天津地區(qū)軟土固化及承載特性試驗(yàn)研究

胡 寧，王進(jìn)城，劉 洋，劉曉強(qiáng)，張宇亭

(1.中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029； 3.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口增長，人類對城市土地資源的需求也在不斷提高，圍海造地是人類開發(fā)利用海洋資源的重要方式，是拓展生存和生產(chǎn)空間的重要手段。不僅可以充分利用海洋的空間資源，緩解人地矛盾，是沿海城市發(fā)展的重要選擇之一[1]。吹填區(qū)大量采用近海新近沉積的海底淤泥作為吹填原料進(jìn)行圍海造陸，其成分主要以細(xì)顆粒為主，具有天然含水量和壓縮系數(shù)高、天然孔隙比和沉降變形大、抗剪強(qiáng)度及承載力低、滲透系數(shù)小等特點(diǎn)[2]，對工程建設(shè)非常不利。據(jù)一些沿海地區(qū)處理淤泥及吹填土的經(jīng)驗(yàn)，真空預(yù)壓法是目前較為認(rèn)可的經(jīng)濟(jì)適用的軟基處理方法，且目前該地基處理方法經(jīng)過幾十年的研究和工藝改進(jìn)已經(jīng)趨于成熟[3]。然而采用傳統(tǒng)真空預(yù)壓法進(jìn)行加固造價(jià)高、歷時(shí)長，因此亟需尋找一種合理、經(jīng)濟(jì)的加固方法，使吹填土能盡快從淤泥狀態(tài)轉(zhuǎn)變成具有一定承載力的地基，對沿海工程建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3-4]。

目前，固化處理是軟土地基尤其是灘涂淤泥處理的一種常用方法。經(jīng)過固化處理后的地基，其工程特性得到了很大的改變。目前國內(nèi)外對固化劑固化軟土地基的相關(guān)研究主要集中于固化劑的摻量、種類、固化淤泥的強(qiáng)度特性等，現(xiàn)已取得了一定的成果。張春雷等[5]利用室內(nèi)試驗(yàn)研究了初始含水率對水泥固化效果的影響，研究表明，在滿足固化攪拌的施工要求下，盡量降低淤泥的初始含水率以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。黃英豪[6]等通過單因素試驗(yàn)對不同初始含水率、不同水泥添加量、不同養(yǎng)護(hù)齡期的固化淤泥的壓縮特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)屈服應(yīng)力隨著水泥量的增加而線性增大，養(yǎng)護(hù)齡期越長、初始含水率越低，固結(jié)屈服應(yīng)力越大。楊愛武[7-9]等通過大量室內(nèi)試驗(yàn)以及微觀結(jié)構(gòu)測試,研究各種固化材料對天津?yàn)I海軟土的改良效果。范昭平[10]等研究了有機(jī)質(zhì)含量對淤泥固化效果的影響，發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)含量超過極限含量后，不再對固化效果產(chǎn)生更大的影響。在固化劑種類方面：張大捷[11-13]利用礦渣膠凝材料固化軟土，試驗(yàn)結(jié)果表明，礦渣膠凝材料固化軟土的效果比水泥好；在微觀機(jī)理方面：李振[14]對加入添加劑固化后吹填土的微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)進(jìn)行了定量分析，結(jié)果表明添加劑的加入使得孔隙變小，結(jié)構(gòu)變得致密，固化后土體強(qiáng)度有一定提高；簡文彬[15-16]采用掃描電鏡技術(shù)對不同齡期水泥-水玻璃加固軟土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和研究，發(fā)現(xiàn)水化物形態(tài)多為纖維狀和棱柱狀，通過相互搭接形成網(wǎng)格并包裹土顆粒形成較大顆粒從而起到加固作用。

