固化輕質(zhì)吹填土配合比優(yōu)化及工程特性研究

賀小青

(西安交通工程學(xué)院土木工程學(xué)院，陜西 西安 710300)

1 概述

隨著港口城市經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的繁榮發(fā)展，其基建項(xiàng)目日益增多，土地資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，需要依靠圍海造陸來增加可利用土地面積和提高港口貿(mào)易的吞吐能力。吹填土由此而來，但其含水量高、壓縮性大、抗剪強(qiáng)度低的特性導(dǎo)致其無法滿足工程實(shí)踐所需[1]，必須經(jīng)過處理才能滿足施工強(qiáng)度。傳統(tǒng)處理吹填土的方法如真空預(yù)壓法，在排水之前需要在泥漿表層根據(jù)軟土層厚度和施工要求再次吹填0.5 m以上厚度的細(xì)砂或中砂來滿足插板機(jī)等施工機(jī)械所需基本承載力要求，所用砂量巨大，人工砂費(fèi)用昂貴，天然砂的開采還極大的破壞環(huán)境；飽和的砂土還易發(fā)生振動(dòng)液化，噴砂冒水現(xiàn)象，嚴(yán)重影響施工環(huán)境和施工安全。對(duì)于吹填土固化技術(shù)，目前已有一些研究成果，如沈宇鵬等[2]對(duì)天津曹妃甸含氯鹽吹填土采用S95級(jí)?；郀t礦渣粉為主固化劑，添加硅酸鈉、石膏粉和生石灰進(jìn)行固化，研究固化劑和添加劑的配合比例以及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化土的強(qiáng)度影響，得出礦粉必須與添加劑配合使用才有效，添加劑中生石灰作用最明顯。最新研究[3-6]表明對(duì)吹填土進(jìn)行固化，并且加入發(fā)泡劑減輕吹填土質(zhì)量，經(jīng)過處理后的吹填土具有密度低、強(qiáng)度高、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足工程要求，而且預(yù)制固化輕質(zhì)吹填土可以作為路基等常規(guī)地基土材料使用。

2 固化輕質(zhì)土配合比優(yōu)化

2.1 原樣土基本物理性質(zhì)分析

本文以連云港吹填土為基本材料，靜水沉降法分析土樣粒度成分如圖1所示，在未加分散劑時(shí)，土體的固體顆粒粒徑主要集中在0.005～0.075范圍內(nèi)，占 65%左右，加入分散劑以后，顆粒粒徑仍主要集中在0.005～0.075范圍內(nèi)，含粉粒的量降低到55%左右，含黏粒的量達(dá)到40%左右，可將土樣定名為粉質(zhì)輕黏土。通過加分散劑前后試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，連云港吹填土具有一定的團(tuán)聚性，這種團(tuán)粒組成的土體強(qiáng)度不高，分散性較大。兩組土樣的不均勻系數(shù)Cu均大于5，曲率系數(shù)Cc均小于1，連云港濱海區(qū)吹填土為不良級(jí)配的土，不均粒土。

本次采用X射線衍射分析法，對(duì)連云港吹填土原樣進(jìn)行礦物成分全分析，含黏土礦物的量較高，其中含伊蒙混層和伊利石的量相對(duì)較高，是黏粒的組成礦物，因此該吹填土具有較強(qiáng)的親水性，壓縮性高，抗剪強(qiáng)度低。塑性指數(shù)18.5>17，且土中含有較多的黏粒和有機(jī)質(zhì)，土的孔隙比較大，在物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)上決定了該軟土具有高壓縮性，高靈敏度；由于試驗(yàn)結(jié)果液性指數(shù)1.16>1.0，土體處于流塑狀態(tài)，土體密實(shí)度較低，決定了土的強(qiáng)度較低，其礦物成分和物理性質(zhì)指標(biāo)如表1，表2所示。

表1 連云港吹填土礦物成分表

表2 連云港吹填土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2.2 固化輕質(zhì)土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用含水泥固化劑的量為8%，粉煤灰固化劑A和發(fā)泡劑B，在室內(nèi)做無側(cè)限軸向抗壓試驗(yàn)，通過變化發(fā)泡劑和粉煤灰的比例，得到不同含水量(55%，65%，75%)下的抗壓強(qiáng)度值，如圖2～圖4所示。通過對(duì)比圖2～圖4可以發(fā)現(xiàn)，在其他條件保持不變的情況下，隨著含水量的增加，抗壓強(qiáng)度值總體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。在同一含水量下，含粉煤灰的量從2%增加到4%，抗壓強(qiáng)度值先增加后減小，因此3%的粉煤灰較為合適。在3%的粉煤灰摻合下，含0.1%發(fā)泡劑的量得到的抗壓強(qiáng)度最高，也可以從其他水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)結(jié)果圖觀察到當(dāng)A為3%，B為0.1%時(shí)其抗壓強(qiáng)度最高，因此通過抗壓強(qiáng)度值的變化趨勢(shì)，得到最優(yōu)配合比粉煤灰A∶發(fā)泡劑B=3∶0.1。

3 固化輕質(zhì)吹填土工程特性研究

本文采用固化輕質(zhì)吹填土與未固化同密度的輕質(zhì)吹填土做物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)比試驗(yàn)來進(jìn)行研究該配合比下吹填土的工程性質(zhì)。未固化輕質(zhì)吹填土是用聚苯乙烯材料填充在吹填土中，反復(fù)調(diào)整比例，達(dá)到與固化土體相同的密度和含水量。

