改性固化淤泥的水力特性及水分遷移特征★

況彥西娜張俊峰諶柳明*戴小松徐順平

(1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢 430070; 2.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北武漢 430072; 3.中建三局投資發(fā)展有限公司，湖北武漢 430070)

改性固化淤泥的水力特性及水分遷移特征★

況彥1西娜2張俊峰2諶柳明2*戴小松3徐順平3

(1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢 430070; 2.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北武漢 430072; 3.中建三局投資發(fā)展有限公司，湖北武漢 430070)

東湖固化淤泥土不能直接用于路基填筑，因此使用水泥對(duì)其進(jìn)行改性，形成了改性固化淤泥，通過對(duì)改性固化淤泥的水力特性試驗(yàn)，獲得了其土水特征曲線和水力傳導(dǎo)函數(shù)曲線，在此基礎(chǔ)上，使用Richards方程作為控制方程的瞬態(tài)流理論進(jìn)行了東湖改性固化淤泥路基在不同外部環(huán)境作用下水分遷移的數(shù)值模擬分析，得出了一些有意義的結(jié)論。

淤泥改性，路基，水力特征，水分遷移

0 引言

武漢東湖通道工程中，淤泥總處理量約為82.5萬m3。為了達(dá)到不占用土地并資源化利用的目標(biāo)，已對(duì)湖中疏浚淤泥采用固化劑和機(jī)械脫水方法進(jìn)行了固化處理。但室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該固化淤泥并不適于直接作為路基填料。因此摻入水泥進(jìn)行改性，所得到的土即為本文試驗(yàn)所用的“改性固化淤泥”。改性固化淤泥試樣的水泥摻量為8%，壓實(shí)度為96%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d。重型擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度為1.551 g/cm3，最優(yōu)含水率為23.4%。

在道路運(yùn)營(yíng)過程中，路基絕大部分時(shí)間處于非飽和狀態(tài)。由于蒸發(fā)、降雨、地下水位上升等外部環(huán)境因素的影響，路基土的含水率分布差異較大，對(duì)路基土的強(qiáng)度、變形的影響，如果不加處置，可能會(huì)引起多種路基病害，如:不均勻沉降、邊坡失穩(wěn)等。

因此，需要建立基于非飽和土理論的路基設(shè)計(jì)理論與方法，需要掌握不同環(huán)境因素作用下，非飽和土路基內(nèi)部的水分運(yùn)移規(guī)律。

大量試驗(yàn)研究結(jié)果表明，非飽和土的滲透系數(shù)、抗剪強(qiáng)度、體應(yīng)變及持水特性等都與土水特征曲線(SWCC，Soil-Water Characteristic Curve)存在一定的關(guān)系［1］，因此，土水特征曲線在非飽和土研究中具有重要地位。

室內(nèi)測(cè)定土水特征曲線的方法主要分為直接法和間接法，直接法包括軸平移法、鹽溶液法、電位計(jì)法、濾紙法、張力計(jì)法［2-6］等。這些方法要求試樣逐級(jí)增加吸力并達(dá)到平衡，因此試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)、成本較高，間接法［7-9］測(cè)土水特征曲線通過測(cè)試樣在達(dá)到吸力平衡狀態(tài)過程中溢出水量，然后反算土水特征曲線，可以不需加載多級(jí)吸力，試驗(yàn)時(shí)間歷時(shí)短，因此受到了廣泛認(rèn)可，本文利用基于Lu Ning［10］教授理論的TRIM測(cè)試系統(tǒng)，把整個(gè)測(cè)試過程作為一個(gè)初始/邊界值問題，將陶土板和試樣當(dāng)做一個(gè)分層的系統(tǒng)，將溢出水量隨時(shí)間的變化曲線作為限制條件，通過瞬態(tài)流理論反演得到水泥改性固化淤泥脫/吸濕土水特征曲線和滲透函數(shù)曲線。在此基礎(chǔ)上，分析了水泥改性固化淤泥用作路基填料的水分遷移特征。

1 土水特征曲線和水力傳導(dǎo)函數(shù)模型

目前常用的SWCC模型有Van Genuchten模型［11］、Fredlund-Xing模型［12］、Leong模型［13］等。本文采用的Van Genuchten模型形式簡(jiǎn)單易用，能夠擬合較大吸力范圍的土水特征曲線，其表達(dá)式如下:

式中:θ——體積含水率;

θr——?dú)堄囿w積含水率;

θs——飽和體積含水率;

ψ——基質(zhì)吸力;

