基質吸力對非飽和水泥固化淤泥壓縮性的影響分析

韋 思

(1.廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001；2.南寧市筑路技術與筑路材料工程技術研究中心，廣西 南寧 530001)

0 引言

近年來，為改善水質，保護水資源，全國開展了大規模的清淤活動[1]。清理出的淤泥不能直接利用，而大規模的堆積，又會占用大量土地及污染環境[2-3]。目前，對于這些淤泥的處理大多采用固化法，固化法由于操作簡單、節約成本等特點而受到大力推崇。為使固化淤泥能安全地應用于實際工程，國內外學者進行了大量研究[4-6]。王東星等[7]采用大摻量粉煤灰、水泥和石灰固化劑對淤泥進行固化，發現相對于未固化淤泥，固化淤泥的最優含水率降低，而最大干密度、無側限抗壓強度、抗拉強度及彈性模量均有所增加，同時未固化淤泥的耐久性要差于固化土。黃英豪等[8]通過控制單變量法對不同水泥摻量、不同養護齡期以及不同初始含水率的固化淤泥的壓縮特性進行了研究，結果表明，固化后的淤泥壓縮性遠小于未處理的淤泥，且荷載小于固化淤泥的結構屈服應力時，其壓縮性非常小。張春雷等[9]研究了初始含水率對水泥固化淤泥效果的影響，發現初始含水率越大，固化淤泥破壞時應變越大、塑性越大，但粘聚力卻減小。王宏偉等[10]采用活性MgO進行固化淤泥，并研究了不同MgO摻量和不同養護齡期對固化淤泥的影響，發現隨著MgO摻量和養護齡期的增加，固化淤泥的結構屈服應力越大，MgO摻量達到6%時，固化淤泥的壓縮性會發生突變，由高壓縮性土轉變成低壓縮性土。

目前，對于非飽和土壓縮特性的研究大多集中在非飽和素土上[11-13]，如葉為民等[14]通過對上海地區的非飽和軟土進行壓縮、回彈試驗，發現基質吸力越大，軟土的壓縮性越小，且回彈指數隨著基質吸力的增大，先減小后增大。固化淤泥在實際工程中多處于非飽和狀態。已有研究表明，固化淤泥的飽水程度對其力學特性有較大影響。如Kim等[15]通過無側限抗壓強度試驗研究了木質素和粉煤灰固化土的水穩定性，發現固化土的水穩定性較素土明顯改善，但部分配比下固化土仍存在浸水軟化現象。而固化淤泥在基質吸力作用下的壓縮特性的研究相對較少，使得固化淤泥在實際應用中存在一定的安全隱患。

因此，本文通過對不同基質吸力下的固化淤泥進行壓縮試驗來探討基質吸力對其壓縮特性的影響，為非飽和固化淤泥土工構筑物的安全穩定性評價提供理論依據。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

根據《土工試驗方法標準》[16]測得淤泥的各項物理指標為：比重為2.66、含水率為70%、有機質含量為4.4%、液限為62.4%和塑性為27.7%。根據土的分類標準，可知該土屬高液限黏土。試驗所用水泥為廣西魚峰產的42.5普通硅酸鹽水泥。

1.2 試驗裝置

非飽和固結試驗采用一臺基于WG型單杠桿固結儀改裝的可進行非飽和固結試驗的吸力控制式固結儀(如圖1所示)，能較好地控制固化淤泥基質吸力的大小。該儀器可進行非飽和固結試驗以及濕化變形試驗。

(a)實物圖

1.3 試驗方案

具體試驗方案見表1。

表1 壓縮、回彈試驗方案表

1.4 實驗步驟

(1)飽和陶土板

先將非飽和固結裝置安裝好，在固結儀底座與刻度管之間、刻度管中注入無氣水，打開閥門先沖刷陶土板底部的氣泡，使無氣水充滿陶土板底部；再關閉閥門，施加10 kPa反壓使陶土板飽和，需耗時24 h。當陶土板表面先出現小水珠逐漸覆蓋整個陶土板后有大量水排出時，說明陶土板飽和完成，卸載反壓后，即可進行非飽和土固結試驗。

(2)裝樣

先將養護90 d的固化淤泥放入飽和器后，放入真空桶中進行抽真空2 h，再注入無氣水，關閉真空泵，靜置12 h使固化淤泥試樣充分飽和。將陶土板表面水擦干凈后，依次放入試樣、濾紙、透水石以及加載帽，最后將底座與壓力室通過密封圈密封，并以螺栓連接。

