天津地區(qū)軟土固化及承載特性試驗研究

胡 寧，王進城，劉 洋，劉曉強，張宇亭

(1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司，天津 300222；2.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029； 3.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，天津 300456)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口增長，人類對城市土地資源的需求也在不斷提高，圍海造地是人類開發(fā)利用海洋資源的重要方式，是拓展生存和生產(chǎn)空間的重要手段。不僅可以充分利用海洋的空間資源，緩解人地矛盾，是沿海城市發(fā)展的重要選擇之一[1]。吹填區(qū)大量采用近海新近沉積的海底淤泥作為吹填原料進行圍海造陸，其成分主要以細顆粒為主，具有天然含水量和壓縮系數(shù)高、天然孔隙比和沉降變形大、抗剪強度及承載力低、滲透系數(shù)小等特點[2]，對工程建設(shè)非常不利。據(jù)一些沿海地區(qū)處理淤泥及吹填土的經(jīng)驗，真空預(yù)壓法是目前較為認可的經(jīng)濟適用的軟基處理方法，且目前該地基處理方法經(jīng)過幾十年的研究和工藝改進已經(jīng)趨于成熟[3]。然而采用傳統(tǒng)真空預(yù)壓法進行加固造價高、歷時長，因此亟需尋找一種合理、經(jīng)濟的加固方法，使吹填土能盡快從淤泥狀態(tài)轉(zhuǎn)變成具有一定承載力的地基，對沿海工程建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義[3-4]。

目前，固化處理是軟土地基尤其是灘涂淤泥處理的一種常用方法。經(jīng)過固化處理后的地基，其工程特性得到了很大的改變。目前國內(nèi)外對固化劑固化軟土地基的相關(guān)研究主要集中于固化劑的摻量、種類、固化淤泥的強度特性等，現(xiàn)已取得了一定的成果。張春雷等[5]利用室內(nèi)試驗研究了初始含水率對水泥固化效果的影響，研究表明，在滿足固化攪拌的施工要求下，盡量降低淤泥的初始含水率以取得較好的經(jīng)濟效益。黃英豪[6]等通過單因素試驗對不同初始含水率、不同水泥添加量、不同養(yǎng)護齡期的固化淤泥的壓縮特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)屈服應(yīng)力隨著水泥量的增加而線性增大，養(yǎng)護齡期越長、初始含水率越低，固結(jié)屈服應(yīng)力越大。楊愛武[7-9]等通過大量室內(nèi)試驗以及微觀結(jié)構(gòu)測試,研究各種固化材料對天津濱海軟土的改良效果。范昭平[10]等研究了有機質(zhì)含量對淤泥固化效果的影響，發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)含量超過極限含量后，不再對固化效果產(chǎn)生更大的影響。在固化劑種類方面：張大捷[11-13]利用礦渣膠凝材料固化軟土，試驗結(jié)果表明，礦渣膠凝材料固化軟土的效果比水泥好；在微觀機理方面：李振[14]對加入添加劑固化后吹填土的微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)用計算機圖像處理技術(shù)進行了定量分析，結(jié)果表明添加劑的加入使得孔隙變小，結(jié)構(gòu)變得致密，固化后土體強度有一定提高；簡文彬[15-16]采用掃描電鏡技術(shù)對不同齡期水泥-水玻璃加固軟土的微觀結(jié)構(gòu)進行觀察和研究，發(fā)現(xiàn)水化物形態(tài)多為纖維狀和棱柱狀，通過相互搭接形成網(wǎng)格并包裹土顆粒形成較大顆粒從而起到加固作用。

通過前人對軟泥固化加固地基的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，利用該方法可以改善軟土地基性質(zhì)，隨著其應(yīng)用范圍擴大，對其各方面優(yōu)化也在不斷進行。由于軟土形成結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及所在環(huán)境影響，其所表現(xiàn)出來的工程性質(zhì)存在明顯差別，同時不同固化材料的配比也對土體的固化性能產(chǎn)生較大的影響。以天津臨港地區(qū)軟粘土為研究對象，開展室內(nèi)固化試驗研究，分析固化材料、固化土的養(yǎng)護時間以及土體的初始含水量等對土體固化后性能的影響。同時為了擴大其應(yīng)用范圍，對荷載寬度、固化強度、固化層厚度等影響下的地基承載特性進行研究，為工程設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 軟土固化試驗

