鐵路淺表層淤泥地基固化試驗研究

李 浩，程馬遙

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.中國鐵路廣州局集團有限公司 建設(shè)部，廣東 廣州 510088；3.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 交通與土木建筑工程學(xué)院，廣東 佛山 528000)

珠三角沿海地區(qū)淺表層淤泥(厚度一般不超過10 m)覆蓋范圍廣泛[1]，其含水量高、壓縮性差、強度低，工程性質(zhì)較差，特別作為鐵路地基支撐，施工時難以處理，服役時在動荷載長期作用下具有明顯的大固結(jié)特征，容易發(fā)生再次變形[2]。廣東省惠州市石龍鎮(zhèn)石龍鐵路集裝箱辦理站工程地基的淤泥土厚度為0.5～3 m，含水量為60%～200%，屬于超高含水量淺表淤泥，強度及承載力極低，作為鐵路地基必須進行處理。常見的軟淤泥地基處理方法有以下幾種：拋石擠淤、挖除換填、自然晾曬、土工織物加筋、原地固化、真空預(yù)壓等[3-5]。淺層淤泥由于范圍廣，換填產(chǎn)生大量的淤泥土需要專門的棄土場放置，換填材料也需要從其他場所購置，產(chǎn)生大量人力物力資源的浪費[6]。淺層淤泥由于深度不大，采用打樁處理施工復(fù)雜，經(jīng)濟性差[7]。由于工程建設(shè)工期短、要求高，真空預(yù)壓法短時間內(nèi)難以取得理想加固效果[8]。自然晾曬法受天氣影響有時根本無法實施[9]。

淤泥原地固化主要采用的方法是向淤泥中加入水泥基固化劑，使其變?yōu)榫哂幸欢◤姸燃肮こ绦再|(zhì)的固化土[10-12]。其原理是在淤泥中按一定比例添加水泥、固化劑、水組合成的復(fù)合固化劑，進行攪拌混合，制成固化土。摻入的固化劑與淤泥之間發(fā)生一系列化學(xué)、物理作用，產(chǎn)生的水硬性膠凝性水化物，使松散的土顆粒膠結(jié)為一體，并不斷凝結(jié)硬化，從而使淤泥分散的單元結(jié)構(gòu)漸變?yōu)榫哂幸欢ㄕw強度的結(jié)構(gòu)[13]。淺層淤泥固化是一種新型有效的淤泥質(zhì)土加固形式，目前在工程中應(yīng)用較少，主要原因是缺少專門的固化施工設(shè)備和淺層固化劑。

本文選用無機粉態(tài)和液態(tài)固化劑配以硅酸鹽水泥對淺表層淤泥土進行固化，通過宏觀靜力學(xué)試驗和動三軸試驗以及微觀掃描電鏡分析，進行鐵路淺表層淤泥地基固化研究。

1 試驗簡介

土樣選取石龍集裝箱辦理站內(nèi)淺層淤泥土，所取土樣含水率較高(60.1%)，呈流塑狀態(tài)，壓縮性較大，抗剪強度極小。

淤泥固化劑由無機材料膠凝劑、少量激發(fā)劑和有機物表面活性劑等材料組成。具有強度高、抗凍融、水穩(wěn)性好、摻量低、物理土工力學(xué)性能優(yōu)越等特點。試驗用固化劑選用由大連細揚防水工程集團有限公司生產(chǎn)的“細楊牌”P型粉狀固化劑和F型液體固化劑。水泥選用廣州產(chǎn)海螺牌42.5級普通硅酸鹽水泥。

由于現(xiàn)場對淤泥的加固是將原狀淤泥土晾曬至其含水率為30%左右再加入固化劑加固，因此室內(nèi)試驗也將淤泥含水率控制在30%。試驗中需要對取樣淤泥先烘干，將取得的原狀淤泥放入電熱干燥箱內(nèi)，溫度控制在65～70 ℃，烘干18 h，得到干淤泥土，然后將干淤泥土碾碎，過0.6 mm篩后置于塑料桶密封備用。

制備宏觀試樣時，為滿足淤泥含水量為30%的要求，干淤泥土和水按7∶3比例稱取。固化劑的摻量分別為淤泥質(zhì)量的2%，3%和4%。水泥摻量為淤泥質(zhì)量的3%，4%和5%。

