海堤填筑料固結(jié)特性研究

李文斌，謝 康，周 坤，豐土根，王超然，張 箭，張福海

(1.福建省水利規(guī)劃院，福建 福州 350001；2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；3.河海大學(xué) 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心，江蘇 南京 210098)

福建省沿海海堤大多采用山土、砂性土填筑。然而沿海地區(qū)多缺乏山土、砂性土，隨著環(huán)境保護(hù)要求日益增高，從內(nèi)陸山區(qū)開采，運(yùn)輸距離遠(yuǎn)，導(dǎo)致工程造價(jià)高、工期長(zhǎng)，且為了水土保持，許多地區(qū)禁止土料開采[1]。而沿海地區(qū)海泥儲(chǔ)量豐富，適量水泥和海泥摻合形成海泥攪拌水泥(樁)土從原則上可用于海堤填筑。

在淤泥固結(jié)機(jī)理方面，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們做了很多研究，如郝斌[2]應(yīng)用 SEM-EDS-XRD 技術(shù)進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)研究，結(jié)合宏觀固結(jié)特性試驗(yàn)，確定濱海軟土微觀物理結(jié)構(gòu)與宏觀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度關(guān)系。王亮等[3]利用研制的沉積固結(jié)試驗(yàn)方法研究淤泥自重固結(jié)性質(zhì)。王洪圓等[4]對(duì)軟土的固結(jié)曲線進(jìn)行全面分析，可確定出主固結(jié)系數(shù)和次固結(jié)系數(shù)的臨界點(diǎn)。張福海等[5]分析淤泥的沉降與固結(jié)機(jī)理，采用沉降柱試驗(yàn)?zāi)M淤泥顆粒的沉降與固結(jié)過(guò)程。崔偉[6]等總結(jié)前人淤泥自重固結(jié)過(guò)程，闡述了淤泥的固結(jié)過(guò)程是淤積物的物理化學(xué)作用。本文擬通過(guò)科學(xué)試驗(yàn)等方法系統(tǒng)地研究淤泥、山土、海泥攪拌水泥(樁)土固結(jié)特性，通過(guò)對(duì)比分析得出材料固結(jié)變形的相關(guān)規(guī)律，進(jìn)而從固結(jié)變形的角度進(jìn)一步探討淤泥、山土、海泥攪拌水泥(樁)土作為海堤堤身填料的可行性。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)材料

材料采用的是從福建省瑯岐島取得的海泥，以及附近山區(qū)的山土。海泥土初始含水率高，壓縮性高；山土的含水率較低，粘性較大。試驗(yàn)所用水泥采用“鐘山牌”32.5#復(fù)合硅酸鹽水泥，水泥產(chǎn)自南京市江南水泥有限責(zé)任公司。試驗(yàn)按相應(yīng)比例分別取不同質(zhì)量的原始含水率海泥與水泥進(jìn)行摻和。將海泥和水泥按照水泥摻量為10%、15%和20%摻合在一起再裝入塑料袋中，置于養(yǎng)護(hù)室內(nèi)悶料24 h，同時(shí)所有過(guò)程應(yīng)盡快完成，防止水分蒸發(fā)。

1.2 基本物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

1.2.1 含水率試驗(yàn)

從試樣袋中取代表性海泥土樣15～30 g，放入小鋁盒內(nèi)，蓋好盒蓋保證材料含水率為現(xiàn)場(chǎng)含水率，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，用烘干法測(cè)定其在天然狀態(tài)下的含水率。溫度控制在105 ℃～110 ℃的恒溫下烘至恒量，進(jìn)行三組平行實(shí)驗(yàn)取平均值后，獲得各材料的含水率如表1。

1.2.2 密度試驗(yàn)

