比優化設計

根據經驗選用含水泥固化劑的量為8%，粉煤灰固化劑A和發泡劑B，在室內做無側限軸向抗壓試驗，通過變化發泡劑和粉煤灰的比例，得到不同含水量(55%，65%，75%)下的抗壓強度值，如圖2～圖4所示。通過對比圖2～圖4可以發現，在其他條件保持不變的情況下，隨著含水量的增加，抗壓強度值總體呈現逐漸減小的趨勢。在同一含水量下，含粉煤灰的量從2%增加到4%，抗壓強度值先增加后減小，因此3%的粉煤灰較為合適。在3%的粉煤灰摻合下，含0.1%發泡劑的量得到的抗壓強度最高，也可以從其他水的質量分數結果圖觀察到當A為3%，B為0.1%時其抗壓強度最高，因此通過抗壓強度值的變化趨勢，得到最優配合比粉煤灰A∶發泡劑B=3∶0.1。

3 固化輕質吹填土工程特性研究

本文采用固化輕質吹填土與未固化同密度的輕質吹填土做物理力學性質對比試驗來進行研究該配合比下吹填土的工程性質。未固化輕質吹填土是用聚苯乙烯材料填充在吹填土中，反復調整比例，達到與固化土體相同的密度和含水量。

3.1 無側限抗壓強度分析

試驗中兩種試樣尺寸均為150 mm×150 mm(直徑×高度)，密度為1.31 g/cm3,含水量為35%，在標準條件下養護7 d，14 d，28 d，60 d，分別進行無側限抗壓強度試驗，所得應力應變曲線如圖5，圖6所示。從圖5可以看出，固化輕質吹填土隨著齡期的增加，峰值強度逐漸增大，60 d齡期抗壓強度是7 d齡期的3.7倍，應力應變曲線呈現明顯的應變軟化現象，在應變為1.8%時達到峰值強度，土體開始呈現脆性破壞，土顆粒發生錯動，結構重新調整之后又達到穩定應力水平。圖6中齡期對未固化土體的強度影響不太明顯，60 d齡期抗壓強度僅為7 d齡期的1.2倍，應力應變曲線呈現典型的硬化特征，無屈服階段。試驗結果說明固化后的土體在養護齡期為28 d時的強度是未固化土體的7.5倍，養護齡期為60 d時，倍數增加到8.5倍，可知齡期對固化吹填土的強度影響較大。

3.2 壓縮特性分析

固化后的吹填土具有脆性材料的特性，在破壞時呈現突然的破裂，對土體結構的擾動較明顯，需對土樣做側限壓縮試驗分析其壓縮特性，固化土樣和未固化土樣仍采用密度1.31 g/cm3,w(水)=35%的條件，固化土在標準條件下養護7 d，14 d，28 d，60 d，未固化土不養護，固化土樣采用快速固結的方法，2 h加載一級荷載，未固化土樣每級荷載按照24 h加載，得到的e-p曲線如圖7所示。未固化吹填土孔隙比隨荷載增大變化較大，而隨著齡期的增加，固化吹填土的孔隙比變化越來越平緩，壓縮特性越來越小。這個過程反映了吹填土與固化劑的水化反應在持續發生，生成的結晶逐漸填充土體孔隙，結構越來越密實，聯結越來越強，孔隙內的水越來越少。從e-p曲線的變化趨勢對比可以看出，當齡期大于28 d，曲線變化較小，說明28 d時內部反應基本結束，再增加齡期對壓縮特性的影響較小。

3.3 滲透性分析

連云港吹填土屬于粉質輕黏土，滲透性較小，因此采用變水頭法測定其滲透系數，試樣為直徑61.8 mm、高40 mm的圓柱體，變水頭計算公式如式(1)所示：

(1)

其中，a為變水頭管截面積，cm2；Δt為時間，s；L為滲流路徑，cm；A為試樣的斷面積，cm2；h1為開始水頭，cm；h2為終止水頭，cm。

仍然采用上述條件下的固化吹填輕質土和未固化輕質土樣，上述結論表明養護28 d 情況下，固化土體的強度、壓縮特性都較好，符合工程所需，因此本試驗采用養護齡期為28 d。試驗結果如表3所示，未固化吹填土的平均滲透系數為1.9×10-7，固化后的輕質吹填土滲透系數除去最大最小值，平均值為4.5×10-5，經固化的土體滲透性能較好，由于土體中的粉粒和黏粒經固化形成結構體系，不再隨水流流動，不會再堵塞孔隙通道，因此具有較好的滲透性。

表3 齡期28 d滲透系數對比表

4 結論

1)分析了連云港吹填土的粒度成分、礦物成分和基本物性指標，得出其為粉質輕黏土，級配不良；礦物成分中原生礦物主要以石英為主，黏土礦物以伊利石和蒙脫石為主，吹填土具有較強的親水性；孔隙比大，天然含水量大，所以壓縮性高，抗剪強度低。

2)固化劑采用水泥和粉煤灰，含固定水泥的量為8%，變化含粉煤灰與發泡劑的量，對比各試樣不同齡期下無側限抗壓強度，得到固化輕質土的最佳配比為水泥∶粉煤灰∶發泡劑=8∶3∶0.1。

3)養護齡期對固化輕質吹填土的影響較大，對未固化土體影響較小，固化土體應力應變曲線呈現明顯應力軟化現象，呈現脆性破壞，而未固化土體應力應變曲線具有明顯應力硬化特征。

4)壓縮試驗e-p曲線表明，隨著養護齡期增加，固化吹填土的孔隙變化越來越小，壓縮性能得到改善，超過28 d影響趨于穩定，固化輕質吹填土的壓縮性較未固化土體小很多。

5)滲透試驗結果表明固化輕質吹填土的滲透系數較未固化土大2個數量級，經固化土體滲透性增加，具有了預制路基材料的可能性。