不同加載速率下堿渣K0固結(jié)試驗(yàn)研究

王 歡，程 鵬，紀(jì)文棟，劉曉強(qiáng)

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室水工構(gòu)造物檢測(cè)診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456；2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安710075）

不同加載速率下堿渣K0固結(jié)試驗(yàn)研究

王 歡1，程 鵬2，紀(jì)文棟1，劉曉強(qiáng)1

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室水工構(gòu)造物檢測(cè)診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456；2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安710075）

以天津堿廠堿渣為研究對(duì)象，進(jìn)行不同加載速率連續(xù)加載方式下完全側(cè)限K0固結(jié)試驗(yàn)，研究連續(xù)加載條件下K0固結(jié)過(guò)程中堿渣的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明：加載速率越高，堿渣結(jié)構(gòu)瞬間的破壞程度越大，產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)酱螅虞d速率對(duì)初期的沉降和穩(wěn)定性有明顯的影響。不同加載速率下相同的應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變不同，軸向應(yīng)力加載速率越大，應(yīng)變?cè)酱螅虞d階段完成大部分變形。在軸壓作用下孔壓上升很快且接近軸壓值，試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生超靜孔隙水壓力。試驗(yàn)初期，加載速率越大，固結(jié)速度越快，排水量越多，穩(wěn)壓階段不同加載速率的固結(jié)速度比較接近。堿渣表面附著強(qiáng)結(jié)合水，受顆粒表面引力的控制，堿渣彈性強(qiáng)，黏性高，具有較強(qiáng)的親水性。

堿渣；加載速率；K0固結(jié)；試驗(yàn)研究

純堿是重要的基本工業(yè)原料，純堿工業(yè)是我國(guó)基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。氨堿法是我國(guó)生產(chǎn)純堿的主要方法，氨堿法生產(chǎn)純堿的最大缺點(diǎn)是蒸氨工藝流程中會(huì)產(chǎn)生大量廢棄物即堿渣，我國(guó)氨堿法制堿每年可達(dá)300萬(wàn)t，每年產(chǎn)生廢液約3 000萬(wàn)m3，堿渣近300萬(wàn)t［1］。排放的廢渣一般采用地表堆積的處理方式，天津堿廠自投產(chǎn)至今，大量排放的堿渣已經(jīng)形成了堆積高度達(dá)到數(shù)米的堿渣山（圖1）。堿渣占地面積大，方量多，堆積的堿渣占用了天津港的大片土地，給天津港的規(guī)劃和發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重影響，且露天堆放，極易起塵，對(duì)周?chē)沫h(huán)境也造成了影響，河流不同程度的污染，影響周?chē)罕姷纳?，可?jiàn)堿渣的堆積不僅浪費(fèi)土地而且破壞生態(tài)平衡，在種種問(wèn)題的推動(dòng)下，有效合理的解決堿渣堆積問(wèn)題是刻不容緩的。

圖1 堿渣堆積及現(xiàn)場(chǎng)情況Fig.1Accumulated soda residue and scene situation

目前天津港采用近挖坑深填埋結(jié)合真空預(yù)壓處理及表面堿渣中摻粉煤灰、活性強(qiáng)化劑拌制工程土的聯(lián)合治理措施［2］。但是堿渣用作地基與基礎(chǔ)的理論和經(jīng)驗(yàn)不足，還需要對(duì)堿渣的性質(zhì)進(jìn)行深入研究，目前開(kāi)展的堿渣試驗(yàn)多側(cè)重于研究堿渣的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性狀的研究，如候晉芳、劉愛(ài)民、閆澍旺［3］開(kāi)展的堿渣制工程土的微觀結(jié)構(gòu)及巖土工程特性研究，趙洪亮［4］提出的堿渣土工程特性的試驗(yàn)等，而針對(duì)純堿渣地基變形特性及時(shí)間效應(yīng)的研究比較少。

本文主要基于英國(guó)GDS公司生產(chǎn)的固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)堿渣進(jìn)行不同加載速率下連續(xù)加載方式的K0固結(jié)試驗(yàn)，研究堿渣K0固結(jié)過(guò)程中變形特性及加載速率的影響，研究結(jié)果可以為堿渣地基的處理應(yīng)用提供幫助。

