臺州淤泥質土固化特性研究

徐日慶　文嘉毅　王旭　董梅　朱兵見

摘? ?要：為了研究以二灰為主固化劑、TZ-01為添加劑的固化方案在臺州淤泥質土中的加固效果以及不同因素對于固化土強度的影響，對臺州淤泥質土的固化特性進行試驗研究.通過試驗對淤泥質土的含水量、有機質含量、主固化劑摻量、添加劑摻入比以及齡期這5個因素進行分析. 試驗結果表明淤泥質土的含水量會阻礙固化土強度的增長，主固化和齡期的增長能夠有效地增強固化土的強度，有機質含量和添加劑摻入比存在一個最佳摻量. 通過對固化土無側限壓縮試驗得到的應力應變曲線進行分析，提出了固化土在單軸壓縮下的4個階段.通過數據處理與分析，引入水灰比，并綜合考慮有機質含量、添加劑摻入比和齡期的影響，建立了固化土強度預測模型.

關鍵詞：淤泥質土;二灰;水灰比;強度預測模型

中圖分類號：TU447? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

Study on Curing Properties of Taizhou Sludge Soil

XU Riqing1，2？覮，WEN Jiayi1，WANG Xu1，2，DONG Mei1，ZHU Bingjian2，3

（1. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China;

2. Taizhou Branch，Zhejiang-California International Nano Systems Institute，Taizhou 318000，China;

3. School of Civil Engineering & Architecture，Taizhou University，Taizhou 318000，China）

Abstract：In order to figure out the effect of curing agent in sludge soil with the fly ash and lime as the main curing agent and TZ-01 as the additive， a series of experiments were conducted to study the strength characteristics of solidified soil and the influencing factors on the strength of solidified soil. Through experiments， the initial water content， organic matter content， main curing agent content， additive incorporation ratio， and age of solidified soil were analyzed. The results showed that the initial water content of the sludge soil hindered the growth of the solidified soil. The main curing agent and age growth can effectively enhance the strength of the solidified soil， and there was an optimum blending ratio of organic matter content and additive incorporation ratio. Based on the analysis of the stress-strain curve obtained from the unconstrained compression test of solidified soil， four stages of solidified soil under uniaxial compression were proposed. By processing and analyzing data， the water-cement ratio β was introduced， the effects of organic matter content， additive incorporation ratio and age were comprehensively considered， and the solidified soil strength prediction model was established.

Key words：sludge soil;fly ash-lime;water-cement ratio;strength prediction model

濱海地區存在著大量的淤泥質土，淤泥質土具有含水量高、強度低、壓縮性大的特點，是工程處理上的一個難點.在對淤泥質土進行施工前，往往需要對于淤泥質土進行預處理，使得在淤泥質土的表層形成一個硬殼層，從而能夠滿足工程機械的進場施工的條件. 楊福麟等[1]針對某工地新吹填軟土真空預壓加固工程，采用淺層加固超軟土技術加固淺表層，取得了良好的效果. 閆澍旺等[2]在天津濱海新區的圍海造陸工程中，采用在吹填土上吹填細砂形成硬殼層，提高地基承載力，滿足真空預壓施工中插板機的進場條件. 自20世紀90年代以來，淤泥質土的淺層改良技術在日本得到了快速的發展，應運而生了淤泥上履帶行走式穩定土拌合法（SLM工法）[3].

國內外都開展過適用于淤泥質土加固的固化劑研究. 綜合考慮加固效果與經濟效益，一般采用工業廢料對于高含水量的淤泥質土進行加固[4-7]. 針對淤泥質土的固化特性研究，一般是通過室內無側限壓縮試驗、常規三軸剪切試驗[8]等強度試驗以及掃描電鏡[9]、XRD[10]等測試手段對固化土的固化機理進行研究分析.

本課題組針對臺州淤泥質土的淺層加固研發了一套固化方案. 本方案是以粉煤灰與生石灰作為主固化劑，TZ-01作為添加劑. 本文以固化土的無側限抗壓強度作為強度指標，綜合考慮影響軟土固化的“內因”和“外因”[11]，以含水量、有機質含量、主固化劑摻量、添加劑摻入比以及齡期這5個因素作為變量，對臺州淤泥質土的固化特性進行研究.