按設(shè)計配方將干淤泥土、水、水泥、固化劑加入攪拌機攪拌數(shù)分鐘后，將攪拌好的拌合物分3層裝入模具，每層振動1～2 min，以排除試樣中的氣泡，并將表面刮平。靜置24 h后脫模，脫模后的試樣用塑料袋密封后立即放置于濕度不低于90%，溫度為20 ℃的標準養(yǎng)護室內(nèi)進行養(yǎng)護。

按照土工規(guī)程標準，無側(cè)限抗壓試驗和動三軸試驗試樣的尺寸均為內(nèi)徑 39 mm、高 80 mm。

無側(cè)限抗壓試驗依據(jù)GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》[14]進行，采用液晶全自動壓力試驗機進行試驗。試樣養(yǎng)護7，14和28 d，測試相應(yīng)齡期試樣的無側(cè)限抗壓強度。

動三軸試驗采用西安力創(chuàng)材料檢測技術(shù)有限公司研發(fā)的SDT-10微機控制電液伺服土動三軸試驗機，依據(jù)TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規(guī)程》[15]進行。試樣養(yǎng)護時間為28 d。具體試驗參數(shù)根據(jù)淤泥所在土層位置、鐵路荷載及列車速度選取。考慮研究對象為淺表淤泥層，初始圍壓軸壓取為100 kPa。目前模擬交通荷載最常用的波形有正弦波、半正弦波和三角波等，試驗選擇正弦波模擬列車經(jīng)過淤泥質(zhì)土?xí)r的動力響應(yīng)。結(jié)合列車車速等實際情況，選取振動頻率為1 Hz。動強度試驗中動荷載幅值取50和100 N，循環(huán)振動次數(shù)為1 000次。動彈模試驗中取加載級數(shù)為10級，每級循環(huán)振動次數(shù)為10次。在高速列車荷載作用下，土體實際情況處于完全排水和完全不排水之間，當排水不暢時，荷載作用下會使得土體內(nèi)部孔壓上升，土體有效應(yīng)力降低，強度突然喪失而軟化產(chǎn)生大變形情況，為了更為接近實際情況，試樣的試驗在不排水條件下進行。

微觀掃描電鏡分析采用日立S-4800掃描電子顯微鏡，試樣放大倍數(shù)選取100～20 000倍，結(jié)果采用直接法圖像采集技術(shù)。將原狀土和養(yǎng)護28 d后的固化土在65～70 ℃溫度下烘干18 h后，取掰開后的斷面中心土樣，鍍金后進行掃描電鏡分析。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 無側(cè)限抗壓強度

水泥摻量為4%、粉態(tài)和液態(tài)固化劑摻量分別為2%，3%和4%時，不同齡期的固化淤泥土無側(cè)限抗壓強度如圖1所示。

圖1 不同固化劑固化淤泥土的無側(cè)限抗壓強度

從圖1可以看出：在相同固化劑摻量的情況下，摻液態(tài)固化劑的固化淤泥土強度高于摻粉態(tài)固化劑的固化淤泥土，固化劑摻量為2%時，摻粉態(tài)固化劑的固化淤泥土28d抗壓強度為410 kPa，摻液態(tài)固化劑的固化淤泥土28d抗壓強度為451 kPa，高出10%；固化劑摻量為3%時，摻粉態(tài)固化劑的固化淤泥土28 d抗壓強度為445 kPa，摻液態(tài)固化劑的固化淤泥土28 d抗壓強度為594 kPa，高出33.5%；固化劑摻量為4%時，摻粉態(tài)固化劑的固化淤泥土28 d抗壓強度為540 kPa，摻液態(tài)固化劑的固化淤泥土28 d抗壓強度為703 kPa，高出30.2%；同一種固化劑的情況下，隨著固化摻量的增大，固化淤泥土的強度逐漸增大，且隨摻量增大，摻液態(tài)固化劑固化淤泥土的強度增加幅度大；摻粉態(tài)和液態(tài)固化劑的固化淤泥土7 d無側(cè)限抗壓強度即可達到約300 kPa，滿足設(shè)計強度要求。隨著養(yǎng)護齡期的增加，摻液態(tài)固化劑的固化淤泥土14 d后強度增長緩慢，趨于穩(wěn)定，而摻粉態(tài)固化劑固化淤泥土在28后強度增長仍未減緩。