通過對不同含水率的軟土添加不同固化劑，進行水泥單摻試驗、水泥礦粉雙摻試驗及水泥礦粉粉煤灰正交試驗確定適用于天津濱海地區(qū)吹填土的最優(yōu)固化劑配比。

表1 土樣基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physical properties of soil sample

1.1 試驗材料

試驗土樣取自天津濱海新區(qū)東疆港吹填沉積后未經(jīng)過處理的吹填軟土，基本物性指標如表1所示。其含水率在50%以上，且孔隙比大、強度低，呈流動狀態(tài)，無法滿足工程建設(shè)的需求，必須對其進行處理，使得處理后的軟土地基滿足強度和變形要求。試驗中選擇的固化材料包括水泥、礦粉和粉煤灰等。

1.2 試樣制備

文中固化劑的摻量為試驗中選用的所有固化材料的總質(zhì)量與試驗中選用的土體和固化材料的總質(zhì)量比值。按照預(yù)定設(shè)計好的研究計劃，將一定質(zhì)量的土體和設(shè)計選用的固化劑充分混合，然后按照設(shè)計比例加入水并攪拌至均勻，配制成所需含水率的混合料，然后將混合料分三層放入直徑5 cm、高5 cm的圓柱試模中。裝模前，試膜內(nèi)壁先涂上一層脫模油，以便脫模。混合料分層放入試模中需要充分振搗并進行表層刮毛，每組試驗制作3個平行試樣。

1.3 試驗方案

天津地區(qū)軟土含水率分布較廣，分布范圍一般在40%～80%，為了進一步探索天津地區(qū)軟土的固化規(guī)律，選擇40%、60%和80%的三種含水率的土樣進行固化試驗測試，測試內(nèi)容主要包括水泥單摻、水泥和礦粉雙摻和水泥加多種外加劑正交固化試驗，試驗前需對取樣進行烘干、去雜質(zhì)、調(diào)含水率等過程處理。首先針對于三種不同含水率土樣，分別選取4%水泥摻量、6%水泥摻量、8%水泥摻量以及10%的水泥摻量，通過測試不同水泥摻量固化土的無側(cè)限抗壓強度，以此來對比含水率、水泥摻量等對固化土性能的影響；然后再摻入2%、4%、6%、8%的礦粉，開展礦粉的單摻固化試驗，分別測試不同摻量礦粉的固化土的固化強度；最后選取不同含水率的式樣、不同摻量的水泥、粉煤灰和礦粉為影響因素開展(4因素3水平)正交試驗。

1.4 試驗結(jié)果分析

(1)水泥單摻試驗。

對不同含水率及養(yǎng)護齡期下各水泥摻量的固化土體進行無側(cè)限抗壓強度測試，得到相關(guān)條件下固化土的無側(cè)限抗壓強度，如圖1所示。

從圖1中可以看出，水泥固化土的無側(cè)限抗壓強度隨著水泥摻量增加和養(yǎng)護齡期延長而快速增長，但隨吹填土含水率增大而有所降低。當水泥摻量大于4%時，固化土的無側(cè)限抗壓強度大多可達到200 kPa以上，固化效果較好，特別是當水泥摻量大于8%后，固化效果更顯著。養(yǎng)護齡期對固化土強度也至關(guān)重要，可以明顯發(fā)現(xiàn)固化28 d的土體強度要遠大于7 d的無側(cè)限抗壓強度。同時從圖1中可以看出含水率越大的土樣在添加不同含量的水泥時強度增加幅度越小。如含水率80%的固化土隨著養(yǎng)護時間和水泥摻量增加，其無側(cè)限抗壓強度增加幅度要遠小于含水率40%、60%的固化土，因此綜合考慮，在實際工程中，應(yīng)盡量淤泥控制在較低的含水率范圍，在滿足施工需求前提下達到經(jīng)濟效益。

(2)水泥礦粉雙摻試驗。

考慮到固化處理的經(jīng)濟性等因素，在滿足工程強度要求下盡量減小施工費用，因此選取4%作為最佳水泥摻量，以此為基礎(chǔ)在不同含水率下?lián)饺?%、4%、6%、8%礦粉并養(yǎng)護7 d后進行單軸壓縮試驗，確定最優(yōu)礦粉摻量。試驗結(jié)果如圖2所示。

表2 不同含水率土體固化正交試驗方案及結(jié)果Tab.2 Orthogonal test scheme and results of soil solidification with different moisture content

表3 不同含水率的土體固化正交試驗結(jié)果分析Tab.3 Analysis of orthogonal test results of soil solidification with different moisture content

