摻入粉煤灰軟黏土的復合堿渣土力學特性探究

王元戰，孫春鵬，王 軒，陳艷萍，龔曉龍

（1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.天津港（集團）有限公司，天津 300461）

堿渣是氨堿法生產純堿時所產生的白色固體廢料，每生產1 t 純堿將會排出0.3～0.6 t 廢渣［1］.截至當前，中國多地堿廠所排放的堿渣大量堆積［2-3］，堿渣的綜合利用已經是一個重要的研究課題.

堿渣最有效的處理方法是將其用于工程填墊.根據工程實踐，用膠凝材料加固堿渣的效果遠優于原位加固［4］.眾多學者用粉煤灰、水泥、生石灰和高爐礦渣等材料對堿渣進行固化處理，使其物理力學性能得到了不同程度的提高［4-7］.此外，也有學者直接將堿渣用于軟黏土加固［8-9］.然而，眾多學者大都只考慮土體性能而忽略了經濟因素，且許多改良方案對摻入堿渣的含水率缺乏控制，同一方案中堿渣含水率的不同將導致摻入堿渣的干質量不同，進而產生不同的試驗結果，這導致試驗結論不具備可推廣性.另外，當前對于復合堿渣土的研究大多僅限于探究其基本物理力學指標，關于實際工程中的復雜工況鮮有研究.

軟黏土可取自工程場地，量大、造價低廉，是一種經濟可行的摻和材料.本文摻入粉煤灰及軟黏土對堿渣進行加固，綜合無側限抗壓強度（UCS）值及經濟指標，通過模糊評價法來確定其最優配合比.模糊評價法對經濟因素賦予權重，在保證了力學性能的同時考慮了加固成本.試驗過程中在摻合比例上嚴格采用干質量比，使試驗結果具備一定的可推廣性.針對最優配合比復合堿渣土進行了劈裂抗拉試驗以及不同固結圍壓、超固結比、固結比條件下的靜力三軸試驗和蠕變試驗，進一步探究了在復雜工況下復合堿渣土的力學特性，可以為堿渣在基礎工程中的應用提供參考.

1 試驗方案

1.1 試驗材料

堿渣取自天津港的渣坑，取樣深度為地下2～4 m，其物理特性見表1（其中ωL、IP、CC、CS分別為飽和度（質量分數，文中涉及的飽和度、液限等除特別說明外均為質量分數或質量比）、液限、塑性指數、回彈指數），化學組成見表2.

表1 堿渣的物理特性Table 1 Physical characteristics of soda residue

表2 堿渣的化學組成Table 2 Chemical composition of soda residue w/%

粉煤灰為二級粉煤灰，密度為2.55 g/cm3，堆積密度為1.12 g/cm3，其主要化學組成如表3 所示.

表3 粉煤灰的主要化學組成Table 3 Main chemical composition of fly ash w/%

軟黏土取自天津港濱海地區的軟黏土土層，其物理特性如表4 所示.其中：e為孔隙比.

表4 軟黏土的物理特性Table 4 Physical properties of soft clay

1.2 擊實試驗

根據趙獻輝等［5］和冀國棟等［6］關于粉煤灰加固堿渣的配比研究，綜合考慮經濟性與加固效果，選取5%、10%和15%（干質量比）作為粉煤灰摻量，同時設計無粉煤灰摻入的對照組.在每組粉煤灰摻量均確定的前提下，將軟黏土占堿渣與軟黏土總質量比例由0%以每組10%為梯度上升至50%.綜上，粉煤灰摻量分為4 種，堿渣與軟黏土比例為6 種，共有24種配合比，如表5 所示.

1.3 無側限抗壓試驗與劈裂抗拉試驗

依據擊實試驗得到表5 中F0-G1 至F15-G6 總計24 種復合堿渣土的最優含水率與最大干密度，以95%壓實度制備尺寸為?80.0×39.1 mm 的試樣，試樣制備完成后以標準養護條件分別養護至7、28 d.加入7 d 齡期是為了滿足施工進度需求，掌握復合堿渣土的早期強度增長.每種配合比7、28 d 齡期各準備3個平行試樣，養護至規定齡期后，通過應變式無側限壓縮儀測定其無側限抗壓強度.

