現(xiàn)場(chǎng)條件下水泥土劣化試驗(yàn)及劣化深度預(yù)測(cè)

楊俊杰，董猛榮，孫 濤，閆 楠，尚金瑞

（1.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.中國(guó)海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；3.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；4.日照港集團(tuán)，山東 日照 276808）

現(xiàn)場(chǎng)條件下水泥土劣化試驗(yàn)及劣化深度預(yù)測(cè)

楊俊杰1，2，董猛榮1，2，孫 濤3，閆 楠1，2，尚金瑞4

（1.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.中國(guó)海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；3.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；4.日照港集團(tuán)，山東 日照 276808）

加固體的劣化可分為加固體在非腐蝕場(chǎng)地形成后由于場(chǎng)地受到污染而發(fā)生的劣化問(wèn)題和在腐蝕場(chǎng)地形成的加固體的劣化問(wèn)題。針對(duì)后者，采用現(xiàn)場(chǎng)取土、室內(nèi)制備加固體試樣、現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)的方法，模擬在腐蝕場(chǎng)地形成加固體的過(guò)程，埋設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)的加固體在腐蝕介質(zhì)及水動(dòng)力、溫度和潮汐等外界因素共同作用下將發(fā)生劣化。將水泥土試樣埋設(shè)在濱海場(chǎng)地長(zhǎng)達(dá)3.5年，并實(shí)施微型貫入試驗(yàn)和化學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，劣化引起的強(qiáng)度降低滯后于其化學(xué)反應(yīng)；水泥摻入比越小、埋設(shè)時(shí)間越長(zhǎng)，水泥土劣化越嚴(yán)重；本試驗(yàn)條件下，水泥摻入比15%的水泥土1年、2.5年和3.5年的劣化深度分別達(dá)到了3.5、5.8和7.6 mm?；谠囼?yàn)結(jié)果提出了水泥土劣化深度預(yù)測(cè)式。

海相軟土；水泥土；微型貫入試驗(yàn)；劣化；劣化深度預(yù)測(cè)

1 研究背景

長(zhǎng)期處于海水［1-2］、鹽漬土［3］和污染環(huán)境［4-6］等腐蝕地基中的水泥土等加固體，會(huì)不可避免地發(fā)生強(qiáng)度降低、滲透性增大的劣化現(xiàn)象。筆者根據(jù)工程背景，將加固體的劣化問(wèn)題分成兩類并提出了相應(yīng)的室內(nèi)模擬方法［7］。

圖1 劣化問(wèn)題的分類及其研究思路［7］

在非腐蝕場(chǎng)地形成一段時(shí)間的加固體，因場(chǎng)地受到污染或海水入侵、鹽漬化而發(fā)生的劣化問(wèn)題屬于第一類，如圖1左側(cè)所示，對(duì)于這類劣化問(wèn)題，可采用先標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間再將加固體與腐蝕環(huán)境接觸的方式進(jìn)行模擬。目前的劣化研究基本上屬于第一類。

在污染場(chǎng)地、濱海及鹽漬化場(chǎng)地等腐蝕場(chǎng)地形成的加固體，其形成強(qiáng)度的同時(shí)即受到腐蝕介質(zhì)的侵蝕，這類劣化問(wèn)題屬于第二類，如圖1右側(cè)所示。室內(nèi)模擬研究第二類劣化問(wèn)題的關(guān)鍵，是使加固體頂面在形成后立即與腐蝕環(huán)境接觸。此時(shí)，由于加固體不能自立，而且養(yǎng)護(hù)（本文所提即置于腐蝕介質(zhì)中劣化）后實(shí)施的是貫入試驗(yàn)，所以在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中和貫入試驗(yàn)時(shí)均不需脫模。室內(nèi)制樣后可埋設(shè)于原土進(jìn)行室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，或埋設(shè)于水動(dòng)力、溫度和潮汐等因素共同作用的現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地進(jìn)行養(yǎng)護(hù)［8］。因此，養(yǎng)護(hù)時(shí)間即埋設(shè)時(shí)間或劣化時(shí)間。