從圖2可以看出，在4%水泥摻量條件下，隨著礦粉摻量增加，不同含水率下的固化土無側(cè)限抗壓強度均有大幅度提高，但增加幅度逐漸降低。當?shù)V粉摻量小于6%時，強度增加幅度較大，大于6%以后礦粉對無側(cè)限抗壓強度影響不大，即礦粉在一定范圍內(nèi)對固化土強度提升最明顯，考慮施工效果和經(jīng)濟效益，選擇2%～4%的礦粉摻量作為后續(xù)多固化劑的土體試驗研究的參考。

(3)多固化劑正交試驗。

在水泥單摻及水泥礦粉雙摻固化吹填軟土試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，選取了3種固化材料進行了正交試驗，即通過最少的試驗次數(shù)得到最佳的組合配比。對于40%、60%和80%含水率吹填軟土，分別選取水泥(A)摻入量為3%、4%和5%，礦粉(B)摻量為2%、3%和4%，粉煤灰(C)摻量為2%、3%和4%，進行正交試驗，其正交試驗方案及結(jié)果如表2所示。

根據(jù)正交試驗的綜合可比性，對不同含水率下的試驗結(jié)果進行對比分析，結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，在40%、60%、80%含水率下7 d固化吹填軟土對應(yīng)的最佳配比組合：土體水泥摻量為5%，礦粉摻量為4%，粉煤灰摻量為3%。在此固化劑配比條件下，固化后軟土的無側(cè)限抗壓強度最高。在40%含水率時，水泥、礦粉一列中κ3較大，粉煤灰一列κ2較大；在60%含水率時，水泥、粉煤灰一列κ2較大，礦粉一列κ3較大；在80%含水率時，水泥、礦粉一列中κ2較大，粉煤灰一列κ3較大，上述所涉及的試驗水平是在不同含水率條件下各因素中影響最大的水平。同時表3數(shù)據(jù)顯示水泥極差最大，說明在這些固化材料中水泥摻量對固化土的強度性能影響最大。

表4 試驗方案匯總表Tab.4 The summary of test scheme

2 固化層承載特性

2.1 試驗方案

考慮到表層結(jié)構(gòu)的厚度、內(nèi)部土體的強度、上部荷載寬度等影響地基承載及變形特性的因素較多，故采用多因素試驗設(shè)計方法及正交試驗法進行室內(nèi)模擬試驗。根據(jù)已有的研究資料[17]并結(jié)合實際工程情況，最終擬定荷載寬度、固化強度(水灰比定義為水泥與固化劑的質(zhì)量比)、固化層厚度作為本次試驗三個影響因素，具體方案如表4所示。

2.2 試驗裝置及步驟

2.2.1 試驗裝置

試驗選用10 mm厚鋼板制成模型槽，其尺寸為長×寬×高=1.5 m×1.5 m×1.5 m，本次試驗?zāi)Ｐ图虞d方式采用質(zhì)量塊堆載方式加壓。加荷裝置包括載荷板和圓餅型鐵塊質(zhì)量分別為20 kg和50 kg，如圖3所示。

應(yīng)力監(jiān)測采用BZ2205C靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其配套軟件系統(tǒng)，如圖4所示。

2.2.2 試驗步驟

試驗的主要步驟如下：步驟1：進行各項準備工作，包括傳感器標定、測定土的物理力學(xué)性質(zhì)指標等；步驟2：將含水率為52.6%的軟土分層填入試驗槽中，采用平板夯實至預(yù)定深度，并用環(huán)刀切取土樣，測定各層土體密度及含水量，將土壓實至土壓力傳感器設(shè)計埋深位置；步驟3：按試驗方案水灰比要求將含水率52.6%的軟土與水泥攪拌均勻，并分層鋪設(shè)入模型桶中；步驟4：靜置3 d，使軟土在自重應(yīng)力下穩(wěn)定，同時讓上部水泥土達到一定強度；步驟5：靜置完成后分級施加荷載，在每級荷載施加穩(wěn)定后方可施加下一級荷載(由正式試驗前的嘗試性試驗結(jié)果確定，預(yù)估每級荷載施加時間約為2 h，直至地基土體破壞。在試驗中如出現(xiàn)下列現(xiàn)象之一時，即認為土已達到極限狀態(tài)：荷載板周圍有明顯的側(cè)向擠出或發(fā)現(xiàn)較大裂紋；荷載增加很小，但沉降卻急劇加大；在荷載不變的情況下，24 h內(nèi)沉降隨時間近乎等速增加)；步驟6：整理試驗數(shù)據(jù)，繪圖并分析。