1? ?試驗方案

1. 1? ?試驗材料

試驗所采用的淤泥質土取自臺州椒江地區，基本參數見表1.

所選用的粉煤灰是取自浙江某熱電廠的一級粉煤灰，主要化學成分如表2所示.

所選用的生石灰是工業生石灰，其中CaO與MgO的總質量分數大于80%.

添加劑TZ-01是由本課題研制的適用于激發二灰加固土活性的添加劑，主要成分是：硅酸鈉、硫酸鈣、氯化鈣，其質量比例為55 ∶ 31 ∶ 14.

向土體中添加的有機質是由南京化學試劑有限公司生產的腐殖酸.

1.2? ?試樣制備及養護

為了控制土樣的各部分性質均勻，在試樣制作之前，將原狀土放入烘箱，控制溫度為105～110 ℃，烘干時間不少于12 h.烘干后，將土樣用碎土機粉碎，過2 mm篩去除雜質，得到性質均勻的土粉，用塑料箱密封保存[12].

試驗制作時，稱取一定質量的干土，并按設計的含水量加水攪拌均勻;再按照試驗設計的比例依次加入腐殖酸、主固化劑以及添加劑TZ-01，攪拌均勻后進行裝樣. 制樣所用模具尺寸為標準的三軸試樣尺寸，即直徑39. 1 mm，高度80 mm. 制樣時，將攪拌均勻的土樣分5～8層填入模具中，每填入一層都使用擊錘擊實，觀察土樣無明顯空隙后，然后使用土工刀將擊實后的土樣表面刮毛，再填入下一層. 制樣完成后，固化土連同模具在室溫下養護24 h后進行拆模，然后用塑料膜將固化土密封保存后放置于恒溫恒濕養護室中進行進一步養護，溫度控制在20±5 ℃，直至試驗設計的齡期.

1.3? ?試驗設計

為了更好地表示本試驗中的各個變量，以m表示淤泥質土的質量，以ms表示淤泥質土中土粒的質量，mw表示淤泥質土中水的質量，mo表示淤泥質土有機質的質量，mc表示固化土中摻入的二灰的質量，mTZ表示固化土中摻入添加劑TZ-01的質量，T表示固化土的齡期，w表示淤泥質土的含水量，wo表示淤泥質土中的有機質含量，c表示固化土中二灰的摻量，wTZ表示固化土中添加劑的摻入比.

為了綜合分析各種因素對于淤泥質土固化效果的影響，以淤泥質土含水量w、有機質含量wo、二灰摻量c、添加劑摻入比wTZ、齡期T為變量進行試驗，試驗設計分組及變量取值如表3所示. 本次試驗以淤泥質土含水量w為60%，有機質含量wo為2%，二灰摻量c為20%，添加劑摻入比wTZ為10%，齡期T為7 d作為基準試驗，并令其強度為q0.

試驗過程中，每個小組只在P組基準摻量上改變一個因素，例如，A組試樣中，5個試樣只改變含水量的水平，其余參數與基準摻量保持一致，每個試樣都做3組平行樣以減少誤差.

1.4? ?試驗方法

本次試驗測量無側限抗壓強度所用儀器是WDW-T50微機控制電子式萬能試驗機.

試驗前，需測量并計算出試樣平均初始截面積A0.在系統中設置好試樣初始參數后，以1 mm/min的速度對試樣施加壓應力，萬能試驗機可自動采集并記錄應力應變數據曲線.在應力達到峰值后再進行3%～5%的軸向變形即可停止加壓，將上加壓板升起，取出試樣，并拍照記錄破壞后的形狀. 如果試樣的應力應變曲線無峰值，則試驗應進行到軸向應變達到20%為止.

