纖維加筋河道固化疏浚淤泥力學特性試驗

王國林，周 雷，余能海

(上海海防水利工程有限公司，上海 200940)

為保證河道正常的泄洪及通航能力，各地每年均會對內陸各大江河湖泊進行疏浚清淤工作，產生大量的疏浚淤泥[1]。由于疏浚淤泥具有含水率高，強度低、固結困難等特點，很難被直接應用于工程施工，大多作為廢棄物處置，這不僅占用了大量的土地資源，還造成了淤泥資源極大的浪費，這就需要采取一定的技術手段對河道疏浚淤泥進行固化，可為交通、建筑、水利等工程建設提供大量理想的填土材料[2]。

疏浚淤泥固化土要作為工程建設材料，必須滿足相應的工程力學特性，如強度、變形等。而固化淤泥的力學特性不僅與含水率、有機質含量、顆粒粗細等相關，也與添加劑含量、水泥含量、齡期、養護條件等息息相關[3- 6]，為了盡可能使固化淤泥達到相應的力學指標，同時又保證工程經濟性，必須對上述影響因素進行對比研究。纖維可以明顯提高材料的韌性和延性，同時提高材料的抗壓、抗拉強度，在建筑工程材料中已被推廣使用[7- 8]。基于上述研究成果與理論，本文開展了不同纖維摻量下固化淤泥的力學特性研究，為纖維在固化淤泥中的推廣使用提供理論和試驗支撐。

1 試驗概況

試驗土樣取自南水北調工程白馬湖穿湖段疏浚淤泥，該土為高液限黏土，基本物理力學性能指標見表1。將取回的疏浚淤泥進行雜質顆粒篩除，將其按纖維摻量分為五組，分別為0%、0.5%、1%、1.5%、2%，纖維長徑比為50，水泥、固化劑、粉煤灰等具體材料的配比情況見表2。將配好的各組試樣加工制作成φ(100mm)×H(200mm)的標準圓柱形試件，并將其放入溫度為20±2℃，濕度為95%的標準養護箱內養護，到設定齡期(28d)后分別取出進行試驗。

表1 原狀土物理力學指標

表2 試驗配比情況

2 試驗結果分析

2.1 壓縮固結試驗結果

Butterfield法求取結構屈服應力被眾多專家學者證明是合理有效的，其基本原理是采用雙對數坐標(ln(1+e)～log P)確定，得到的兩條直線交點的橫坐標即可認為是材料的結構屈服應力，本文對纖維疏浚固化淤泥結構屈服力采用此方法。養護齡期28d下，各纖維摻量固化淤泥的壓縮曲線如圖1所示。從圖1可以看出，隨著固結壓力的增長，壓縮曲線呈明顯的“雙線性”特征，固結前期，由于固結力較小，圧縮曲線比較平緩，當壓力超過某一值后，即出現拐點，壓縮曲線開始變陡，表明此時纖維固化淤泥達到結構屈服應力值，壓縮系數將劇增，很容易發生突然性的失穩破壞。

試驗得到屈服應力與纖維摻量關系，如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著纖維含量的上升，固化淤泥的屈服應力呈先增加后減小的趨勢，當纖維含量<1.5%時，添加纖維可有效增加材料的抗屈服性，當纖維含量>1.5%后，固化淤泥的結構屈服應力反而有所降低。

圖1 壓縮固結曲線

圖2 屈服應力與纖維摻量關系

2.2 單軸抗壓試驗結果

試驗得到的單軸抗壓強度隨纖維含量的關系如圖3所示。從圖3可以看出，隨著纖維含量的增加，固化淤泥的單軸抗壓強度與屈服應力的變化趨勢一致，均是呈先增后減的整體趨勢。這是因為纖維含量增大后，在材料配制過程中的不均勻性幾率也隨著增大，從而在材料內部留下微孔隙，且纖維還會吸收部分水化水，影響基體強度的形成和發展，對于固化淤泥的強度反而不利。屈服應力與抗壓強度的關系如圖4所示，從圖中可以看出，固化淤泥的屈服應力與抗壓強度之間呈良好的線性關系，且其抗壓強度是結構屈服應力的0.84倍，這對于工程應用具有重要意義。

圖3 抗壓強度與纖維摻量關系

圖4 抗壓強度與屈服應力關系

2.3 抗拉試驗結果

試驗得到抗拉強度隨纖維摻量的關系如圖5所示。從圖5可以看出，隨著纖維摻量的增加，固化淤泥的抗拉強度逐漸增大，表明了纖維對于固化淤泥能夠有效增加其韌性和延性，使抗拉強度逐漸增強，但增長幅度卻隨著摻量的增加而逐漸減小，說明并不是纖維含量越高越好，當纖維量超過一定值后，抗拉強度增效不明顯，同時也大大增加了工程成本，對于工程建設投資不經濟。

圖5 抗拉強度與纖維摻量關系

2.4 滲透試驗結果

滲透試驗得到的滲透系數隨纖維摻量的變化關系如圖6所示。從圖6可知，相比不摻加纖維時，固化淤泥的滲透系數略有增加，這是因為纖維的摻入增加了固化淤泥試件的微孔隙，滲透通道相對增多，纖維含量在1.5%以內時，滲透系數相差不大，在3.9～4.0×10-16m2之間，當含量超過1.5%后，滲透系數迅速增加，達到了4.6×10-16m2，表明在高含量纖維摻量下，固化淤泥的滲流通道會顯著增加，不利于工程的防滲抗滲要求。

圖6 滲透系數與纖維摻量的關系

3 結語

固化淤泥的壓縮固化曲線呈明顯的“雙線性”變化特征，屈服強度和抗壓強度均隨纖維摻量的增加呈先增后減的整體趨勢；抗拉強度隨纖維摻入量的增加逐漸增大，但增長幅度逐漸減小；當纖維摻量<1.5%時，固化淤泥的滲透系數相差不大，當纖維摻量>1.5%時，滲透系數明顯增大。綜合考慮各項工程力學因素，在試驗配合比下，纖維的最佳摻入量為1.5%。

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