2.3 試驗結(jié)果分析

當?shù)乇泶嬖诠袒纬傻挠矚訒r，地基內(nèi)的應(yīng)力分布特性不同于均質(zhì)地基。同樣，地基的承載變形也受到硬殼層條件的影響而呈現(xiàn)不同的特性。在加載過程中具有以硬殼層的剛度變化和應(yīng)力集中程度為標志的彈性、彈塑性、極限狀態(tài)三個承載階段。在試驗中可以明顯觀察到：在加載初期，硬殼層的結(jié)構(gòu)性完好無損，軟土中的應(yīng)力和變形很小，地基完全處于穩(wěn)定狀態(tài)；如果荷載超過一定范圍，軟土中應(yīng)力大幅度增加，塑性變形迅速發(fā)展，硬殼層仍然承擔著絕大部分荷載，地基保持穩(wěn)定，處在彈塑性承載階段；如果荷載再繼續(xù)增加，硬殼層的板體作用將受到嚴重破壞，地基發(fā)生明顯變形并很快趨于破壞，這時硬殼層地基處在極限狀態(tài)，破壞后的模型如圖5所示。

由圖5可以看出，破壞后的地基表面沒有明顯的隆起現(xiàn)象，破壞面沿荷載板邊緣垂直延伸到軟土層中，因此按地基極限承載力理論，硬殼層地基的破壞模式一般均為沖剪破壞，其主要特征為在加載過程中結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)隨地基的壓縮變形而下沉，當基礎(chǔ)刺入一定深度之后，發(fā)生基腳周圍土體的垂直剪切破壞。

根據(jù)典型的現(xiàn)場載荷試驗曲線圖，采用半對數(shù)坐標系統(tǒng)的s-lgp曲線作為不同因素及水平組合情況下的荷載位移曲線，以T2為例，其沉降-荷載曲線如圖6所示，s-lgp中兩段直線交點對應(yīng)的P值這個試驗指標的影響程度。定義該P值為結(jié)構(gòu)荷載[18]。

表5 試驗結(jié)果匯總表Tab.5 The summary of test results

由于正交表具有綜合可比性的特點，因此可利用試驗數(shù)據(jù)的極差分析試驗中各個影響因素對模型試驗中結(jié)構(gòu)荷載的影響。

直接比較表5中T1～T9試驗數(shù)據(jù)可知，荷載板直徑20 cm、硬殼層厚度15 cm、水泥摻量20%時結(jié)構(gòu)荷載值最高，是試驗最佳條件組合；在荷載寬度一列中κ1較大，硬殼層厚度和水灰比中κ3較大，說明上述所涉及的試驗水平是各因素中影響最大的水平。由表中極差分析可知，載荷板寬度對模型試驗的結(jié)構(gòu)荷載值影響最大，其次為水泥的摻量即表層固化土體的強度，而固化層厚度的影響相對最小。同時根據(jù)數(shù)據(jù)可以直觀得到各因素對試驗指標的影響規(guī)律，模型試驗中的結(jié)構(gòu)荷載值隨固化層厚度、表層固化土體強度的增大而增大，隨加載尺寸的增大而減小。

3 結(jié)論

本文針對天津濱海地區(qū)軟土固化后的力學(xué)性質(zhì)開展相關(guān)研究工作，得到了天津地區(qū)軟土固化的最優(yōu)固化劑配比及固化后的承載特性，主要得出以下結(jié)論：

(1)通過水泥單摻試驗發(fā)現(xiàn)水泥固化土的無側(cè)限抗壓強度隨著水泥摻量增加和養(yǎng)護齡期延長而快速增長，隨吹填土含水率增大而有所降低。

(2)水泥礦粉雙摻試驗結(jié)果表明，隨礦粉摻量增加，固化土無側(cè)限抗壓強度增大，但增加量明顯降低。

(3)通過多固化劑正交試驗發(fā)現(xiàn)，在含水率為52.6%條件下，水泥摻量為5%、礦粉摻量為4%、粉煤灰摻量為3%時固化土強度最大，為最優(yōu)固化劑配比。水泥極差最大，說明水泥在加固中起主要作用。

(4)通過正交試驗發(fā)現(xiàn)模型試驗的荷載板寬度對結(jié)構(gòu)荷載值的影響最大，其次為水泥的摻量即表層固化土體的強度，固化層厚度的影響相對最小。