天津堿渣土基本參數室內試驗研究

王 龍，吳宜鵬，范慶來，王冠妍，焉 振

(1.天津港股份有限公司 科信設施部，天津 300456；2.魯東大學 土木工程學院，煙臺 264000；3.天津市東方泰瑞科技有限公司，天津 300072；4.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室，天津 300456)

堿渣是生產純堿過程中產生的固體工業廢料。目前，堿渣的化學成分及礦物組成已經被基本查明，堿渣的化學成分主要為無機鹽和無機化合物，其中CaCO3含量最高，以文石和方解石的形式存在，其次是MgO，另外還有CaCl2、MgCl2、NaCl等易溶性鹽。天津堿廠生產純堿產生大量堿渣，堿渣堆放占用土地且極不環保，成為發展難題。近年來通過在天津港附近未利用區域開挖深坑，用堿渣回填，有效地解決了堿渣堆放難題，且開挖出的土體又可用于基礎設施建設。雖然堿渣回填的實施對解決堿渣堆放占地問題起到了很好的效果，但隨著天津港區擴建，港區周圍土地資源日益緊張，將堿渣回填形成的地基進行重新利用，變廢為寶，會產生巨大的經濟和社會效益。且隨著國家對生態要求日益提高，工程建設的環境效應影響已從被動式宏觀管理上升到主動設計的新高度，堿渣地基的重新利用愈發重要，并成為新的挑戰。

堿渣土作為一種新型地基回填材料，諸多學者對其進行了廣泛的研究，嚴馳[1]等以不同條件的堿渣三軸試驗為基礎，研究了堿渣的強度變形特性，并且分析了堿渣強度產生的機理；徐玉龍[2]等對兩種不同類型堿渣與飽和鹵水混合而成的堿渣漿進行了室內一維沉降試驗研究，揭示了兩種不同類型堿渣的一維沉降規律，為進一步探索堿渣沉降固結機理及現場堿渣回填廢棄鹽腔工程提供一定參考；雷長順[3]為解決使用管道水力輸送法輸送堿渣時缺乏理論參數指導的問題，通過室內試驗對堿渣漿液在管道中的流動特性進行了研究，另外還通過有限元軟件ABAQUS對堿渣填墊后所形成含有薄硬殼層的雙層地基的承載力特性進行了數值分析；崔國瑾[4]采用FLAC 3D軟件模擬分析及預測堿渣地基的沉降，證明了采用灰色理論法應用到堿渣地基的實際工程中是可行的并且對于短期沉降預測精度非常高，豐富了實際工程計算堿渣地基沉降量的方法；張明義[5]等通過微型觸探試驗、硬化時間測試、室內擊實試驗、比重試驗和室外靜載試驗對混合粉煤灰制成的不同配比的堿渣土進行了試驗研究，認為一定配合比下的堿渣土可應用于地基、路基以及場地的填筑；劉春原[6]等以不同粉煤灰摻量的堿渣土界限含水率試驗、擊實試驗、三軸試驗和無側限抗壓強度試驗為基礎，結合微觀電鏡掃描試驗，研究了拌合物堿渣土的強度特性，并且分析了粉煤灰增強堿渣強度的機理；徐敏[7]等利用堿渣土的真空預壓排水法和真空-電滲聯合法排水固結的對比試驗，分析了真空-電滲聯合法的排水固結機理。

雖然對堿渣土體性質已開展諸多研究工作，但是由于測量方法不一、取土位置各異、原狀重塑差別，以上研究中堿渣土參數的差異性較為明顯，如嚴馳等測得堿渣土含水率為140%、塑限為92.5%、液限為142.9%、孔隙比為2.97，而房營光等測得堿渣土含水率為198.8%、塑限為43.2%、液限為112.4%、孔隙比為5.42；在強度方面如雷長順測得堿渣土的內摩擦角φ為27.99°、粘聚力c為2.39 kPa，而房營光等測得堿渣土的內摩擦角φ為22.75°、粘聚力c為12.5 kPa，堿渣土體基本參數的差異性會影響后續理論及試驗分析等。為實現對堿渣地基進行處理和重新利用等，必須準確了解其力學性質和基本參數，為后期數值仿真和現場試驗等提供準確數據支持。本文通過固結、直剪(慢剪、固結快剪以及快剪)、顆粒級配分析、液塑限聯合測定等室內土工試驗，對堿渣土試樣壓縮性、比重、強度參數、密度、滲透系數、顆粒級配、液塑限等進行詳細測定。試驗結果可補充現有堿渣性質研究成果，也為后期堿渣土的改良、應用以及堿渣特性等的研究提供基礎。