通過前人對軟泥固化加固地基的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，利用該方法可以改善軟土地基性質(zhì)，隨著其應(yīng)用范圍擴(kuò)大，對其各方面優(yōu)化也在不斷進(jìn)行。由于軟土形成結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及所在環(huán)境影響，其所表現(xiàn)出來的工程性質(zhì)存在明顯差別，同時(shí)不同固化材料的配比也對土體的固化性能產(chǎn)生較大的影響。以天津臨港地區(qū)軟粘土為研究對象，開展室內(nèi)固化試驗(yàn)研究，分析固化材料、固化土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間以及土體的初始含水量等對土體固化后性能的影響。同時(shí)為了擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，對荷載寬度、固化強(qiáng)度、固化層厚度等影響下的地基承載特性進(jìn)行研究，為工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 軟土固化試驗(yàn)

通過對不同含水率的軟土添加不同固化劑，進(jìn)行水泥單摻試驗(yàn)、水泥礦粉雙摻試驗(yàn)及水泥礦粉粉煤灰正交試驗(yàn)確定適用于天津?yàn)I海地區(qū)吹填土的最優(yōu)固化劑配比。

表1 土樣基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physical properties of soil sample

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣取自天津?yàn)I海新區(qū)東疆港吹填沉積后未經(jīng)過處理的吹填軟土，基本物性指標(biāo)如表1所示。其含水率在50%以上，且孔隙比大、強(qiáng)度低，呈流動狀態(tài)，無法滿足工程建設(shè)的需求，必須對其進(jìn)行處理，使得處理后的軟土地基滿足強(qiáng)度和變形要求。試驗(yàn)中選擇的固化材料包括水泥、礦粉和粉煤灰等。

1.2 試樣制備

文中固化劑的摻量為試驗(yàn)中選用的所有固化材料的總質(zhì)量與試驗(yàn)中選用的土體和固化材料的總質(zhì)量比值。按照預(yù)定設(shè)計(jì)好的研究計(jì)劃，將一定質(zhì)量的土體和設(shè)計(jì)選用的固化劑充分混合，然后按照設(shè)計(jì)比例加入水并攪拌至均勻，配制成所需含水率的混合料，然后將混合料分三層放入直徑5 cm、高5 cm的圓柱試模中。裝模前，試膜內(nèi)壁先涂上一層脫模油，以便脫模。混合料分層放入試模中需要充分振搗并進(jìn)行表層刮毛，每組試驗(yàn)制作3個(gè)平行試樣。

1.3 試驗(yàn)方案

天津地區(qū)軟土含水率分布較廣，分布范圍一般在40%～80%，為了進(jìn)一步探索天津地區(qū)軟土的固化規(guī)律，選擇40%、60%和80%的三種含水率的土樣進(jìn)行固化試驗(yàn)測試，測試內(nèi)容主要包括水泥單摻、水泥和礦粉雙摻和水泥加多種外加劑正交固化試驗(yàn)，試驗(yàn)前需對取樣進(jìn)行烘干、去雜質(zhì)、調(diào)含水率等過程處理。首先針對于三種不同含水率土樣，分別選取4%水泥摻量、6%水泥摻量、8%水泥摻量以及10%的水泥摻量，通過測試不同水泥摻量固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，以此來對比含水率、水泥摻量等對固化土性能的影響；然后再摻入2%、4%、6%、8%的礦粉，開展礦粉的單摻固化試驗(yàn)，分別測試不同摻量礦粉的固化土的固化強(qiáng)度；最后選取不同含水率的式樣、不同摻量的水泥、粉煤灰和礦粉為影響因素開展(4因素3水平)正交試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)水泥單摻試驗(yàn)。

對不同含水率及養(yǎng)護(hù)齡期下各水泥摻量的固化土體進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，得到相關(guān)條件下固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，如圖1所示。

從圖1中可以看出，水泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量增加和養(yǎng)護(hù)齡期延長而快速增長，但隨吹填土含水率增大而有所降低。當(dāng)水泥摻量大于4%時(shí)，固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大多可達(dá)到200 kPa以上，固化效果較好，特別是當(dāng)水泥摻量大于8%后，固化效果更顯著。養(yǎng)護(hù)齡期對固化土強(qiáng)度也至關(guān)重要，可以明顯發(fā)現(xiàn)固化28 d的土體強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。同時(shí)從圖1中可以看出含水率越大的土樣在添加不同含量的水泥時(shí)強(qiáng)度增加幅度越小。如含水率80%的固化土隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間和水泥摻量增加，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加幅度要遠(yuǎn)小于含水率40%、60%的固化土，因此綜合考慮，在實(shí)際工程中，應(yīng)盡量淤泥控制在較低的含水率范圍，在滿足施工需求前提下達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益。