1 堿渣的基本特性

1.1堿渣的組成成分

堿渣的化學(xué)成分包括碳酸鈣、硫酸鈣、氯化鈣等鈣鹽，鋁、鐵、硅的氧化物，以及氯化鈣、氯化鈉等易溶于水的氯化物，同時(shí)含有少量的二氧化硫等成份。堿渣中易溶鹽化學(xué)分析表明堿渣的溶液偏堿性，PH值在10左右，由于堿性作用，堿渣在潮濕環(huán)境中對(duì)鋼筋混凝土不會(huì)造成腐蝕，但是其含鹽量較高，對(duì)環(huán)境會(huì)造成影響，之前學(xué)者已經(jīng)總結(jié)其化學(xué)成分含量檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1［3］。

表1 干堿渣的組成成分Tab.1Content of dry soda residue

1.2堿渣的物理力學(xué)指標(biāo)

與天然土類(lèi)似，堿渣也是三項(xiàng)體，三項(xiàng)組成中重量和體積的比例關(guān)系可用一系列的物理指標(biāo)反映，很多學(xué)者已經(jīng)通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)了堿渣的物理力學(xué)參數(shù)（表2）［5］。

表2 堿渣的物理力學(xué)指標(biāo)Tab.2Physico?mechanical indices of soda residue

2 堿渣K0固結(jié)試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用英國(guó)GDS公司生產(chǎn)的固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)（圖2），系統(tǒng)控制器精度高于0.1％，所有測(cè)量值的分辨率都小于0.1％全量程。

圖2 試驗(yàn)儀器Fig.2Test instrument

GDS固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)是通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)控制的，包括數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工作單位，以及按照?qǐng)D形和數(shù)字格式處理數(shù)據(jù)。采用Rowe&Barden型液壓固結(jié)壓力室，并結(jié)合Bishop和Skinner′s浮動(dòng)環(huán)的特性。壓力室通過(guò)2個(gè)GDS壓力控制器與計(jì)算機(jī)連接，這兩個(gè)控制器一個(gè)控制軸向應(yīng)力，另一個(gè)控制反壓。另外選擇外置傳感器測(cè)量孔隙水壓力和軸向變形。

2.2試驗(yàn)方案

試樣為天津港現(xiàn)場(chǎng)取來(lái)的堿渣，堿渣的含水率為190％，試驗(yàn)用試樣質(zhì)量130.5 g，試樣規(guī)格直徑79.2 mm，高20 mm（圖3）。將樣品環(huán)護(hù)圈與壓力室底座固定，多孔圓盤(pán)放置在底座上，將環(huán)刀放于環(huán)刀夾內(nèi)部放置在多孔圓盤(pán)上，在環(huán)刀上部邊緣放置一個(gè)密封圈，將壓力室頂蓋放置于試樣上方并與底座固定，通過(guò)反壓控制器與軸壓控制器充出底座與頂部橡膠袋內(nèi)部的氣體，反壓、軸壓、孔壓、軸向位移清零。

圖3 試驗(yàn)試樣Fig.3Specimen

試驗(yàn)方案是在完全側(cè)限條件下通過(guò)軸向液壓水袋的作用分別在5、10、15、30 min不同的時(shí)間內(nèi)使軸向壓力由0 kPa連續(xù)增加到400 kPa（表3），之后保持穩(wěn)壓不變繼續(xù)進(jìn)行固結(jié)，以觀察不同加載速率對(duì)堿渣K0固結(jié)排水試驗(yàn)效果的影響，此試驗(yàn)結(jié)果用于不同施工速率地基沉降及排水固結(jié)特性的分析。

表3 試驗(yàn)方案Tab.3Experiment scheme

2.3試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)中通過(guò)各種傳感器與軟件自動(dòng)量測(cè)記錄K0固結(jié)過(guò)程中應(yīng)力、應(yīng)變、孔壓等隨時(shí)間的變化過(guò)程；圖4～圖9給出不同連續(xù)加載速率下試樣K0固結(jié)效果，圖中不同的虛實(shí)線分別代表不同加載速率下的固結(jié)曲線。

圖4為本次試驗(yàn)的連續(xù)加載曲線，斜線部分為加載階段，軸力由0 kPa加載到400 kPa，根據(jù)加載時(shí)間的設(shè)定不同此過(guò)程中軸力的加載速率分別為80 kPa/min、40 kPa/min、26.67 kPa/min、13.33 kPa/min；直線部分為穩(wěn)壓階段，即軸壓達(dá)到400 kPa后保持該壓力不變的固結(jié)過(guò)程。

柑橘產(chǎn)量與氣溫、降水量呈顯著正相關(guān)；與日照時(shí)數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)。需要加強(qiáng)研究柑橘各發(fā)育期氣象因子與柑橘產(chǎn)量的關(guān)系，掌握柑橘生長(zhǎng)發(fā)育期對(duì)氣溫、降水、日照的需求，有效利用氣象條件，防范氣象災(zāi)害，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，加強(qiáng)果園管理，提高柑橘產(chǎn)量與品質(zhì)。