以軸向應變為橫坐標，軸向應力為縱坐標，繪制出試樣的應力應變曲線，取曲線上軸向應力的峰值作為所測試樣的無側限抗壓強度qu，若無峰值，則取軸向應變為20%所對應的軸向應力為無側限抗壓強度.測得3個平行試樣的強度平均值作為該組固化土的無側限抗壓強度.在同一組試驗中，如果只有其中一個試樣的強度與中值的偏差超過15%，則取中值為測定值;若有兩個試樣的強度與中值的偏差超過15%，則該組試驗結果無效，應重新制樣.

2? ?試驗結果分析

2.1? ?試驗結果

通過無側限壓縮試驗，得到不同組別的試驗結果，如表4所示.

為了能夠更加直觀地看出不同因素對于固化土強度的影響，將含水量、有機質含量、二灰摻量、添加劑摻入比等4個變量歸一化，wη、woη、cη、wTZη分別為4個變量所對應的基準摻量.定義Aw、Ao、Ac、ATZ 4個參數，其與固化土無側限抗壓強度的關系如圖1所示.

從圖1中可以看出不同影響因素對于固化土強度的作用效果不同.含水量的增加，會使固化土的強度降低. 二灰摻量的增加，會使固化土的強度提高.而隨著有機質含量、添加劑摻入比的增加，固化土的強度呈現先提高后降低的規律.

2.2? ?含水量的影響

由圖1可知，隨著含水量的增加，固化土的無側限抗壓強度線性遞減，二者的關系如式（9）所示.

圖1表明，含水量所對應的曲線斜率最大，即含水量的變化對固化土強度的影響最大.土體中水的存在一方面是增大了土體的流動性，使得土骨架不能有效地承受荷載，另一方面過量的水分使得固化反應環境中各離子濃度降低，固化反應減弱，從而使得固化土強度降低[11].

第1個階段：孔隙壓縮階段.在固化土受壓初期，隨著應變的增加，應力保持在一個較低的值基本不變，這是由于固化土的孔隙較多，只有固化土中的大孔隙壓縮完畢，固化土中的土骨架才會起到作用，固化土的應力才會開始增加[17]. 在孔隙壓縮階段，無論齡期是多少，應力值都保持在10 kPa左右.不同齡期下，孔隙壓縮階段的應變范圍在0～2.5%，隨著齡期的增加最大應變值會減小，當60 d齡期時，孔隙壓縮階段的最大應變為1.8%左右.

第2個階段：均勻受壓階段. 在經過孔隙壓縮階段后，固化土的應力應變近似呈直線關系，在此階段，固化土中土顆粒骨架均勻受壓，顆粒骨架均未發生破壞，變形都保持在彈性范圍內. 定義直線階段到曲線階段的應力臨界值為σe，臨界應變值為εe. 從圖中可以看出，σe隨著齡期的增長不斷變大，而除了3 d齡期，其他齡期下差別不大.

第3個階段：強度屈服階段.在經過均勻受壓階段后，應力應變曲線偏離直線，進入非線性上升段.固化土中的顆粒以及形成的土骨架發生破壞，顆粒間的孔隙不斷被壓密，此時土體的壓密作用對強度的增大較結構破損對強度的減小占優勢，但是土顆粒及骨架的變形不再可恢復，表現出塑性變形[17].參考在金屬材料拉伸或壓縮過程中存在的屈服階段，將該階段命名為強度屈服階段. 在該階段的主要特征是應力值變化很小，但是應變值卻持續增加，應力的最大值σm也出現在該階段. 從圖3中可以看出，隨著齡期的增長，屈服階段的應變增長會隨之減少，當齡期為3 d時，屈服階段從應變值為3.2%一直持續到6.7%，當齡期為60 d時，屈服階段變得不明顯.

第4個階段：應力衰減階段. 當應力達到最大值之后，通過一定的屈服階段，應力值開始下降.此時固化土試樣的裂縫不斷延伸、擴展，沿著最薄弱方向形成宏觀裂縫，并逐漸貫通全截面，最后整個試樣發生剪切破壞，如圖4所示. 隨著加載的繼續，固化土產生較大的塑性變形，應力急劇下降，直到整個試樣完全破壞.