采用環(huán)刀法取原狀土樣，先在環(huán)刀內(nèi)壁涂一薄層凡士林，刃口向下放在土樣上，將環(huán)刀垂直下壓，并用切土刀沿環(huán)刀外側(cè)切削土樣，邊壓邊削至土樣高出環(huán)刀。根據(jù)試樣的軟硬采用鋼絲鋸或切土刀整平環(huán)刀兩端土樣，擦凈環(huán)刀外壁，稱環(huán)刀和土的總質(zhì)量，進(jìn)行三組平行實(shí)驗(yàn)取平均值后，獲得各材料的干、濕密度如表1。

1.2.3 比重試驗(yàn)

采用100 mL比重瓶利用比重瓶法測(cè)定海泥、山土、海泥攪拌水泥(樁)土的比重，進(jìn)行三組平行實(shí)驗(yàn)取平均值后，獲得各材料的比重如表1。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)

步驟一：將去除過(guò)雜物的材料按工程需要制成天然土，選擇面積為30 cm2的切土環(huán)刀，環(huán)刀內(nèi)壁涂上一薄層凡士林，刀口應(yīng)向下放在海泥和山土的天然擾動(dòng)土上，切取土樣時(shí)應(yīng)與天然狀態(tài)時(shí)垂直方向一致。

步驟二：小心邊壓邊削，注意避免環(huán)刀偏心入土，應(yīng)使整個(gè)土樣進(jìn)入環(huán)刀并凸出環(huán)刀為止，然后用鋼絲鋸或修土刀將兩端余土削去修平，擦凈環(huán)刀外壁。

步驟三：測(cè)定土樣密度，并在余土中取代表性土樣測(cè)定其含水率，然后用圓玻璃將環(huán)刀兩端蓋上，防止水分蒸發(fā)。

步驟四：在固結(jié)儀的固結(jié)容器內(nèi)裝上帶有試樣的切土環(huán)刀(刀口向下)，在土樣兩端應(yīng)貼上潔凈而潤(rùn)濕的濾紙，放上透水石，然后放入加壓導(dǎo)環(huán)和加壓板以及定向鋼球，安裝千分表。

表1 材料含水率、密度和比重Tab.1 Moisture content,density and specific gravity of materials

注：10%、15%和20%是指海泥攪拌水泥(樁)土的水泥摻量。

本次試驗(yàn)定為50、100、200、400、800 kPa(1 kPa=0.001 N/mm2)五級(jí)荷載累計(jì)數(shù)值，分三組平行試驗(yàn)平均取值。時(shí)間按照 6 s、15 s、1 min、2 min 15 s、4 min、6 min 15 s、9 min、12 min 15 s、16 min、20 min 15 s、25 min、30 min 15 s、36 min、42 min 15 s、49 min、64 min、100 min、200 min、400 min、23 h、24 h記錄千分表讀數(shù)，直至穩(wěn)定為止。所有過(guò)程應(yīng)盡快完成，防止水分蒸發(fā)。經(jīng)過(guò)普通高壓固結(jié)儀TKA-STC-3H(圖1)試驗(yàn)后，獲得不同固結(jié)壓力作用下試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 普通高壓固結(jié)儀TKA-STC-3HFig.1 Ordinary high pressure Consolidator TKA-STC-3H