圖4 加載過(guò)程Fig.4Loading process

圖5 應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系Fig.5Relationship between strain and time

圖6 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.6Relationship between stress and strain

圖7 軸壓作用下孔壓變化過(guò)程線Fig.7Variation of pore pressure under the action of axial stress

2.3.1應(yīng)變-時(shí)間分析

圖5為應(yīng)變-時(shí)間曲線，加載速率不同使堿渣的結(jié)構(gòu)受到不同程度的擾動(dòng)，加載速率越高，對(duì)堿渣結(jié)構(gòu)瞬間的破壞程度越大，由曲線可以看出不同加載速率下，加載速率越快，應(yīng)變?cè)酱?，?yīng)變隨加載速率的增加呈上升趨勢(shì)。

堿渣與一般的材料不同，含水率很高，在加載的過(guò)程中試樣的孔隙比、顆粒排序變化較大，從而使試樣變形引發(fā)沉降，堿渣地基早期的沉降比一般的地基要快、沉降量要大。試樣的強(qiáng)度隨加載速率的大小也會(huì)改變，加載速率越大，試樣強(qiáng)度越大?？梢?jiàn)加載速率對(duì)應(yīng)變即施工過(guò)程中初期的沉降和穩(wěn)定性有明顯的影響，施工速度越快，沉降越快，初期的變形是整體變形中最快，也最不穩(wěn)定的，因此為了預(yù)測(cè)地基早期的和工后沉降，有效的控制施工質(zhì)量，嚴(yán)格把握施工速度是非常重要的。

2.3.2應(yīng)力-應(yīng)變特性分析

應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系受含水率、密度、應(yīng)力路徑等諸多因素影響，試驗(yàn)中堿渣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系體現(xiàn)了加載方式對(duì)堿渣原結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的綜合影響。

圖6給出了4種不同加載速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從圖6中可以看出4條曲線的形狀趨勢(shì)相似，但是前3種加載速度下的曲線有明顯峰值，速度較低的比較平緩，這是由于堿渣的靈敏度較高，加載速率越快，對(duì)堿渣結(jié)構(gòu)瞬間的破壞程度越大，對(duì)堿渣的影響比較明顯，而緩慢的加載速度使堿渣的變形比較平緩。

曲線還可以看出不同加載速率下相同的應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變不同，在主要加載階段隨著軸向應(yīng)力的增大而迅速增大，軸向應(yīng)力加載速率越大，相同的應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)酱?，直至軸向應(yīng)力達(dá)到設(shè)定值保持不變，軸向變形趨于平穩(wěn)增加，這是因?yàn)閴A渣含水率高、飽和度高，孔隙比大，加載的初始階段軸向應(yīng)力增大，堿渣迅速排水，孔隙比減小，內(nèi)部顆粒重組，應(yīng)變不斷增大，隨著堿渣有效應(yīng)力增大，強(qiáng)度慢慢增強(qiáng)，軸向應(yīng)力增加，應(yīng)變?cè)黾?，直到趨于平穩(wěn)，且大部分的變形在加載階段已經(jīng)完成，所以施工過(guò)程中要實(shí)時(shí)觀測(cè)地基穩(wěn)定問(wèn)題及工后緩慢沉降問(wèn)題。

試樣在不完全飽和情況下，孔壓值會(huì)低于軸壓值很多，飽和度越高，孔壓值越接近軸壓值［6］，為了解軸壓作用下孔壓的變化過(guò)程，整理數(shù)據(jù)繪制孔壓-時(shí)間變化曲線如圖7所示。

由圖7可見(jiàn)，孔壓隨著軸壓的加載過(guò)程逐漸增長(zhǎng)，不同軸壓加載速率下孔壓的上升速度不同，加載速率越快，孔壓上升越快，峰值越接近軸壓目標(biāo)值，試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，穩(wěn)壓后測(cè)得的孔壓在軸壓的80％以上?？讐簻髸r(shí)間很短，一方面是因?yàn)樵嚇优c儀器側(cè)壁的摩擦力很小，另一方面與試樣的高飽和度有關(guān)［6］，堿渣的含水率接近200％，且飽和度高，堿渣顆粒間接觸少，呈懸浮狀態(tài)，軸力加載使水體受壓導(dǎo)致孔隙水壓力上升［7］，堿渣飽和度越高孔壓滯后越短越接近軸壓。在之后的穩(wěn)壓過(guò)程中，孔壓以緩慢的速度下降，堿渣顆粒間的接觸面積慢慢變大，骨架形成變密實(shí)，承載能力慢慢變強(qiáng)。