本文采用現(xiàn)場(chǎng)取土、室內(nèi)制備水泥土試樣、現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)的方法，模擬在腐蝕場(chǎng)地形成水泥土的過(guò)程，研究水泥土試樣在海相軟土及水動(dòng)力、溫度和潮汐等外界因素共同作用下的劣化過(guò)程，并提出水泥土劣化深度預(yù)測(cè)計(jì)算公式。

2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示。

（1）試驗(yàn)用土取自山東日照嵐山港圍海造陸形成的淤泥區(qū)，測(cè)得原土pH值為8.20?；倦x子成分：Mg2+=303.9 mg/L，Ca2+=714.0 mg/L，Cl-=12407.5 mg/L，SO42-=2401.5 mg/L，3051.0 mg/L，總礦化度為26287.4 mg/L。原土密度2.66 g/cm3，天然含水量73.6%，塑限28.7%，液限50.3%。

（2）固化劑采用42.5普通硅酸鹽水泥。分別以7%、10%、15%及20%的水泥摻入比（水泥與原土的重量之比）制作水泥土試樣。試樣筒為有效直徑110 mm、高度145 mm的塑料燒杯。將水泥和原土混合并攪拌均勻后裝入試樣筒，刮平表面。在裝入水泥土的過(guò)程中盡可能避免混入空氣，整個(gè)過(guò)程在5 min內(nèi)完成。

（3）水泥土試樣制備完成后，立即將原土覆蓋在水泥土試樣敞開(kāi)部位，然后運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行埋設(shè)。

（4）現(xiàn)場(chǎng)掩埋區(qū)為潮汐作用區(qū)，高潮時(shí)水深0.8 m，落潮后地面則露出水面。水泥土試樣頂面距離地表面（埋設(shè)深度）約為0.4 m。

（5）現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地養(yǎng)護(hù)時(shí)間（埋設(shè)時(shí)間）分別為28、60、90、180、360、900和1260 d。根據(jù)埋設(shè)坐標(biāo)，取出達(dá)到齡期的試樣。

（6）實(shí)施微型貫入試驗(yàn)。探頭直徑3.4 mm，每一個(gè)試樣在等距離的三點(diǎn)進(jìn)行貫入試驗(yàn)，貫入點(diǎn)與貫入點(diǎn)、貫入點(diǎn)與內(nèi)壁的距離均為24.9 mm。

（7）化學(xué)成分分析。

圖2 試驗(yàn)過(guò)程

3 水泥土劣化特性

圖3為不同水泥摻入比、不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的水泥土試樣的貫入阻力與貫入深度的關(guān)系曲線，其中，部分試樣因遺失沒(méi)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)。相同試驗(yàn)條件的試樣各有3條貫入曲線。

由圖3可見(jiàn)，開(kāi)始時(shí)貫入阻力幾乎為零且隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)這種趨勢(shì)越明顯，貫入阻力為零可認(rèn)為水泥土發(fā)生了劣化。但是貫入到某一深度后，曲線開(kāi)始出現(xiàn)拐點(diǎn)，貫入阻力隨著貫入深度直線增加，之后再次出現(xiàn)拐點(diǎn)，貫入阻力隨著貫入深度而緩慢增加，可認(rèn)為此時(shí)強(qiáng)度為未劣化水泥土強(qiáng)度，視為水泥土的固化強(qiáng)度。同一養(yǎng)護(hù)時(shí)間的水泥土，其水泥摻入比越大，固化強(qiáng)度越高。

筆者根據(jù)劣化及未劣化試樣貫入阻力曲線特征定義了劣化深度（如圖4所示）［7，9］，劣化層包括貫入阻力為零的完全劣化層（深度為D1）和劣化過(guò)渡層（深度為D2），劣化層的深度D即為劣化深度。