表5 復合堿渣土的配比方案Table 5 Proportion scheme of composite soda residue soil

采用模糊評價法，綜合考慮各配合比條件下的無側限抗壓強度與造價成本，選出最優配合比；隨后，針對最優配合比的復合堿渣土，將其養護至28 d，通過萬能試驗機進行劈裂抗拉強度試驗.

1.4 靜力學三軸試驗

靜力學三軸試驗針對最優配合比復合堿渣土進行，試驗方案如表6所示.其中：OCR為超固結比，σc為固結圍壓，σs為剪切圍壓，K為固結比，σv0為軸向固結應力.

表6 靜力學三軸試驗方案Table 6 Static stress triaxial test scheme

1.5 靜荷載蠕變試驗

靜荷載蠕變試驗同樣針對最優配合比復合堿渣土進行，試驗方案如表7 所示，選用分級加載的方式進行試驗.采用5 級荷載的方式逐級施加，每級上部應力增量取qf/5.其中：qf為試樣靜力抗剪強度，由靜力學三軸試驗得到.

表7 靜荷載蠕變試驗方案Table 7 Static load creep test scheme

2 確定復合堿渣土的最優配合比

通過擊實試驗得到各配合比復合堿渣土的最優含水率及最大干密度，以95%壓實度及最優含水率制備無側限抗壓強度試樣，進而進行無側限抗壓強度試驗，得到表5 中 F0-G1 至F15-G6 共24 種復合堿渣土的7、28 d 無側限抗壓強度，最后通過模糊評價法，綜合考慮其7、28 d 無側限抗壓強度及固化成本，確定最優配合比.

2.1 擊實試驗結果

通過擊實試驗得到F0-G1 至F15-G6 共24 種摻入粉煤灰和軟黏土的復合堿渣土的最優含水率及最大干密度，如表8 所示.由表8 可見：隨著軟黏土、粉煤灰摻量的提高，復合堿渣土的最大干密度逐漸增加，最優含水率逐漸降低；軟黏土及粉煤灰均能起到填充孔隙和吸收水分的作用，但軟黏土的效果不及粉煤灰理想.

表8 不同配合比復合堿渣土的最優含水率與最大干密度Table 8 Optimal moisture content and maximum dry density of composite soda residue soils with different mix proportions

2.2 無側限抗壓強度試驗結果

復合堿渣土無側限抗壓強度隨粉煤灰摻量的變化如圖1 所示.由圖1 可見：復合堿渣土的無側限抗壓強度值隨著粉煤灰摻量的增加而逐漸增大；當粉煤灰摻量為15%而無軟黏土摻入時，復合堿渣土的7、28 d無側限抗壓強度分別達到169.88、206.57 kPa；在相同粉煤灰摻量情況下，軟黏土的摻量越高，復合堿渣土的無側限抗壓強度值越大；當粉煤灰摻量為15%，堿渣軟黏土比例達到1∶1 時，復合堿渣土的7、28 d 無側限抗壓強度分別達到212.07、255.37 kPa；當同時有粉煤灰與軟黏土摻入時，復合堿渣土的28 d 無側限抗壓強度值較純堿渣土樣均有70 kPa 以上的提高.由此可見，粉煤灰、軟黏土均對堿渣起到了較好的加固作用.

圖1 復合堿渣土無側限抗壓強度隨粉煤灰摻量的變化Fig.1 Unconfined compressive strength of composite soda residue soil varies with the amount of fly ash mixed

2.3 模糊評價法確定最優配合比

模糊評價法是一種能夠對受多種因素影響的事件做出全面評價的多因素決策方法，對復合堿渣土最優配合比的選取主要考慮了7、28 d 無側限抗壓強度及固化成本3 個因素.由調查可知，復合堿渣土中每加入1 kg（干質量）粉煤灰的造價成本為0.200 元，每加1 kg（干質量）軟黏土的造價成本為0.029 元.計算得到每種配合比土體每立方米的干質量值，通過配合比對應的比例，計算每種配合比對應加入的粉煤灰及軟黏土干質量，進而得到每立方米復合堿渣土的加固費用，具體見表9.