另外，在制樣過程中發(fā)現(xiàn)，粉態(tài)固化劑易發(fā)生揚塵現(xiàn)象，其用量不易控制，拌和不容易均勻，影響固化樣品的均勻性和成型。而液態(tài)固化劑可直接摻入水中，再與淤泥和水泥摻和，用量精確，拌和容易。與固態(tài)固化劑相比，液體固化劑在性能上和拌和操作上更占據(jù)優(yōu)勢。

2.2 動力特性

改變液態(tài)固化劑和水泥摻量，對養(yǎng)護28 d后的液態(tài)固化劑處理的淤泥土樣進行動三軸試驗。

2.2.1 最大動應(yīng)變

水泥摻量為4%、液態(tài)固化劑摻量分別為2%，3%和4%時，50和100 N動荷載下固化淤泥土的最大動應(yīng)變—循環(huán)次數(shù)曲線如圖2所示。液態(tài)固化劑摻量為3%、水泥摻量分別為3%，4%和5%時，50和100 N動荷載下固化淤泥土的最大動應(yīng)變—循環(huán)次數(shù)曲線如圖3所示。

圖2 不同液態(tài)固化劑摻量時固化淤泥土的最大動應(yīng)變—循環(huán)次數(shù)曲線

由圖2和圖3可以看出：動荷載為100 N時的最大動應(yīng)變均比動荷載為50 N時的最大動應(yīng)變大，說明在循環(huán)荷載下正弦波的幅值是影響土樣變形的主要因素。

圖3 不同水泥摻量時固化淤泥土的最大動應(yīng)變—循環(huán)次數(shù)曲線

對于50 N動荷載下液態(tài)固化劑摻量為2%、水泥摻量為3%，4%和5%以及100 N動荷載下液態(tài)固化劑摻量為3%和水泥摻量為4%的固化淤泥土，最大動應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)增加而逐漸增大；水泥摻量為3%的淤泥土樣在100 N動荷載下的動應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的增加而迅速增大，循環(huán)次數(shù)在700～800次之間，動應(yīng)變迅速增大至0.05以上；對于100 N動荷載下水泥摻量為5%和液態(tài)固化劑摻量為4%以及在50 N動荷載下固化劑摻量為3%的固化淤泥土，動應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的增加只有微小的變化，說明在相應(yīng)的水泥和液態(tài)固化劑摻量下，能夠抵抗50和100 N的動荷載而不變形。

從動載循環(huán)1 000次后的最大應(yīng)變來看，所有試樣的最大動應(yīng)變?yōu)?.056(水泥摻量為3%，100 N動荷載作用下)，試樣達到破壞(規(guī)范要求5%為臨界值)，其余試樣尚未達到破壞，從最終變形量來看：50N動荷載時，水泥摻量由3%增加到5%，最大動應(yīng)變由0.016 5減小到0.007 1，液態(tài)固化劑摻量由2%增加到4%，動應(yīng)變由0.014 1減小到0.006 7，最大動應(yīng)變減小約2倍；100 N動荷載時，水泥摻量由3%增加到5%，最大動應(yīng)變由0.005 6減小到0.010 5，液態(tài)固化劑摻量由2%增加到4%，動應(yīng)變由0.033 7減小到0.011 6，最大動應(yīng)變減小3～5倍。說明固化劑摻量或液態(tài)固化劑摻量的增加可大大減小淤泥土在動載作用下的變形。

2.2.2 動彈模

動模量是表征土動力特性的另一重要參數(shù)，其值均隨應(yīng)變幅值的變化而變化，動模量越大說明填料彈性承載性能越好。動彈模量計算采用Hardin等人的雙曲線模型，計算式為

(1)

式中：Ed為動彈性模量；σd為軸向動應(yīng)力；εd為軸向動應(yīng)變；Edmax和σdmax分別為最大軸向動彈性模量和最大軸向動應(yīng)力。

試驗中設(shè)定加載級數(shù)為10級，圍壓和軸壓均為100 kPa，對不同配比的固化淤泥土進行動彈模試驗分析，得到的動彈模與最大軸應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4所示。