1 儀器設備及方法

根據《土工試驗規程》中的操作要求及方法，進行各種室內試驗。本文通過比重試驗測定土樣比重，通過密度試驗測定土樣密度，利用變水頭滲透試驗測定原狀堿渣土和重塑堿渣土試樣的滲透系數，利用直剪儀對堿渣土試樣分別開展了慢剪、固結快剪以及快剪三種直剪試驗。由于上述試驗操作簡單，與一般砂土、黏土的土工試驗類同，無特殊性，所以不進行詳述。而固結試驗、顆粒級配分析、液塑限聯合測定的試驗步驟略微復雜，故在下文加以詳述。

本文通過開展固結試驗測定壓縮模量及回彈模量，試驗參照《土工試驗規程》[8]中的固結試驗(SL237-015-1999)。試驗儀器采用GZQ-1型全自動氣壓固結儀，在天津港區堿渣回填場地的淺層8.8～10 m深度內土層按原狀土取樣的方法取3個高度為20 cm的土樣，各土樣深度分別為8.8～9.0 m、9.6～9.8 m、9.8～10 m，用環刀法分別從3個20 cm的土樣中取其上下兩端2 cm的土樣，共進行6組試驗。在全自動氣壓固結儀系統內進行一系列基本設置之后，隨后平衡自重開始室內標準固結試驗，其中加載卸載及再加載荷順序為：加載50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa；卸載400 kPa、200 kPa、100 kPa、50 kPa；再加載50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa。每級荷載時，當沉降值在1 h內變化不超過0.005 mm時視為穩定，即可進入下一級加載。通過上述步驟可得到一個比較完整的加卸載滯回圈。

本文采用篩析法和密度計法聯合分析堿渣土樣的顆粒組成。首先將深度為7.2～7.4 m取土器中的堿渣土烘干研磨，再把研磨后的堿渣土倒入細篩中振篩30 min，振篩結束后稱量各級篩上及底盤內試樣的質量。取過0.25 mm篩后的土樣分別稱取30.606 g和30.334 g進行試驗，記為試驗1和試驗2，由于堿渣土可溶鹽含量過高，故先測出可溶鹽含量和對堿渣土試樣進行洗鹽處理，試驗干試樣即為試驗試樣減去該試樣的可溶鹽含量。

通過液、塑限聯合測定法測定堿渣土樣的液限和塑限。試驗儀器采用液塑限聯合測定儀，首先對試樣進行風干，再將試樣過0.5 mm篩。取0.5 mm篩下的代表性土樣200 g，并用純水將土樣調制成均勻膏狀，放入調土皿浸潤過夜。將制備的試樣充分調拌均勻，填入試樣杯中，填滿后刮平表面。把試樣杯放在聯合測定儀升降座上并調節零點，調整升降座使圓錐尖接觸試樣表面，指示燈亮時圓錐在自重下沉入試樣，經5 s后測定圓錐下沉讀數。取試樣不小于10 g并放入稱量盒中，測定含水率。重復步驟完成第二、三次平行測定，并分別測定圓錐下沉深度及相應含水率。

2 試驗結果分析

2.1 固結試驗結論

將6個環刀土樣進行試驗得到試樣的一維壓縮曲線，試驗結果如圖1所示。

1-a 試驗1 1-b 試驗2 1-c 試驗3

根據試驗圖像可以看出，堿渣的壓縮特性與細粒土不同，在外荷載施加的初期有明顯的變形，一段時間后變形趨于穩定，此后隨時間延長其沉降量改變不大。堿渣作為一種大孔隙物質，其壓縮性隨密實度提高有較大減小。堿渣在壓力為0.1～0.2 MPa時的壓縮系數為4 MPa-1左右，大于0.5 MPa-1，為高壓縮性土；當加載至0.4 MPa時，卸載再加載，此時壓力為0.1～0.2 MPa時的壓縮系數在0.1～0.2 MPa-1，均大于0.1 MPa-1，小于0.5 MPa-1，屬于中壓縮性土。

2.2 比重試驗結論

本試驗共設兩組平行試驗，測得土樣平均比重為2.255(表1)。由比重換算得到堿渣土的孔隙比為4.44。

表1 比重瓶試驗結果Tab.1 Experimental results of pycnometer

黃思杰[9]等測得砂土的比重為2.66，堿渣土較之低15%；王元戰[10]等測得原狀粉質粘土的比重為2.73，堿渣土較之低17%?？梢姡瑝A渣土作為一種特殊的工程土，其顆粒比重較天然土小。

