不同摻量下生石灰對吹填泥漿沉降影響的試驗研究

魏星

摘要：通過室內沉降柱試驗，模擬了吹填泥漿在摻入少量生石灰下的沉降過程，探討了少量生石灰對吹填泥漿的預處理效果并解釋作用機理。試驗結果表明：生石灰的摻入對吹填泥漿的沉降有促進作用，生石灰在較低摻量情況下，可以加快吹填泥漿沉速，降低沉積物含水率；較高摻量的情況下，可以使吹填泥漿盡快進入自重固結階段，沉積物沉降量更加穩定，研究結果對實際工程具有一定的參考價值。

關鍵詞：吹填泥漿；生石灰；沉降；作用機理

中圖分類號：TU411 文獻標識碼：A 文章編號：1006--7973（2016）05-0070-03

1.引言

隨著沿海經濟的快速發展，土地資源逐漸日益緊張，吹填造陸是解決這一問題的有效方法之一，但吹填土體的工程性質很差，自重沉降過程耗時久，這樣大大增加了工程經濟成本和時間成本；對吹填土進行處理，改良其沉降特性，從而降低成本。目前，已有很多學者對吹填土的處理進行了研究，并取得一定的成果。劉瑩等通過室內模擬試驗，對摻加固化劑的泥漿進行了效果對比；謝海瀾等對粉煤灰處理吹填泥漿進行了試驗研究，說明了粉煤灰處理吹填土的可行性；劉娉慧等研究了利用外摻劑快速加固吹填泥漿的方法；陳永輝等提出就地固化吹填土的新方法，并對處理效果進行了試驗研究；李強等研究了通過固化劑處理吹填土方法，提高了高含水率疏浚泥的利用率。

考慮到較高摻入量的生石灰所需的工程成本較高，本試驗采用摻量相對較低的生石灰來對吹填泥漿進行預處理，通過沉降柱試驗研究其沉降過程、作用機理以及不同生石灰摻量下的作用效果。

2.試驗材料與方法

2.1試驗材料

試驗土樣取自上海市地區第四層土，土樣比重2.74，依照《土工試驗方法標準》對試驗土樣進行顆粒分析試驗，其中小于0.005mm的顆粒含量約為47%，介于0.005-0.075mm之間的顆粒含量約為51.8%，大于0.075mm的顆粒含量約為1.2%，顆粒分析曲線如圖1。試驗泥漿為上述土樣自然風干之后，加水配制成初始含水率為200%的泥漿。試驗儀器采用由有機玻璃制作的高50cm，直徑12.99cm的沉降柱。

2.2試驗方法

向已經配制好的泥漿中分別加入2‰、5‰、8‰摻量的生石灰，在充分攪拌之后將泥漿分別倒人沉降柱中，記錄沉降量，并由此推算沉降速率、孔隙比變化以及容重變化。試驗分組和泥漿各初始參數如表1。

3.不同生石灰摻量的沉降柱試驗

3.1沉降規律

在研究不同摻量生石灰對吹填泥漿沉降的影響時，進行了分別摻入2‰、5‰、8‰生石灰的沉降柱試驗，分別得到三種不同生石灰摻量下的沉降量隨時間的關系曲線，如圖2。

從圖2中可以看出，三種生石灰摻量下，吹填泥漿的沉降規律基本相同，即在初始階段泥水分界面均出現在0.5-1h之間，在泥水分界面出現之后，分界面即開始快速下沉，沉降量近似線性增加；前3d左右，沉降量保持近似線性增加，其中生石灰摻量為2‰和5‰的沉降量曲線幾乎重合，而生石灰摻量為8‰的泥漿前期沉降量略低于前兩種摻量；在3-4d左右，三種摻量的沉降曲線均出現了明顯的非線性增長趨勢，其中2%e摻量的沉降曲線經歷了較長時間的非線性增長階段，而5‰和8‰摻量的沉降曲線均在較短的時間內完成了沉降量非線性增加階段，并且沉降量拐點非常明顯；在沉降量非線性增加階段，2‰和5‰摻量的沉降量出現了明顯的差異，但兩者的沉降量均明顯大于8‰摻量的沉降量；在5-6d左右，5‰和8‰摻量的沉降曲線開始趨于平穩，沉降量變化非常緩慢，5‰摻量的沉降量有非常小幅度的增長，而8‰摻量的沉降量幾乎為一條平行于橫坐標軸的直線，此時2‰摻量的沉降量曲線仍然以較快的沉速非線性增加，沉降量明顯大于另兩種摻量的情況；12d左右，2‰摻量的沉降曲線開始趨于平穩；15d左右，三種摻量的沉降量曲線均處于沉降量穩定階段。

圖3為不同生石灰摻量下的沉降速率曲線，從圖3中可以看出，三種摻量的前期沉速的峰值出現的時間基本相同，這與其析出泥水分界面的時間一致，同時三個峰值中2%。摻量對應的沉速最大，8‰摻量的沉速最??；前3d三者的沉速差距很小，其中2‰和5‰的沉速基本相同；在3d左右，三種摻量的沉速均有所減小，其中5‰和8‰摻量的沉速在24h之內迅速減小，2‰摻量的沉速雖也有減小，但減小量不是非常明顯；在4d左右，2‰摻量的沉速明顯大于另外兩種摻量的沉速，5‰摻量的沉速仍然在減小，而8‰摻量的沉速已基本減小到最小值；6d左右5‰和8‰摻量的沉速已接近0，且沉速保持穩定；12-13d左右，2‰摻量的沉速已基本減小至最小值。整個沉降過程中，2‰摻量的沉速最大，且最晚進入沉速穩定階段；8‰摻量的沉速最小，并且最早進入沉速穩定階段；進入穩定階段后，三種生石灰摻量對應的沉速均非常小。