(3)預平衡

試樣安裝完成后，通過壓力室頂部氣壓管以及調壓閥，施加所需基質吸力進行預平衡。每天讀取密封透明筒體內部的刻度管讀數，當連續兩天讀數基本不變時，說明預平衡已完成，此過程耗時約4 d。

(4)固結試驗與回彈試驗

預平衡完成后即可進行固結試驗以及回彈試驗。試驗中維持氣壓管中的氣壓不變，所加荷載依次為25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa、3 200 kPa，每隔24 h沉降基本穩定后加下一級荷載，并在加下一級荷載前讀取百分表讀數。同時，每隔8～10 h沖刷一次陶土板下積聚的氣泡，當荷載加至3 200 kPa時，再進行回彈試驗。回彈試驗荷載變化分別為3 200 kPa、1 600 kPa、800 kPa、400 kPa、300 kPa、200 kPa、100 kPa、50 kPa。

(5)結束試驗

試驗結束后，先卸下砝碼和氣壓，拆除土樣，清洗非飽和固結儀與密封透明筒體。

2 試驗結果與分析

由圖2可知，固化淤泥的屈服應力隨著基質吸力的增大先增大后不變。造成上述現象的原因主要是基質吸力越大，其增強土骨架的效果越明顯。而固化淤泥在200 kPa基質吸力下已經達到殘余含水率，基質吸力對土骨架的增強作用并不明顯，當基質吸力增大時，固化淤泥的屈服應力并未發生明顯變化。

圖2 不同基質吸力作用下的非飽和固化淤泥的屈服應力柱狀圖

圖3為固化淤泥在不同基質吸力下的a-p擬合曲線。由圖3可知，固化淤泥的壓縮系數a隨著固結壓力的增大，先增大后減小，這可能與孔隙的結構有關。100 kg/m3水泥摻量的固化淤泥，由于水泥摻量較低，生成的水化產物較少，孔隙中有較多的大孔隙，這部分大孔隙在一定固結壓力下會發生較大壓縮。當這部分大孔隙被壓縮后，固化淤泥的孔隙則以小孔隙為主，且隨著孔隙慢慢被壓縮使固化淤泥的壓縮性越來越小，從而導致上述現象。

圖3 水泥摻量為100 kg/m3的固化淤泥在不同基質吸力下的a-p擬合曲線圖

對不同基質吸力下固化淤泥的a-p曲線進行相關擬合，擬合公式為：

(1)

式中：

a——壓縮系數；

p——固結壓力；

b0、b1、b2、b3——擬合參數。

表2為擬合曲線的擬合參數。由圖3、表2可知，本次擬合具有較高相關度，相關公式能較好反映壓縮系數隨固結壓力變化的趨勢。

表2 固化淤泥的a-p曲線的擬合參數表

由圖4可知，固化淤泥的壓縮指數、回彈指數隨基質吸力的增大而減小。造成這種現象的原因主要是基質吸力可增強固化淤泥的土骨架，且在未達到固化淤泥殘余含水率之前，基質吸力越大，增強效果越明顯，固化淤泥的壓縮性越小。水泥摻量為100 kg/m3的固化淤泥，由于水泥摻量較低，結構性較弱，在固結壓力作用下，產生了較大的壓縮變形，儲存了較大的彈性勢能，卸除固結壓力后，土骨架產生的回彈量較大，且基質吸力越大，固化淤泥的土骨架越強；在固結壓力下發生的壓縮越小，儲存的彈性勢能越小，卸除壓力后，土骨架回彈量越小，回彈指數越小(文中所求的壓縮指數為e-lgp曲線屈服后的斜率)。

圖4 基質吸力對固化淤泥壓縮指數和回彈指數的影響曲線圖

3 結語

文章以固化后的淤泥為研究對象，對不同基質吸力的固化淤泥進行非飽和固結試驗，探討了基質吸力對固化淤泥壓縮特性的影響，主要得出以下結論：

(1)固化淤泥的壓縮性與基質吸力有關。基質吸力越大，固化淤泥的壓縮性越小。

(2)水泥摻量為100 kg/m3的固化淤泥在不同基質吸力下的Δe-p曲線主要分為四個階段，分別為上升階段、下降階段、再上升階段及再下降階段。前兩個階段主要與大孔隙被壓縮有關，后兩個階段與中小孔隙被壓縮有關。

(3)固化淤泥的屈服應力與基質吸力有關。基質吸力增大，固化淤泥的屈服應力均增大。固化淤泥的壓縮系數隨固結壓力的增大，先增大后減小，且壓縮系數與固結壓力之間有較好的擬合關系。