α，n，m——模型擬合參數(shù)，m=1-1/n。

非飽和土的滲透系數(shù)受到含水率和孔隙比影響較大，當(dāng)土從飽和變?yōu)榉秋柡偷倪^程中，空氣替代水占據(jù)土中孔隙，致使水通過土的滲透通道減少，同時(shí)基質(zhì)吸力的增加使水占有的孔隙體積進(jìn)一步減小，滲透系數(shù)隨含水率變化的范圍很大，而孔隙比對(duì)滲透系數(shù)的影響則可能相對(duì)次要，因此滲透系數(shù)函數(shù)常常用含水率(或飽和度)或基質(zhì)的單一函數(shù)。

水泥改性固化淤泥用作路堤填料的滲透函數(shù)模型采用了Van Genuchten和Mualem建立的模型［14］，如式(2)所示:

式中:ks——飽和滲透系數(shù);

ψ——基質(zhì)吸力;

α，n，m——模型參數(shù)，m=1-1/n。

2 試驗(yàn)儀器、步驟和結(jié)果

土水特征曲線和滲透函數(shù)曲線試驗(yàn)采用TRIM測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所示。

試驗(yàn)步驟如下:

1)制備土樣:取重塑土樣過2 mm篩，按照水泥質(zhì)量與土樣干重之比為8%計(jì)算水泥摻入量，根據(jù)控制含水率配制試驗(yàn)用土，靜置24 h以保證土體含水率均勻;采用“擊樣法”制作預(yù)定壓實(shí)度的試樣。試樣直徑6.18 cm，高2.5 cm。試驗(yàn)土樣和陶土板的水力特性指標(biāo)如表1所示。

表1 土樣和陶土板材料水力特性指標(biāo)

2)飽和試樣與測(cè)試儀器。將試樣和陶土板采用真空飽和法進(jìn)行飽和，通過調(diào)節(jié)儀器的閥門，使用蒸餾水沖刷儀器管路，排出其中的氣泡。

3)安裝試樣。將陶土板安裝到試驗(yàn)儀器底座，試樣放在陶土板上并與之充分接觸，在試樣上安裝多孔金屬板和彈簧，然后密封儀器，再次通過蒸餾水沖刷陶土板下方氣泡，并向氣泡量測(cè)管注入水，記錄量測(cè)管液面高度。

4)脫濕段t—q曲線測(cè)試。將天平連接數(shù)據(jù)采集軟件，通過天平記錄脫濕階段試樣所排出的水量，先對(duì)試樣施加一較小吸力值(砂土約2 kPa，粉、粘土約8 kPa，該值應(yīng)大于土體的進(jìn)氣值)，使之由飽和狀態(tài)變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)。達(dá)到平衡狀態(tài)后，再對(duì)試樣施加一較大的吸力值(相當(dāng)于土體殘余含水率對(duì)應(yīng)的吸力大小，該值需小于陶土板的進(jìn)氣值)，直到達(dá)到平衡狀態(tài)。這樣就可以得到脫濕段溢出水隨時(shí)間變化的t—q曲線。

5)吸濕段t—q曲線測(cè)試。由于試樣脫濕期間，部分氣泡可能溢出陶土板使陶土板底部水分排到盛水杯，使實(shí)測(cè)的溢出水量偏大。所以脫濕段結(jié)束后應(yīng)該對(duì)陶土板底部進(jìn)行沖刷，并記錄沖刷后氣泡量測(cè)管的讀數(shù)，根據(jù)測(cè)得的溢出氣泡的體積對(duì)試樣溢出水量進(jìn)行校正。然后卸載，使吸力降為零，天平上方盛水杯的水開始進(jìn)入試樣，直至天平示數(shù)穩(wěn)定。這樣就可以得到吸濕段溢出水隨時(shí)間變化的t—q曲線。

圖1 TRIM測(cè)試系統(tǒng)

圖2 基質(zhì)吸力和溢出水量隨時(shí)間變化曲線

6)使用后處理軟件得到土水特征曲線的V-G模型參數(shù)。圖2為所施加的基質(zhì)吸力和溢出水量隨時(shí)間的變化曲線。運(yùn)用HYDRUS-1D一維水分運(yùn)移函數(shù)(HCF，Hydraulic Conductive Function)，得到改性固化淤泥土水特征曲線和水力傳導(dǎo)函數(shù)曲線如圖3所示。由圖可見，東湖改性固化淤泥脫濕(如蒸發(fā))路徑下，在其最優(yōu)含水率附近時(shí)的基質(zhì)吸力超過1 000 kPa。