圖4、5分別為不同生石灰摻量下孑L隙比變化曲線和容重變化曲線，從圖中可以看出兩者的變化規律與沉降量變化規律相似，在初始階段2‰和5‰的孔隙比和容重變化曲線幾乎重合，并且均在3-4d左右開始出現明顯差異；整個沉降過程中2‰摻量的孔隙比最小，容重最大，8‰摻量的孔隙比最大，容重最??；8%摻量的孔隙比和容重的變化最先進入穩定階段，2%e摻量的孔隙比和容重最晚進入穩定階段。

3.2試驗結果分析

通過不同生石灰摻量下的吹填泥漿沉降柱試驗，發現生石灰的摻量對吹填泥漿的沉降有很大影響，沉降穩定時不同生石灰摻量的泥漿沉積物的參數見表2。

從試驗結果中可以看出生石灰的加入對泥漿自重沉降有很大的影響。在沉降初始階段，不添加生石灰的天然泥漿自重沉降時會有絮凝階段，在這個階段沉降量的變化很小，之后會逐漸過渡到加速段；與天然泥漿的自重沉降相比，在摻人生石灰之后，絮凝階段很短幾乎沒有在沉降曲線上表現出來，同時摻人生石灰的泥漿其泥水分界面出現很快，在泥水分界面出現之后，沉降量即開始快速增加，其沉降量近似線性增加段經歷較短的時間后即出現了沉降量非線性增加段，沉速明顯減小，這是因為由于生石灰加入吹填泥漿后與水發生反應，生成ca（OH）2，進而在泥漿中產生大量ca2+，增加了泥漿中高價陽離子的濃度，由于較高的陽離子濃度和較高化合價的陽離子會加速泥漿的沉積固結，當ca2+加人泥漿之后，土顆粒表面會吸附更多的ca2+，隨著土顆粒表面高價離子的增多，土顆粒的雙電層厚度減小，土顆粒之間的更容易產生凝聚作用而形成較大的團粒，從而加速泥水分界面的形成；由于生石灰加速了土顆粒的絮凝，使沉降過程中的絮凝階段大大縮減，在出現泥水分界面后基本沒有絮凝過渡區，泥漿的沉降量即開始快速增加并很快達到沉降量拐點處；在沉降量拐點出現后，土顆粒之間已出現較明顯的有效應力，沉積土體基本進入自重固結階段，所以此時沉降量變化緩慢且較穩定。

沉速出現圖3的變化情況是因為在出現泥水分界面時，相對沉降速率會出現較大的突變，所以在開始階段，三種生石灰摻量的泥漿均出現了沉速突變點，由于絮凝作用，泥漿中的土顆粒相互搭接，并迅速進入群體沉降階段，開始階段由于土顆粒近似懸浮，土顆粒之間的有效應力很小，不同生石灰摻量的泥漿沉速分別集中在各自對應的區間內，沉速相對穩定；由于土顆粒的不斷下沉，土顆粒之間很快產生有效應力，阻礙土體的沉降，沉速也因此迅速衰減，在這之后沉積土體開始自重固結階段，孑L隙水排出緩慢，沉速很小且較為穩定。

從圖2～5和表2中可以看出，不同生石灰的摻量對吹填泥漿的沉降有較大影響。對于相同初始含水率的泥漿，生石灰摻量越高沉速越慢，沉積泥柱的高度越高，沉降量穩定的越快；在達到穩定后相同的時間內，生石灰摻量較高的泥漿，其沉降量變化較小，沉積物的含水率和孔隙比較大，容重較小。這是因為生石灰不僅可以使土顆粒產生絮凝作用，還可以增強土顆粒之間的膠結作用，當生石灰的摻量提高時，其膠結作用增強，同時可以提高沉積土體的強度。在生石灰摻量較低時，生石灰的膠結作用比摻量高的弱，形成的泥漿比摻量高的稀，但對細小顆粒仍然有絮凝作用，細小顆?？梢钥焖傩跄奢^大的團粒；當生石灰摻量較高時，其膠結作用較摻量低的情況明顯增強，形成的泥漿較稠，細小顆粒在絮凝成較大顆粒之后，部分生石灰形成的膠結物連接土顆粒，這使得土顆粒之間相互聯系，通過膠結物搭接在一起，形成比細小顆粒自身絮凝形成的絮網強度更高的網狀結構，相較于生石灰摻量較低的情況，其初始階段排水更慢，沉降也更慢，所以初始階段生石灰摻量高的泥漿，沉速較慢。

由于膠結物質的作用，摻量較高的泥漿形成的結構強度更高，有效應力出現的更早，自重固結階段更加提前，所以在初始含水率相同的情況下，生石灰摻量越高，其沉降量拐點出現的越早，即沉降量穩定的越快。由于膠結物質是土顆粒之間出現有效應力更早，結構強度更高，所以較高的生石灰摻量對應的沉積泥柱的高度越高，同時較高的生石灰摻入量也會使泥漿更容易形成絮網結構，孑L隙水排出更慢，沉降量也更小，所以如表2所示，在沉降穩定階段，生石灰摻量較高的泥漿，其沉積物的含水率和孔隙比較高，容重較低。

4.結論

通過對不同生石灰摻量的吹填泥漿沉降柱試驗的研究分析，可以得到以下結論：

生石灰由于對泥漿具有絮凝和膠結作用，所以對吹填泥漿的沉降及穩定有促進作用。

生石灰的加入可以加快泥水分界面的析出，同時初始的絮凝階段歷時更短。

生石灰摻量越高，吹填泥漿的沉速越慢，沉降量越小，沉降穩定的越早，穩定后沉降量的變化越小，但同時其孔隙比和含水率越大，容重越小。