圖3 貫入阻力與貫入深度關(guān)系曲線

圖5 為劣化深度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間及水泥摻入比的關(guān)系。本試驗(yàn)條件下，水泥摻入比15%水泥土的劣化深度隨現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間而增大，360、900和1260 d的劣化深度分別達(dá)到了3.5、5.8和7.6 mm。相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間水泥摻入比越小劣化深度越深，摻入比7%的水泥土由于強(qiáng)度低導(dǎo)致劣化較快。

針對(duì)養(yǎng)護(hù)1260 d的水泥土，在微型貫入試驗(yàn)結(jié)束后，從試樣表面開(kāi)始，分別切取0～5、5～10、10～15、15～20和20～25 mm各深度處水泥土，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—1999），分別測(cè)試Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-含量，其結(jié)果如圖6所示，圖中虛線表示劣化深度。由圖6可見(jiàn)，隨著深度的增加，Mg2+、Cl-、SO42-含量逐漸減少，而Ca2+含量逐漸增加，說(shuō)明劣化會(huì)導(dǎo)致Ca2+溶出，Ca2+的溶出是水泥土劣化的標(biāo)志。Ca2+與Mg2+濃度從15-20 mm處到10-15 mm處變化明顯，說(shuō)明在10-15mm處依然存在化學(xué)反應(yīng)，而微型貫入試驗(yàn)得到的劣化深度僅為7.6 mm，因此可認(rèn)為劣化引起的強(qiáng)度降低滯后于其化學(xué)反應(yīng)。

圖4 由貫入阻力曲線定義的劣化深度［7，9］

圖5 不同水泥摻入比下劣化深度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間關(guān)系曲線

圖6 離子含量隨深度分布曲線

4 水泥土長(zhǎng)期劣化深度預(yù)測(cè)

式中：D為劣化深度，mm；t為劣化時(shí)間，年；A、B為常數(shù)。

Ikegami等［10］和Hayashi等［11-12］取A為1年的劣化深度（mm），取B 為0.5。因此，只要給出1年的劣化深度，即可預(yù)測(cè)水泥土長(zhǎng)期劣化深度。Hara等［13］同樣取B為0.5，但未給出A的物理意義，需通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合確定，因此，無(wú)法利用該式進(jìn)行預(yù)測(cè)。

閆楠［14］提出了原土養(yǎng)護(hù)條件下的指數(shù)函數(shù)預(yù)測(cè)式：

式中：a、b、c為常數(shù)。

還有學(xué)者采用對(duì)數(shù)函數(shù)預(yù)測(cè)水泥土長(zhǎng)期強(qiáng)度。

Miao［15］提出的對(duì)數(shù)函數(shù)式：

目前，很多學(xué)者基于室內(nèi)試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，提出了不同的水泥土劣化深度預(yù)測(cè)式。有的學(xué)者采用指數(shù)函數(shù)預(yù)測(cè)式：

式中：a為由水泥土初始條件決定的常數(shù)；b為由海水濃度決定的變量。

閆楠［14］針對(duì)海水養(yǎng)護(hù)條件下提出了對(duì)數(shù)函數(shù)預(yù)測(cè)式：

式中：a、b為與水泥土摻入比相關(guān)的常數(shù)。

閆楠和Miao預(yù)測(cè)式中的參數(shù)確定方法針對(duì)性較強(qiáng)，使用時(shí)存在一定的不確定性。

綜上所述，Ikegami等和Hayashi等提出的預(yù)測(cè)式具有預(yù)測(cè)功能，但其需要已知待預(yù)測(cè)水泥土1年的劣化深度，時(shí)間較長(zhǎng)，因此，本文提出根據(jù)90d劣化深度推測(cè)長(zhǎng)期劣化深度的預(yù)測(cè)式：