2-a 慢剪 2-b 固結快剪 2-c 快剪圖2 抗剪強度線Fig.2 Shear strength line

2.3 直剪試驗結論

通過開展慢剪、固結快剪以及快剪三種直剪試驗，分別確定了三種試驗情況下對應不同垂直壓力的抗剪強度，通過對不同垂直壓力下的抗剪強度進行擬合，得到三種直剪試驗下的抗剪強度線(圖2)。

由圖2可知堿渣土的強度指標，并將堿渣土的強度指標列于表2。由此可見，三種直剪試驗所測得的內摩擦角大致相同，而其粘聚力差別較大，以慢剪試驗測得的值最小，快剪試驗的值最大。

表2 三種直剪試驗的抗剪強度指標Tab.2 Shear strength index of three direct shear tests

參考天津港附近地區土體參數，粉質粘土的內摩擦角φ一般為18°～25°，粘聚力c一般為5～10 kPa；砂土內摩擦角一般為20°～40°，大部分在30°左右。就固結快剪試驗而言，堿渣土的內摩擦角與粉質粘土相比低44%～60%，粘聚力比粉質粘土高出87%以上，與砂土相比堿渣土的內摩擦角較之低67%。砂土有時也有很小的粘聚力，但這是由于毛細粘聚力的緣故，因此不做考慮。另外，徐建新[11]等研究得出堿渣土在固結快剪試驗條件下內摩擦角φ為20°，粘聚力c為25 kPa，在快剪試驗條件下內摩擦角φ為18°、粘聚力c為21 kPa；本節中對應試驗所得結論與之相比，粘聚力值較為接近，但內摩擦角值偏低。閆澍旺[12]等研究得出堿渣土在快剪試驗條件下內摩擦角φ為18.6°、粘聚力c為32 kPa；本節中對應試驗所得結論與之相比可以得出相同結論，即粘聚力值較為接近，但內摩擦角值偏低。

2.4 密度試驗結論

飽和堿渣土試樣的濕密度大致介于1.12～1.29 g/cm3，平均值為1.21 g/cm3；干密度大致介于0.376～0.446 g/cm3，平均值為0.406 g/cm3。參考天津港附近地區天然土體參數，黏土的濕密度為1.79 g/cm3，干密度為1.49 g/cm3；砂土的濕密度為1.80 g/cm3，干密度為1.72 g/cm3；無論干密度或濕密度，堿渣土與兩者相比均較低。

2.5 變水頭滲透試驗結論

原狀堿渣土的滲透系數試驗結果如表3所示，可知原狀堿渣土試樣的平均滲透系數k=1.40×10-5cm/s，屬于粉土范圍(10-3～10-6cm/s)。蔡學石[13]等測得軟粘土的平均滲透系數為1.46×10-8cm/s，與之相比，可見堿渣土的滲透性較好。

表3 原狀堿渣土試樣的滲透系數Tab.3 Permeability coefficient of undisturbed soda residue soil

在重塑土的滲透試驗中，制備了若干組不同孔隙比的土樣。試驗顯示隨孔隙率增加，重塑土的滲透性隨之增大?？律?卡門研究得到，土的滲透系數k與孔隙率n之間的關系可用式(1)描述

(1)

式中：ρω為水的密度，取1 g/cm3；η為水的動力粘滯系數，20℃以下為1.01；C2為顆粒性狀與水的實際流動方向有關的系數，可近似取0.125；S為土顆粒的比表面積，m2/cm3。

孔隙比與孔隙率的關系如下

(2)

式中：e為孔隙比，n為孔隙率。

聯立式(1)和式(2)可以得到

(3)

采用式(3)對重塑土的試驗數據進行擬合，擬合結果如圖3所示。可見，滲透系數的離散度較大，但比表面積大致介于40～120 m2/cm3。擬合曲線的比表面積S=66.34 m2/cm3，R2=0.122。

圖3 孔隙率對滲透性的影響Fig.3 Effect of porosity on permeability

2.6 顆粒分析試驗結論

根據篩分和密度計法的試驗結果，做出完整的級配曲線(圖4)。由于在試驗1的密度計測量中，在5～10 min時，密度計讀數從14變為3.5，故試驗2在5～10 min的時間內分別讀取6 min、7 min、8 min和10 min的密度計讀數，由于土顆粒粒徑相差大，所以級配曲線圖中土顆粒粒徑取對數坐標。