本文固化堿渣將用于工程填墊，需對固化成本進行嚴格限制，且由于在施工過程中對進度有著嚴苛要求，因此復合堿渣土7 d 強度同28 d 強度同等重要.但如若經濟因素占據權重過高，則未摻入任何粉煤灰和軟黏土的純堿渣便為最優配合比；如若力學因素占據權重過高，則加入粉煤灰和軟黏土最多的力學性質最優的復合堿渣土即為最優.參考陳永輝等［10］、李海龍等［11］和李志斌等［12］關于水泥土的研究，經濟因素往往占據0.4 的權重，2 種力學因素各占0.3 權重.因此，本文同樣將經濟因素賦予0.4的權重，7 d 無側限抗壓強度與28 d 無側限抗壓強度的權重均為0.3，綜上建立因素權重集A=（0.4，0.3，0.3）.

通過線性內插法［13］對不同配合比下復合堿渣土的各項指標進行無量綱化，得到不同配合比下固化堿渣土經濟力學指標的賦分結果，如表9 所示.

表9 不同配合比復合堿渣土經濟力學指標的賦分結果Table 9 Scoring results of economic and mechanical indexes of composite soda residue soil with different mix proportions

將各配合比賦分結果改寫為矩陣R，第1 行為造價賦分結果，第2、3 行為7、28 d 無側限抗壓強度賦分結果，即式（1）.

對7、28 d 無側限抗壓強度和固化成本進行綜合評價，即將賦分結果R與A進行線性變換即可得到由F0-G1 到F15-G6 的模糊線性變換的加權結果B，如式（2）所示.

依據模糊評價原理，分值越高說明其綜合評價效果越優良，即選擇最大分值作為最優摻量配比方案.依據式（2）結果，F10-G6 綜合得分最高，為0.604.因此，綜合考慮了經濟性及7、28 d 無側限抗壓強度后，確定F10-G6 為最優配合比.

3 最優配合比復合堿渣土的力學特性

如2.3 所述，模糊評價法確定的復合堿渣土最優配合比編號為F10-G6.其方案具體為：粉煤灰摻量為10%，軟黏土及堿渣摻量均為45%，最優含水率為33.95%，最大干密度為1.253 g/cm3.復合堿渣土劈裂抗拉試驗、抗剪特性試驗、蠕變特性試驗均針對最優配合比復合堿渣土進行.

3.1 最優配合比復合堿渣土劈裂抗拉強度

經最優配合比復合堿渣土劈裂抗拉試驗得到其劈裂抗拉強度為35.61 kPa，由2.2 可知最優配合比復合堿渣土的無側限抗壓強度為230.17 kPa，可發現抗拉強度值為抗壓強度值的0.15，稍大于Ismail 等［14］的試驗結果（0.1）.

3.2 最優配合比復合堿渣土的抗剪特性

3.2.1 固結圍壓對復合堿渣土抗剪特性的影響

不同固結圍壓條件下試樣的應力-應變（q-ε）曲線如圖2 所示.隨著固結圍壓的增大，復合堿渣土的峰值強度（qf）和峰值應變（εf）都越來越大，初始剛度（E0）和殘余強度也有了明顯提高，但曲線走勢基本保持一致.固結圍壓由100 kPa 增至200 kPa時，復合堿渣土的不排水強度增加了約75%.圖2可見：剪切破壞后的復合堿渣土出現了應變軟化，但破壞后依舊保有較大的殘余強度；同原狀堿渣相比，相同條件下復合堿渣土的不排水強度提升了約80 kPa，并且剪切曲線出現了明顯的破壞點，體現了更強的結構性.