(2)水泥礦粉雙摻試驗(yàn)。

考慮到固化處理的經(jīng)濟(jì)性等因素，在滿足工程強(qiáng)度要求下盡量減小施工費(fèi)用，因此選取4%作為最佳水泥摻量，以此為基礎(chǔ)在不同含水率下?lián)饺?%、4%、6%、8%礦粉并養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，確定最優(yōu)礦粉摻量。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

表2 不同含水率土體固化正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.2 Orthogonal test scheme and results of soil solidification with different moisture content

表3 不同含水率的土體固化正交試驗(yàn)結(jié)果分析Tab.3 Analysis of orthogonal test results of soil solidification with different moisture content

從圖2可以看出，在4%水泥摻量條件下，隨著礦粉摻量增加，不同含水率下的固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有大幅度提高，但增加幅度逐漸降低。當(dāng)?shù)V粉摻量小于6%時(shí)，強(qiáng)度增加幅度較大，大于6%以后礦粉對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響不大，即礦粉在一定范圍內(nèi)對固化土強(qiáng)度提升最明顯，考慮施工效果和經(jīng)濟(jì)效益，選擇2%～4%的礦粉摻量作為后續(xù)多固化劑的土體試驗(yàn)研究的參考。

(3)多固化劑正交試驗(yàn)。

在水泥單摻及水泥礦粉雙摻固化吹填軟土試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，選取了3種固化材料進(jìn)行了正交試驗(yàn)，即通過最少的試驗(yàn)次數(shù)得到最佳的組合配比。對于40%、60%和80%含水率吹填軟土，分別選取水泥(A)摻入量為3%、4%和5%，礦粉(B)摻量為2%、3%和4%，粉煤灰(C)摻量為2%、3%和4%，進(jìn)行正交試驗(yàn)，其正交試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

根據(jù)正交試驗(yàn)的綜合可比性，對不同含水率下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，在40%、60%、80%含水率下7 d固化吹填軟土對應(yīng)的最佳配比組合：土體水泥摻量為5%，礦粉摻量為4%，粉煤灰摻量為3%。在此固化劑配比條件下，固化后軟土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高。在40%含水率時(shí)，水泥、礦粉一列中κ3較大，粉煤灰一列κ2較大；在60%含水率時(shí)，水泥、粉煤灰一列κ2較大，礦粉一列κ3較大；在80%含水率時(shí)，水泥、礦粉一列中κ2較大，粉煤灰一列κ3較大，上述所涉及的試驗(yàn)水平是在不同含水率條件下各因素中影響最大的水平。同時(shí)表3數(shù)據(jù)顯示水泥極差最大，說明在這些固化材料中水泥摻量對固化土的強(qiáng)度性能影響最大。

表4 試驗(yàn)方案匯總表Tab.4 The summary of test scheme

2 固化層承載特性

2.1 試驗(yàn)方案

考慮到表層結(jié)構(gòu)的厚度、內(nèi)部土體的強(qiáng)度、上部荷載寬度等影響地基承載及變形特性的因素較多，故采用多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法及正交試驗(yàn)法進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)。根據(jù)已有的研究資料[17]并結(jié)合實(shí)際工程情況，最終擬定荷載寬度、固化強(qiáng)度(水灰比定義為水泥與固化劑的質(zhì)量比)、固化層厚度作為本次試驗(yàn)三個(gè)影響因素，具體方案如表4所示。

2.2 試驗(yàn)裝置及步驟

2.2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)選用10 mm厚鋼板制成模型槽，其尺寸為長×寬×高=1.5 m×1.5 m×1.5 m，本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d方式采用質(zhì)量塊堆載方式加壓。加荷裝置包括載荷板和圓餅型鐵塊質(zhì)量分別為20 kg和50 kg，如圖3所示。

應(yīng)力監(jiān)測采用BZ2205C靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其配套軟件系統(tǒng)，如圖4所示。