由圖4可以看出：整個試驗過程中淤泥土的動彈模隨水泥摻量和液態(tài)固化劑摻量的增加，水泥摻量增加2%，動彈模峰值增大4 MPa，液態(tài)固化劑摻量增加2%，動彈模峰值增大6 MPa，動彈模有略微增大，說明水泥或液態(tài)固化劑含量的增加略微優(yōu)化了淤泥的彈性承載性能。動彈模隨應(yīng)變水平增加呈3階段變化特征：①調(diào)整段。隨著最大軸應(yīng)變的增加動彈模均呈現(xiàn)出短暫的增加趨勢，增幅約為10%，這是由于正弦荷載施加第1個周期，軸壓先增大，試樣被壓密，彈模增大。②陡降段。應(yīng)變基本在0.002～0.008之間，動彈模隨應(yīng)變的增加大幅減小，降幅達到50%左右。③穩(wěn)定段。應(yīng)變大于0.008以后，動彈模趨于穩(wěn)定。該階段彈性形變占比很少，主要是塑性形變，動彈模降低的空間已經(jīng)不大。

3 微觀分析

微觀分析的運用可從根本上揭示淤泥軟土固化的內(nèi)在機理，土的工程性質(zhì)究其本源是由土的礦物成分組成和其微觀結(jié)構(gòu)決定的，而開展土的微觀結(jié)構(gòu)研究能為土的力學(xué)現(xiàn)象從微觀的途徑下提供本質(zhì)的解釋。圖5給出了淤泥原狀土、摻2%，3%和4%液態(tài)固化劑固化淤泥土的微觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。圖5(a)淤泥原狀土微觀結(jié)構(gòu)圖片的放大倍數(shù)為2 000倍，圖5(b)—圖5(d)摻固化劑固化淤泥土微觀結(jié)構(gòu)圖片的放大倍數(shù)為1 000倍。

圖4 動彈模與最大軸應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖5可以看出：原狀淤泥土為粒狀架空結(jié)構(gòu)或粒狀鑲嵌接觸結(jié)構(gòu)，骨架結(jié)構(gòu)基本為單粒，形態(tài)呈片狀，土顆粒散亂分布在土體內(nèi)部，其骨架松散、孔隙較大，土顆粒之間主要是點接觸連接；固化后的淤泥土隨固化劑含量的提升顆粒間的接觸由點變成面且接觸面積逐漸增大，土體內(nèi)部片狀結(jié)構(gòu)不再那么明顯，土中主要以球狀聚團為主，水泥基固化劑將土顆粒膠結(jié)在一起，使得顆粒之間的孔隙減小，土體變得相對致密，顆粒間的相互作用增強，強度得以提高；隨著固化劑摻量的增加，膠體吸附層減薄，使大量的土顆粒形成較大的顆粒團，膠體與土顆粒結(jié)合形成共晶體，把土顆粒膠結(jié)成整體，結(jié)構(gòu)進一步密實，解釋了宏觀上表現(xiàn)出的強度增大。

圖5 原狀土與固化土微觀結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 論

(1)液態(tài)固化劑在固化施工和提高淤泥土性能上優(yōu)于粉態(tài)固化劑。固化劑摻量相同時，液態(tài)固化劑固化淤泥土強度高于固態(tài)固化劑固化淤泥土，摻量在3%～4%時高出30%以上。

(2)固化淤泥土在14 d后強度趨于穩(wěn)定。

(3)淤泥土在循環(huán)動載作用下的動應(yīng)變隨水泥和液態(tài)固化劑含量的增加而大大減小，水泥或液態(tài)固化劑摻量增加2%，在50 N動荷載下，減小約2倍，在100 N動荷載下減小3～5倍。

(4)淤泥土的動彈模隨水泥摻量和液態(tài)固化劑摻量的增加略微增大，動彈模在循環(huán)達到一定次數(shù)后趨于穩(wěn)定。

(5)從微觀結(jié)構(gòu)可知固化劑有效填充了顆粒間縫隙，提高了淤泥土的結(jié)構(gòu)密度。