圖2 不同固結圍壓條件下試樣的應力-應變曲線Fig.2 q-ε curves under different consolidation confining pressures of specimens

不同固結圍壓條件下試樣的剪切孔壓發展曲線由圖3 所示.由圖3 可見：

圖3 不同圍壓條件下試樣的剪切孔壓發展曲線Fig.3 Shear pore water pressure development curve under different confining pressures of specimens

（1）剪切孔壓（us）在剪切初期迅速增長，而后增速逐漸放緩，最終達到穩定狀態.隨著固結圍壓的增大，剪切孔壓的增速變大，因而穩定后的剪切孔壓也隨之升高，不同圍壓條件下剪切孔壓的發展趨勢基本一致.

（2）同原狀堿渣相比，復合堿渣土的整體孔壓數值水平減小了約50%.這是由于原狀堿渣土顆粒的骨架結構孔隙較大，而復合堿渣土改善了其孔隙大的缺點，土顆粒的排列更為緊密，孔隙比較小.因此，在荷載作用下復合堿渣土土粒骨架不易于滑動，其所能承擔的有效應力更大，分擔到孔隙水上的壓力更小.

3.2.2 超固結比對復合堿渣土抗剪特性的影響

復合堿渣土在不同超固結比條件下的應力-應變曲線如圖4 所示.由圖4 可見：

圖4 復合堿渣土在不同超固結比條件下的應力-應變曲線Fig.4 q-ε curves of composite soda residue soil under different over-consolidation ratios

（1）超固結比越大，土樣的峰值強度越小，峰值應變越小，當超固結比由1 增至6 時，其不排水強度降低了約50%.這是因為超固結比增大的同時會使剪切圍壓減小，使試樣在剪切過程中受到的約束減小，同時還會使土樣在回彈過程中吸收更多的水分，使其含水率提高，因此超固結比的提高使得土樣的不排水強度有了顯著降低.

（2）對于原狀堿渣，當超固結比從1 增大到6 時，其不排水強度減小了25%～30%［15］.同原狀堿渣相比，超固結比對復合堿渣土的影響更大.

不同超固結比條件下試樣的剪切孔壓發展曲線如圖5 所示.由圖5 可見：

圖5 不同超固結比條件下試樣的剪切孔壓發展曲線Fig.5 Shear pore water pressure development curve under different over-consolidation ratio of specimens

（1）在超固結情況下，剪切孔壓的發展同正常固結土樣相比表現出了顯著的不同.當OCR=2 時，剪切孔壓在初始階段增長后出現明顯的回落，而后開始緩慢增長，最終穩定于8 kPa 左右.當OCR=4 時，剪切孔壓在初始增長后迅速回落，剪切孔壓開始出現負值，隨后降低速率逐漸放緩，最終穩定于-14 kPa左右.當OCR=6 時，剪切孔壓值在剪切之初便開始迅速減小，隨后減小速率逐步放緩，最終穩定于-25 kPa左右.上述現象的出現主要是不同超固結比試樣在剪切過程中剪脹性發生了變化，相對于正常固結土樣，其在剪切過程中土體主要發生剪縮，土體內部自動調整，采用增大孔隙水壓力減小有效應力的方式來對抗剪縮趨勢，因此體現出了正孔壓上升的現象；當OCR=2 時，剪脹出現，剪脹同剪縮相互抵消，孔壓維持至一較低數值；當OCR=4 及當OCR=6 時，剪脹起主導作用，剪切過程中孔隙水壓力降低至負值，有效應力增加以保持土樣體積不變.

（2）復合堿渣土剪切孔壓的發展趨勢同原狀堿渣基本一致.