圖3 土水特征曲線和水力傳導(dǎo)函數(shù)曲線

3 水泥改性固化淤泥路基的水分運(yùn)移特征

在上述測(cè)試得到SWCC基礎(chǔ)上，從非飽和土的角度，使用Geo-studio軟件對(duì)最優(yōu)含水率下填筑的改性固化淤泥路基在降雨和蒸發(fā)環(huán)境作用下的含水率分布進(jìn)行分析。具體邊界條件設(shè)定如下:

1)在蒸發(fā)作用下經(jīng)歷一個(gè)月。蒸發(fā)強(qiáng)度為-3.96×10-8m/s。

2)持續(xù)降雨一周路堤內(nèi)的含水率分布，降雨強(qiáng)度為28.8 mm/d，代表的降雨類型為中雨。由于該流量大于土的滲透系數(shù)，故采用水頭邊界。

算例的路基斷面圖如圖4所示。路堤高度為2 m，坡率為1∶1.5，路基頂面寬度為9 m，路堤壓實(shí)度為96%，路面邊界流量為零，路基邊坡以及坡底地面為降雨所造成的邊界流量，左右豎直剖面為無限邊界。

模擬所用改性固化淤泥的土水特征曲線見圖3，其V-G模型參數(shù)如表2所示。

路基初始狀態(tài)為最優(yōu)含水率狀態(tài)(質(zhì)量含水率為24.4%，相對(duì)應(yīng)的體積含水率為37.65%)，圖5為填筑完畢后經(jīng)歷一個(gè)月的蒸發(fā)作用路基含水率狀態(tài)分布等值線;圖6為經(jīng)歷一周中雨后路基的含水率分布等值線圖。圖中箭頭方向?yàn)樗值倪w移方向，箭頭長(zhǎng)短代表著流量大小。

圖4 計(jì)算模型（單位：m）

表2 改性固化淤泥的V-G模型參數(shù)

圖5 路基填筑后蒸發(fā)作用下達(dá)到平衡時(shí)的體積含水率

圖6 降雨一周后路基含水率分布云圖

1)在蒸發(fā)作用下，路基邊坡表土含水率會(huì)逐漸脫濕至10%，接近殘余含水率(9.7%);2)降雨作用下，路基邊坡表土含水率會(huì)明顯增大至42%，接近飽和狀態(tài)含水率(45%);3)由于路基土的滲透系數(shù)較小(見表1)，所以在上述預(yù)設(shè)的一個(gè)月蒸發(fā)和一周降雨的作用下，對(duì)路基含水率分布的影響深度均僅約為1.5 m。

4 結(jié)語

本文以武漢東湖水泥改性固化淤泥土作為路基填料為背景，在采用TRIM快速測(cè)試系統(tǒng)得到其土水特征曲線和水力傳導(dǎo)函數(shù)曲線基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法對(duì)水泥改性固化淤泥路基在運(yùn)營(yíng)過程中，在降雨和蒸發(fā)條件下內(nèi)部水分運(yùn)移特征進(jìn)行了探討，得到以下結(jié)論:1)在蒸發(fā)作用下，路基邊坡表土含水率會(huì)逐漸脫濕至接近殘余含水率。2)降雨作用下，路基邊坡表土含水率會(huì)明顯增大至接近飽和狀態(tài)含水率。3)由于路基土的滲透系數(shù)較小，本文預(yù)設(shè)的一個(gè)月蒸發(fā)和一周降雨作用下，對(duì)路基含水率分布的影響深度均僅約為1.5 m。

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Hydraulic characteristics and moisture m igration behavior of solidified sludgemodified by cement★

Kuang Yan1Belgibayeva Shynar2Zhang Junfeng2Chen Lium ing2* Dai Xiaosong3Xu Shunping3

(1．School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China; 2．College of Civil Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China; 3．Investment Development Co．，Ltd，CCTEB，Wuhan 430070，China)

The solidified sludge of Donghu can’tbe directly used for subgrade.In this paper，cementwas adopted tomodify it.Tests of hydraulic characteristics of themodified solidified sludge was conducted to get the soil water characteristic curve and hydraulic conductivity function. The Richards equation was used as a control equation in the theory of transient flow.Numerical simulation was conducted to find the effects of different external environment on moisturemigration in the subgrade.

modified sludge，subgrade，hydraulic characteristics，moisturemigration

TU447

A

1009-6825(2015)29-0049-03

2015-08-09 ★:中建三局投資發(fā)展有限公司科技項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):250000270)

況 彥(1991-)，男，在讀碩士; 西 娜(1986-)，女，在讀碩士; 張俊峰(1988-)，男，在讀博士;戴小松(1974-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師; 徐順平(1987-)，男，工程師

諶柳明(1990-)，男，在讀碩士