式中：D為水泥土劣化深度，mm；D90為90d劣化深度，mm；t為劣化時(shí)間；A為待定常數(shù)。

圖7為Ikegami等［10］、Hayashi等［11-12］和本文的預(yù)測(cè)結(jié)果及本文試驗(yàn)結(jié)果。其中式（5）中的待定常數(shù)A分別取0.5和0.7。由圖7可見(jiàn)，Ikegami等和Hayashi等的預(yù)測(cè)結(jié)果（R2=0.9697）通過(guò)360d（1年）的數(shù)據(jù)點(diǎn)，長(zhǎng)期預(yù)測(cè)結(jié)果略微偏小。本文的預(yù)測(cè)結(jié)果通過(guò)90d的數(shù)據(jù)點(diǎn)，當(dāng)待定常數(shù)A取0.7時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，R2為0.9945；當(dāng)待定常數(shù)A取0.5時(shí)，與Ikegami等和Hayashi等取相同值時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較大，R2僅為0.8603，說(shuō)明A的取值對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果影響敏感。但是，根據(jù)多數(shù)學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)果，取A為0.5，本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)雖少，但是劣化時(shí)間長(zhǎng)，達(dá)到3.5年（1260d）。因此，建議A的取值范圍為0.5～0.7。

圖7 劣化深度預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)腐蝕場(chǎng)地形成的加固體的劣化問(wèn)題，提出現(xiàn)場(chǎng)取土、室內(nèi)制備加固體試樣、現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)的方法，模擬在腐蝕場(chǎng)地形成加固體的過(guò)程，研究了水泥土試樣在海相軟土及水動(dòng)力、溫度和潮汐等外界因素共同作用下的劣化過(guò)程，并提出水泥土劣化深度預(yù)測(cè)式。本文得出如下結(jié)論：（1）水泥摻入比越小、養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，水泥土劣化越嚴(yán)重。水泥摻入比為15%的水泥土試樣，養(yǎng)護(hù)3.5年時(shí)劣化深度達(dá)7.6 mm。（2）在水泥土試樣中化學(xué)反應(yīng)先于劣化。（3）提出水泥土長(zhǎng)期劣化深度預(yù)測(cè)式只需知道水泥土90 d劣化深度D90，利用建議的常數(shù)A取值范圍（0.5～0.7），即可預(yù)測(cè)該種水泥土長(zhǎng)期劣化深度。

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［15］ MIAO Jiali.Evaluation on long term durability of cement stabilized soils under seawater environment［D］.Fukuo?ka：Kyushu University，2013.

Abstract：The deterioration of the reinforced structure can be classified into the deterioration problem due to site pollution after the reinforced structure is formed in the non-corrosive site and the deterioration prob?lem that the reinforced structure is formed in the corrosive site.Aiming at the latter，the method of taking soil from site，preparing reinforced structure in door，and burying reinforced structure in site is implement?ed.Reinforced structure buried in site will be deteriorated under the influence of corrosive media and the external factors such as hydrodynamic force，temperature and tide.The micro-penetration test and chemical tests of the cement soil samples buried in the coastal site for 3.5 years are conducted.The results show that the decrease of strength caused by deterioration lags behind its chemical reaction and the deterioration of cement soil are more serious under the condition of less cement ratio and longer buried time.Under the experimental conditions，the degradation depth of cement sample whose cement ratio is15% reached 3.5mm，5.8mm and 7.6mm after1year，2.5 years and 3.5 years respectively.Based on the experimental results，the prediction formula of degradation depth of cement soil is put forward.

Keywords：marine soft soil；cement soil；micro penetration test；degradation；degradation depth prediction

（責(zé)任編輯：王冰偉）

Test of cement soil degradation under in-suit conditions and degradation depth prediction

YANG Junjie1，2，DONG Mengrong1，2，SUN Tao3，YAN Nan1，2，SHANG Jinrui4
（1.Key Laboratory of Marine Environment and Ecology，Ministry of Education，Qingdao 266100，China；2.College of Environmental Science and engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；3.College of Earth Science and Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；4.Rizhao Port Group，Rizhao 276808，China）

TV431

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.04.009

1672-3031（2017）04-0297-06

2017-06-15

楊俊杰（1962-），男，陜西西安人，博士，教授，主要從事巖土工程研究。E-mail：jjyang@ouc.edu.cn

孫濤（1972-），男，山東高密人，博士，研究員，主要從事生態(tài)邊坡、樁基礎(chǔ)研究。E-mail：sunystao@qq.com