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析

試驗(yàn)中兩種試樣尺寸均為150 mm×150 mm(直徑×高度)，密度為1.31 g/cm3,含水量為35%，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7 d，14 d，28 d，60 d，分別進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，所得應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5，圖6所示。從圖5可以看出，固化輕質(zhì)吹填土隨著齡期的增加，峰值強(qiáng)度逐漸增大，60 d齡期抗壓強(qiáng)度是7 d齡期的3.7倍，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，在應(yīng)變?yōu)?.8%時(shí)達(dá)到峰值強(qiáng)度，土體開始呈現(xiàn)脆性破壞，土顆粒發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，結(jié)構(gòu)重新調(diào)整之后又達(dá)到穩(wěn)定應(yīng)力水平。圖6中齡期對(duì)未固化土體的強(qiáng)度影響不太明顯，60 d齡期抗壓強(qiáng)度僅為7 d齡期的1.2倍，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)典型的硬化特征，無屈服階段。試驗(yàn)結(jié)果說明固化后的土體在養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)的強(qiáng)度是未固化土體的7.5倍，養(yǎng)護(hù)齡期為60 d時(shí)，倍數(shù)增加到8.5倍，可知齡期對(duì)固化吹填土的強(qiáng)度影響較大。

3.2 壓縮特性分析

固化后的吹填土具有脆性材料的特性，在破壞時(shí)呈現(xiàn)突然的破裂，對(duì)土體結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)較明顯，需對(duì)土樣做側(cè)限壓縮試驗(yàn)分析其壓縮特性，固化土樣和未固化土樣仍采用密度1.31 g/cm3,w(水)=35%的條件，固化土在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7 d，14 d，28 d，60 d，未固化土不養(yǎng)護(hù)，固化土樣采用快速固結(jié)的方法，2 h加載一級(jí)荷載，未固化土樣每級(jí)荷載按照24 h加載，得到的e-p曲線如圖7所示。未固化吹填土孔隙比隨荷載增大變化較大，而隨著齡期的增加，固化吹填土的孔隙比變化越來越平緩，壓縮特性越來越小。這個(gè)過程反映了吹填土與固化劑的水化反應(yīng)在持續(xù)發(fā)生，生成的結(jié)晶逐漸填充土體孔隙，結(jié)構(gòu)越來越密實(shí)，聯(lián)結(jié)越來越強(qiáng)，孔隙內(nèi)的水越來越少。從e-p曲線的變化趨勢(shì)對(duì)比可以看出，當(dāng)齡期大于28 d，曲線變化較小，說明28 d時(shí)內(nèi)部反應(yīng)基本結(jié)束，再增加齡期對(duì)壓縮特性的影響較小。

3.3 滲透性分析

連云港吹填土屬于粉質(zhì)輕黏土，滲透性較小，因此采用變水頭法測(cè)定其滲透系數(shù)，試樣為直徑61.8 mm、高40 mm的圓柱體，變水頭計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

其中，a為變水頭管截面積，cm2；Δt為時(shí)間，s；L為滲流路徑，cm；A為試樣的斷面積，cm2；h1為開始水頭，cm；h2為終止水頭，cm。

仍然采用上述條件下的固化吹填輕質(zhì)土和未固化輕質(zhì)土樣，上述結(jié)論表明養(yǎng)護(hù)28 d 情況下，固化土體的強(qiáng)度、壓縮特性都較好，符合工程所需，因此本試驗(yàn)采用養(yǎng)護(hù)齡期為28 d。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，未固化吹填土的平均滲透系數(shù)為1.9×10-7，固化后的輕質(zhì)吹填土滲透系數(shù)除去最大最小值，平均值為4.5×10-5，經(jīng)固化的土體滲透性能較好，由于土體中的粉粒和黏粒經(jīng)固化形成結(jié)構(gòu)體系，不再隨水流流動(dòng)，不會(huì)再堵塞孔隙通道，因此具有較好的滲透性。

表3 齡期28 d滲透系數(shù)對(duì)比表

4 結(jié)論

1)分析了連云港吹填土的粒度成分、礦物成分和基本物性指標(biāo)，得出其為粉質(zhì)輕黏土，級(jí)配不良；礦物成分中原生礦物主要以石英為主，黏土礦物以伊利石和蒙脫石為主，吹填土具有較強(qiáng)的親水性；孔隙比大，天然含水量大，所以壓縮性高，抗剪強(qiáng)度低。

2)固化劑采用水泥和粉煤灰，含固定水泥的量為8%，變化含粉煤灰與發(fā)泡劑的量，對(duì)比各試樣不同齡期下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，得到固化輕質(zhì)土的最佳配比為水泥∶粉煤灰∶發(fā)泡劑=8∶3∶0.1。

3)養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化輕質(zhì)吹填土的影響較大，對(duì)未固化土體影響較小，固化土體應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)明顯應(yīng)力軟化現(xiàn)象，呈現(xiàn)脆性破壞，而未固化土體應(yīng)力應(yīng)變曲線具有明顯應(yīng)力硬化特征。

4)壓縮試驗(yàn)e-p曲線表明，隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加，固化吹填土的孔隙變化越來越小，壓縮性能得到改善，超過28 d影響趨于穩(wěn)定，固化輕質(zhì)吹填土的壓縮性較未固化土體小很多。

5)滲透試驗(yàn)結(jié)果表明固化輕質(zhì)吹填土的滲透系數(shù)較未固化土大2個(gè)數(shù)量級(jí)，經(jīng)固化土體滲透性增加，具有了預(yù)制路基材料的可能性。