2.3.4排水情況分析

飽和堿渣是高靈敏度土，加載速率不同使堿渣結(jié)構(gòu)受到不同的擾動(dòng)。圖8為不同加載率度下排水量與時(shí)間的關(guān)系，結(jié)合應(yīng)變-時(shí)間分析，試驗(yàn)表明試驗(yàn)初期排水量和固結(jié)速度與加載速率有很大影響，加載階段加載速率越大，固結(jié)速度越大（排水曲線斜率）［5］，排水量越多，穩(wěn)壓階段不同加載速率的固結(jié)速度比較接近。

圖8 排水量-時(shí)間關(guān)系Fig.8Relationship between drainage and time

試驗(yàn)前測(cè)得試樣的質(zhì)量為130.5 g，根據(jù)含水率與常溫下水的密度的關(guān)系可以計(jì)算出水的體積約為85 500 mm3。圖9為一個(gè)排水較快的試樣固結(jié)24 h以后的排水-時(shí)間曲線，可以看到初期的排水比較迅速，后期排水比較平穩(wěn)，曲線表明試樣排水趨于平穩(wěn)，最終排水量只占試樣中水的體積的60％，這是因?yàn)閴A渣中還有一部分被堿渣顆粒表面吸附著的強(qiáng)結(jié)合水，它受顆粒表面引力的控制，彈性強(qiáng)，黏性高，不容易受外力影響，性質(zhì)比較穩(wěn)定，同時(shí)堿渣本身具有很強(qiáng)的親水性，堿渣的這些特征在工程應(yīng)用中要加以重視。

圖9 穩(wěn)定排水量Fig.9Steady drainage

3 結(jié)論

本文通過(guò)微觀分析與宏觀試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)天津堿廠堿渣進(jìn)行基本物理性質(zhì)分析，利用GDS固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行K0固結(jié)試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）飽和堿渣結(jié)構(gòu)性很強(qiáng)，靈敏度高，加載速率越快，對(duì)堿渣結(jié)構(gòu)瞬間的破壞程度越大，產(chǎn)生的沉降越大，加載階段對(duì)初期的沉降和穩(wěn)定性有明顯的影響，施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況需要控制施工速度。

（2）不同加載速率下相同的應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變不同，軸向應(yīng)力加載速率越大，相同的應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)酱?，穩(wěn)壓后軸向應(yīng)變比較平穩(wěn)，加載階段完成大部分變形。

（3）孔壓滯后時(shí)間很短，試驗(yàn)過(guò)程中有產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，孔壓可以達(dá)到軸壓的80％以上，堿渣是高飽和度、高含水率材料。

（4）試驗(yàn)初期排水量和固結(jié)速度與加載速率有關(guān)，加載速率越快，固結(jié)速度越快，排水量越多，穩(wěn)壓階段不同加載速率的固結(jié)速度比較接近。

（5）堿渣表面附著強(qiáng)結(jié)合水，受顆粒表面引力的控制，堿渣彈性強(qiáng)，黏性高，具有較強(qiáng)的親水性。

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Study on K0consolidation of soda residue with different loading rates

WANG Huan1,CHENG Peng2,JI Wen?dong1,LIU Xiao?qiang1
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Harbor&Marine Structure Safety，Ministry of Transport,Tianjin 300456,China;2.CCCC First Highway Consultants Co.,Ltd.,Xi′an 710075,China）

Taking soda residue of Tianjin port as the study subject,the K0consolidation test under continuous loading with different rates and complete side was carried out to study the influence of loading rate to soda residue on K0consolidation.The test results show that:the higher the loading rate,the greater the extent of damage to struc?tures,the bigger the strain,and loading rate has obvious influence on the early subsidence and stability.The strain is different with the same stress under different loading rates.The higher the axial stress rate,the bigger the strain. The most of deformation is in the loading stage.The pore pressure rises quickly and is close to the axial pressure, and excess pore water pressure exists in the test.At the beginning of the test,the higher the loading rate,the faster the consolidation rate,the more the drainage,in steady stage,consolidation velocity of different loading rates is simi?lar.The strongly bound water is attached to the surface of the soda residue.The soda residue has high viscosity, strong elasticity and hydrophilicity due to the attraction.

soda residue;loading rate;K0consolidation;experimental study

X 705

A

1005-8443（2016）02-0193-05

2015-03-30；

2015-12-18

王歡(1984-)，女，天津市人，工程師，主要從事巖土室內(nèi)試驗(yàn)工作。

Biography：WANG Huan（1984-），female，engineer.