3.2.3 固結比對復合堿渣土抗剪特性的影響

復合堿渣土在不同固結比條件下的抗剪特性曲線如圖6 所示.由圖6 可見：隨著固結比由1.0 增大至1.8，復合堿渣土的不排水強度增大了約30%，這是由于固結比的增大使復合堿渣土在固結過程中將更多的孔隙水排出，因此在復合堿渣土固結完成后的孔隙比及含水率有所降低，土體更加密實，土體中各顆粒之間的摩擦作用增強；對于原狀堿渣，當固結比從1.0 增大到1.8 時，試樣的不排水強度增大了40%～50%［15］，同原狀堿渣相比，固結比對復合堿渣土強度的影響較小，這是由于復合堿渣土的密實程度較原狀堿渣要高得多；對于不同固結比試樣，其應力-應變曲線、孔壓發展曲線趨勢基本一致，隨著固結比的增大，剪切過程中孔壓增長同比減小，這同樣是由于偏壓固結后，土樣的孔隙比及含水率出現了進一步降低.

圖6 復合堿渣土在不同固結比條件下的抗剪特性曲線Fig.6 Shear characteristic curves of composite soda residue soil under different consolidation ratios

3.3 最優配合比復合堿渣土的蠕變特性

復合堿渣土的蠕變特性曲線如圖7 所示.由圖7可見：

圖7 復合堿渣土的蠕變特性曲線Fig.7 Creep characteristic curves of composite soda residue soil

（1）復合堿渣土在各級荷載施加的瞬間均有一瞬時彈性應變產生，而后趨于穩定，在其上部荷載達到破壞應力前，其應變隨著時間的延長而逐漸穩定.最后一級荷載施加前，復合堿渣土率先呈現衰減蠕變特征，隨后其蠕變逐漸穩定，呈現穩定蠕變特征.在最后一級荷載施加后，復合堿渣土的蠕變曲線體現出“破壞型”特征，即在荷載施加完成后試樣發生加速蠕變，在較短時間內發生破壞.在復合堿渣土試樣破壞前，其未曾出現過加速蠕變階段.

（2）以圖7（b）為例，在第1 級荷載作用下，5 h 后其軸向應變達到了0.098%，而第1 級荷載作用下其軸向應變總值為0.140%，前5 h 變形量占本級荷載應變量的70%；第2 級荷載前5 h 變形量占本級荷載應變量的72%；第3 級荷載前5 h 變形量占本級荷載應變量的77%；第4 級荷載前5 h 變形量占本級荷載應變量的78%.由此可見，在各級荷載作用下，復合堿渣土的大部分軸向應變均發生于蠕變衰減階段，蠕變穩定階段其應變趨于穩定值，變形十分有限.固結圍壓為100、200 kPa 時仍符合這一規律.

4 結論

（1）粉煤灰、軟黏土的摻入能有效降低復合堿渣土的最優含水率并提高其最大干密度，同時也能提高其無側限抗壓強度.軟黏土的摻入可以降低粉煤灰的用量.

（2）綜合7、28 d 無側限抗壓強度及固化成本，通過模糊評價法確定復合堿渣土的最優配合比為粉煤灰摻量為10%，軟黏土及堿渣摻量均為45%的方案.

（3）最優配合比復合堿渣土劈裂抗拉強度與無側限抗壓強度的比值為0.15.

（4）不同固結應力條件、應力歷史會顯著影響復合堿渣土的強度特性.固結圍壓（σc）由100 kPa 增至200 kPa 時，復合堿渣土的不排水強度增加了約75%.當超固結比（OCR）由1 增至6 時，其不排水強度降低約50%.當固結比（K）由1.0 增至1.8 時，其不排水強度增加約30%.相較原狀堿渣，超固結比對復合堿渣土的影響更大，固結比則對其影響較小.

（5）隨著σc的提高，復合堿渣土的剪切孔壓（us）增速變大，穩定后的us也隨之升高，但整體數值較原狀堿渣小約50%.OCR 會對復合堿渣土的剪脹性產生顯著影響，K的改變不會影響us的變化趨勢，但會使其數值同比變小.

（6）當上部荷載小于抗剪強度時，復合堿渣土呈現先衰減蠕變后穩定的蠕變特征，在此階段試樣的軸向應變極小且大多發生于荷載施加的前5 h；當上部荷載達到抗剪強度時，試樣進入加速蠕變狀態，在較短時間內即發生破壞.