圖4 堿渣土級配曲線Fig.4 Gradation curve of soda residue soil

根據級配曲線圖，深度在7.2～7.4 m的堿渣土顆粒粒徑分布范圍為0.002～2 mm，總體以粉粒(粒徑范圍為0.005～0.075 mm)為主，約占總顆粒含量的70%，堿渣土與普通黏性土相比具有粒徑小、分布范圍集中的特點。另外土樣顆粒粒徑小于0.001 7 mm占總質量的10%，顆粒粒徑小于0.024 3 mm占總質量的30%，顆粒粒徑小于0.031 mm占總質量的60%，即深度在7.2～7.4 m的堿渣土土樣不均勻系數為18.235(>10)，屬級配不均勻，但曲率系數為11.205(>3)，總的來說該土樣級配不良。通過顆粒分析試驗結果可知，堿渣土是一種級配不良、顆粒較細的物質，這與徐竹青[14]等所得試驗結果一致。

2.7 液塑限試驗結論

液塑限聯合測定共進行三組試驗，調節試樣不同的含水率，測定圓錐入土深度，三組試驗圓錐入土的深度宜接近2～4 mm、7～9 mm、15～17 mm。具體試驗數據見表4。

表4 液塑限試驗數據Tab.4 Liquid-plastic limit test data

含水率與圓錐下沉深度的關系見圖5，在其上查得下沉深度為10 mm所對應的含水率158.552%為液限，查得下沉深度為2 mm所對應的含水率4.098%為塑限，初始含水率為169.013%。王歡[15]等測得堿渣土的液限為112.4%、塑限為43.2%、含水率為198.8%，本項目所測結果與之相比，液限和含水率比較接近，但塑限差別較大。

圖5 圓錐下沉深度和含水率關系曲線Fig.5 Curve of relationship between conical subsidence depth and water content

根據所得的塑限和液限，求出塑性指數IP=154.454和液性指數IL=1.068。鄧雷飛[16]等測得粉質粘土的塑性指數為14.5，液性指數為0.98；石崢[17]等測得飽和軟黏土的塑性指數為18.8，液性指數為1.09；堿渣土的液性指數與兩者相比較為接近，但塑性指數比兩者更大，這主要是由于堿渣土的細顆粒成分更多且含水量更高。

塑性指數綜合反映了土的顆粒大小、礦物成分，常用于細粒土的分類，該土樣塑性指數為154.454(>17)屬黏土類；黏性土的狀態可根據液性指數分為堅硬、硬塑、可塑、軟塑和流塑，該土樣的液限指數為1.068(>1)，屬于流塑態，且該土樣粘聚力非常小，接近砂土性質，失水速度快。

3 結論

針對堿渣土，本文利用固結試驗確定其側限壓縮模量及回彈模量；開展比重試驗，測得堿渣土的比重并利用公式換算得到堿渣土的孔隙比；開展了慢剪、固結快剪以及快剪試驗分別確定了堿渣土試樣在三種試驗條件下的強度指標；利用環刀法測定了其濕密度，并通過含水率換算得到堿渣土的干密度；利用變水頭滲透試驗，對原狀堿渣土的滲透系數進行測定，同時制備不同孔隙率的重塑堿渣土試樣，并確定其滲透系數；通過開展顆粒分析試驗并作出完整的級配曲線；利用液塑限試驗測得堿渣土的液限、塑限值并求出塑性指數和液性指數。由此得到以下結論：

(1)堿渣土的初始孔隙比為4.44，含水率達198.1%，液限為158.552%，塑性指數達154.454，滲透系數為1.40×10-5cm/s?？梢妷A渣土具有孔隙比大、含水率高、液限高、塑性高、滲透性低等特點。

(2)堿渣土的濕密度為1.21 g/cm3，干密度為0.406 g/cm3，壓縮模量為1.59 MPa，回彈模量為12.35 MPa；在慢剪、固結快剪及快剪試驗條件下，測得堿渣土的粘聚力分別為11.89 kPa、18.73 kPa、28.77 kPa，內摩擦角分別為10.09°、9.48°、9.03°。與淤泥土相比，堿渣土具有相對較高的強度、較小的壓縮性；與其他學者測得的堿渣土參數相比，本文測得的粘聚力值與其較為接近，但內摩擦角值偏低。

(3)堿渣土的化學成分主要為CaCO3等難溶性鹽，所以其具有較強的結構性能，且由于這些化合物是土骨架的組成部分，因此堿渣土可作為工程土使用；但由于堿渣土具有孔隙比大、含水率高等特點，填埋后的堿渣場地無法直接使用，必須進行適當的工程處理。

(4)堿渣土級配不良、顆粒較細，其粒徑為0.005～0.075 mm的顆粒含量約占70%，即以粉粒為主，且堿渣土透水性較為理想，利于在荷載作用下加速固結，易于實施加固處理。