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 壓縮變形分析

各材料經(jīng)過(guò)普通高壓固結(jié)儀TKA-STC-3H試驗(yàn)在各級(jí)壓力作用下固結(jié)后獲得結(jié)果如圖2。

從圖2中可以看出，在相同固結(jié)壓力作用下，隨著固結(jié)時(shí)間的增加，各材料的變形量開始段變化量增加速率大，最終變形量減小，而且在每級(jí)荷載開始的100～200 min內(nèi)就基本達(dá)到峰值。隨著固結(jié)壓力的增加，各材料的變形量的增加幅度逐漸減小，但每級(jí)固結(jié)壓力作用下達(dá)到峰值的時(shí)間基本一致。海泥的最終固結(jié)變形最大，山土最小，而海泥攪拌水泥(樁)土隨著水泥摻量的增加，最終壓縮變形逐漸減小。這是由于當(dāng)水泥與高含水率海泥充分拌和后，水泥顆粒表面的礦物很快與海泥中的水發(fā)生水解和水化反應(yīng)，經(jīng)過(guò)24 h養(yǎng)護(hù)后生成氫氧化鈣、含水硅酸鈣、含水鋁酸鈣及含水鐵酸鈣等化合物。這些化合物形成了懸浮的溶液，具有膠結(jié)作用，凝結(jié)后形成水泥土的膠結(jié)強(qiáng)度，隨著時(shí)間的進(jìn)行，水解和水化反應(yīng)越充分，膠結(jié)作用越強(qiáng)，后期變形量越小。

圖2 固結(jié)壓縮變形在各級(jí)壓力下隨時(shí)間變化曲線Fig.2 Time varying curves of consolidation compression deformation under various pressures

2.2 壓縮曲線分析

固結(jié)壓縮特性是土體性質(zhì)的重要方面，將海泥、山土以及海泥攪拌水泥(樁)土作為工程材料，必須考慮其壓縮變形特性。從工程施工的角度來(lái)看，既需要滿足固結(jié)速率快，又需要滿足相應(yīng)的壓縮性能。工程中常采用100～200 kPa壓力區(qū)間對(duì)應(yīng)的壓縮系數(shù)a1-2評(píng)價(jià)土的壓縮性，當(dāng)a1-2≤0.1 MPa-1時(shí)為低壓縮性土，0.1 MPa-10.5 MPa-1時(shí)屬于高壓縮性土。

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)得到的固結(jié)數(shù)據(jù)，得到海泥、山土以及不同水泥摻量海泥攪拌水泥(樁)土的初始孔隙比e0，并繪制各材料的e-p曲線，如圖3，得到材料的初始孔隙比見表2，材料在100～200 kPa下的壓縮系數(shù)a1-2如表3。

表2 材料的初始孔隙比Tab.2 Initial void ratios of materials

注：10%、15%和20%是指海泥攪拌水泥(樁)土的水泥摻量。

圖3 材料e-p曲線Fig.3 e-p curves of materials

從圖3中可以看出，海泥固結(jié)壓縮變形最大，初始孔隙比為1.62，800 kPa固結(jié)壓力作用24 h后，孔隙比減小了0.97。山土的固結(jié)壓縮變形最小，初始孔隙比為1.14，800 kPa固結(jié)壓力作用24 h后，孔隙比只減小了0.33。水泥摻量為10%、20%、30%的海泥攪拌水泥(樁)土從初始孔隙比分別為1.57、1.23、1.10，800 kPa固結(jié)壓力作用24 h后孔隙比依次減少了0.84、0.64、0.46。即隨著水泥摻量的逐漸增加，海泥攪拌水泥(樁)土孔隙比變化也逐漸變小。

表3 100～200 kPa固結(jié)壓力下材料的壓縮系數(shù)Tab.3 Compression coefficient of materials under consolidation pressure of 100～200 kPa

注：10%、15%和20%是指海泥攪拌水泥(樁)土的水泥摻量

從表3中可以看出，海泥的壓縮系數(shù)為1.40 MPa-1，屬于高壓縮性土；山土的壓縮系數(shù)為0.15 MPa-1，屬于中壓縮性土。水泥摻量為10%、15%、20%的海泥攪拌水泥(樁)土的壓縮系數(shù)依次是0.90、0.70、0.21 MPa-1。隨著水泥摻量的增加，海泥攪拌水泥(樁)土在100～200 kPa的壓縮系數(shù)越來(lái)越小，最終的固結(jié)壓縮變形越來(lái)越小。