3.2? ?等效水灰比

經過上述分析，我們可以得到，在影響固化土強度的因素中，淤泥質土的含水量和主固化劑的摻量是對固化土強度影響最為顯著的兩個因素，因此參考水泥反應中的水灰比，在固化土研究中也引入水灰比.

根據水灰比的定義可以得到水灰比β0：

考慮到淤泥質土中含有的土粒也會與土體中的水分發生作用，因此在計算水灰比中減掉塑限所對應的水的質量，可以得到等效水灰比β1：

結合A組及C組試驗結果，通過計算得到β1與7 d無側限抗壓強度q7d之間的關系，如圖5所示. 通過曲線擬合，得到式（16），說明β1并不能直觀地表示出7 d無側限抗壓強度q7d.

綜合考慮固化土中反應的時候土粒中的部分成分也會參與反應，因此引入修正系數α，表征的是在固化反應中土粒成分的參與程度，α的取值與土粒的組成成分以及土粒與固化材料之間的反應相關. 因此，可以得到修正的等效水灰比β2，β2可以由式（17）計算得到.

通過曲線擬合，得到不同β與固化土7 d時無側限抗壓強度之間的關系，如圖5所示.

通過計算得到，當α取0.2的時候，固化土7 d時無側限抗壓強度與β2的擬合曲線成線性關系，且R2 = 0.983 2，說明該曲線擬合得很好，即可以用β2來預測計算固化土的強度，如式（18）所示.

3.3? ?綜合強度預測模型

式（18）成立的條件為淤泥質土中有機質含量為2%，添加劑摻入比為10%，齡期為7 d.考慮到有機質含量與添加劑摻入比對于固化土強度的影響，需要對式（18）進行完善，以考慮有機質含量和添加劑摻量對于固化土強度的影響.令a0、aTZ分別表示有機質和添加劑對于固化土強度的影響系數. q0為7 d基準強度，由表4可知，q0 = 177.60 kPa.

將式（19）（20）代入式（18）可以得到：

考慮齡期對于固化土強度的影響，根據式（13）可以得到不同齡期下固化土強度與7 d基準強度q0的比值.

根據式（21）（22）得到：

（23）

將a0、aTZ、β2等參數代入后，得到綜合考慮齡期與其他影響因素的固化土強度模型如式（24）所示：

該模型在已知淤泥質土的含水量、塑限以及有機質含量的情況下，可以計算出不同齡期、二灰摻量、添加劑摻入比下固化土無側限抗壓強度的變化情況.

3.4? ?強度模型應用分析

在工程實際應用中，現場取樣并通過室內土工試驗得到淤泥質土的基本參數，如含水量、液塑限、有機質含量等，之后根據式（24）可以計算出添加不同比例的主固化劑以及添加劑下不同齡期的固化土強度，并通過與固化材料的經濟方程進行聯立，即可計算得到最優的固化方案.

為了驗證本強度模型的準確性，通過14 d以及28 d齡期下不同含水量與主固化劑摻量的固化土進行試驗，通過實測得到無側限抗壓強度值.同時，將對應的試驗參數代入式（24）計算出預測值.

將預測值與實測值進行比較，如圖6所示，可見預測的結果與實測結果較為接近，從而驗證了本強度模型具有較好的適用性.

4? ?結? ?論

1）固化土的無側限抗壓強度與淤泥質土的含水量、有機質含量、主固化劑的摻量、添加劑的摻入比以及齡期都有一定的關系.其中含水量的增加會導致固化土的強度降低;齡期的增加可以使固化土強度不斷提高，但提高的速度逐漸減緩;隨著有機質含量、添加劑摻入比的增加，固化土的強度先提高后降低，存在最佳摻量;固化土的強度會隨著主固化劑的摻量增加而提高，但該摻量存在惰性區，超過25%以后反應速度增加不明顯.

2）固化土的單軸壓縮曲線可以分為4個階段，

在不同齡期下都可以很好地適用.通過引入修正的等效水灰比 ，建立與固化土強度的關系，并在此基礎上建立了綜合考慮淤泥質土的含水量、有機質含量、主固化劑摻量、添加劑摻入比以及齡期等因素的強度預測模型，并通過試驗驗證了該模型有較好的適用性.

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