2.3 固結(jié)系數(shù)分析

固結(jié)系數(shù)是反應(yīng)受側(cè)限土體在荷載作用下固結(jié)速度的一個(gè)標(biāo)量。其大小反映土固結(jié)快慢的程度，即固結(jié)系數(shù)為反映土層固結(jié)特性的參數(shù)。

Taylor根據(jù)一維固結(jié)理論分析發(fā)現(xiàn)，固結(jié)度U與時(shí)間因數(shù)的曲線在固結(jié)度U<60%時(shí)很接近拋物線，并指出在變形-時(shí)間平方根曲線中確定與U=90%相對(duì)應(yīng)的時(shí)間，由此計(jì)算固結(jié)系數(shù)。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于確定t90所需時(shí)間很短，可以減小次固結(jié)壓縮對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，方法也比較簡(jiǎn)便。其缺點(diǎn)主要是對(duì)試驗(yàn)前期沉降讀數(shù)精度要求較高，若前期沉降讀數(shù)精度低，數(shù)據(jù)點(diǎn)的離散性較大，呈非理想形狀。該壓力下固結(jié)系數(shù)：

(1)

從時(shí)間平方根法繪制的曲線可知，各材料達(dá)到90%的固結(jié)度所需要的時(shí)間。各材料達(dá)到90%固結(jié)度具體時(shí)間和固結(jié)系數(shù)如表4。

從表4中可以看出，海泥和山土達(dá)到90%固結(jié)度的固結(jié)系數(shù)大于0.02，固結(jié)速度慢。相同固結(jié)壓力條件下，三種水泥摻量為10%、15%、20%的海泥攪拌水泥(樁)土達(dá)到90%固結(jié)度的固結(jié)系數(shù)均在0.008左右，說(shuō)明三種材料經(jīng)過(guò)燜料養(yǎng)護(hù)后的固結(jié)速度相差不大。

3 結(jié)論

1)從海泥、山土以及海泥攪拌水泥(樁)土的含水率和干密度的角度來(lái)看，山土初始含水率較小，干密度也較大；海泥攪拌水泥(樁)土隨著水泥摻量的增加，初始含水率逐漸減小，干密度也逐漸增加。

2)海泥的壓縮系數(shù)大于0.5 MPa-1，屬于高壓縮性土；山土的壓縮系數(shù)在0.1 MPa-1和0.5 MPa-1之間，屬于中壓縮性土。隨著水泥摻量的增加，海泥攪拌水泥(樁)土的壓縮系數(shù)逐漸減小。水泥摻量為20%的海泥攪拌水泥(樁)土的壓縮系數(shù)最小。

3)海泥和山土達(dá)到90%固結(jié)度的固結(jié)系數(shù)均大于0.02，固結(jié)速度慢。海泥攪拌水泥(樁)土在達(dá)到90%固結(jié)度時(shí)固結(jié)系數(shù)均相差不大，即海泥攪拌水泥(樁)土固結(jié)系數(shù)的大小隨水泥摻量的變化沒(méi)有明顯的區(qū)分。

圖4 時(shí)間平方根法求t90Fig.4 Time square root method to seek t90

表4 材料達(dá)到90%固結(jié)度所需時(shí)間及固結(jié)系數(shù)Tab.4 Time and coefficient of consolidation for materials to reach 90% degree of consolidation

注：10%、15%和20%是指海泥攪拌水泥(樁)土的水泥摻量。

綜上所述，工程中常采用100～200 kPa壓力區(qū)間的壓縮系數(shù)和固結(jié)系數(shù)來(lái)衡量材料的固結(jié)壓縮性能，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析得出，當(dāng)海泥攪拌水泥(樁)土的水泥摻量為20%時(shí)，在10%、15%和20%三種水泥摻量中壓縮系數(shù)最小，固結(jié)系數(shù)為0.008，三者基本一致。故水泥摻量為20%的海泥攪拌水泥(樁)土固結(jié)變形最小，固結(jié)速度也最快，最適合作為海堤填筑材料，山土則次之。