2.2.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)的主要步驟如下：步驟1：進(jìn)行各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，包括傳感器標(biāo)定、測定土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)等；步驟2：將含水率為52.6%的軟土分層填入試驗(yàn)槽中，采用平板夯實(shí)至預(yù)定深度，并用環(huán)刀切取土樣，測定各層土體密度及含水量，將土壓實(shí)至土壓力傳感器設(shè)計(jì)埋深位置；步驟3：按試驗(yàn)方案水灰比要求將含水率52.6%的軟土與水泥攪拌均勻，并分層鋪設(shè)入模型桶中；步驟4：靜置3 d，使軟土在自重應(yīng)力下穩(wěn)定，同時(shí)讓上部水泥土達(dá)到一定強(qiáng)度；步驟5：靜置完成后分級施加荷載，在每級荷載施加穩(wěn)定后方可施加下一級荷載(由正式試驗(yàn)前的嘗試性試驗(yàn)結(jié)果確定，預(yù)估每級荷載施加時(shí)間約為2 h，直至地基土體破壞。在試驗(yàn)中如出現(xiàn)下列現(xiàn)象之一時(shí)，即認(rèn)為土已達(dá)到極限狀態(tài)：荷載板周圍有明顯的側(cè)向擠出或發(fā)現(xiàn)較大裂紋；荷載增加很小，但沉降卻急劇加大；在荷載不變的情況下，24 h內(nèi)沉降隨時(shí)間近乎等速增加)；步驟6：整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪圖并分析。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)?shù)乇泶嬖诠袒纬傻挠矚訒r(shí)，地基內(nèi)的應(yīng)力分布特性不同于均質(zhì)地基。同樣，地基的承載變形也受到硬殼層條件的影響而呈現(xiàn)不同的特性。在加載過程中具有以硬殼層的剛度變化和應(yīng)力集中程度為標(biāo)志的彈性、彈塑性、極限狀態(tài)三個(gè)承載階段。在試驗(yàn)中可以明顯觀察到：在加載初期，硬殼層的結(jié)構(gòu)性完好無損，軟土中的應(yīng)力和變形很小，地基完全處于穩(wěn)定狀態(tài)；如果荷載超過一定范圍，軟土中應(yīng)力大幅度增加，塑性變形迅速發(fā)展，硬殼層仍然承擔(dān)著絕大部分荷載，地基保持穩(wěn)定，處在彈塑性承載階段；如果荷載再繼續(xù)增加，硬殼層的板體作用將受到嚴(yán)重破壞，地基發(fā)生明顯變形并很快趨于破壞，這時(shí)硬殼層地基處在極限狀態(tài)，破壞后的模型如圖5所示。

由圖5可以看出，破壞后的地基表面沒有明顯的隆起現(xiàn)象，破壞面沿荷載板邊緣垂直延伸到軟土層中，因此按地基極限承載力理論，硬殼層地基的破壞模式一般均為沖剪破壞，其主要特征為在加載過程中結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)隨地基的壓縮變形而下沉，當(dāng)基礎(chǔ)刺入一定深度之后，發(fā)生基腳周圍土體的垂直剪切破壞。

根據(jù)典型的現(xiàn)場載荷試驗(yàn)曲線圖，采用半對數(shù)坐標(biāo)系統(tǒng)的s-lgp曲線作為不同因素及水平組合情況下的荷載位移曲線，以T2為例，其沉降-荷載曲線如圖6所示，s-lgp中兩段直線交點(diǎn)對應(yīng)的P值這個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度。定義該P(yáng)值為結(jié)構(gòu)荷載[18]。

表5 試驗(yàn)結(jié)果匯總表Tab.5 The summary of test results

由于正交表具有綜合可比性的特點(diǎn)，因此可利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差分析試驗(yàn)中各個(gè)影響因素對模型試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)荷載的影響。

直接比較表5中T1～T9試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，荷載板直徑20 cm、硬殼層厚度15 cm、水泥摻量20%時(shí)結(jié)構(gòu)荷載值最高，是試驗(yàn)最佳條件組合；在荷載寬度一列中κ1較大，硬殼層厚度和水灰比中κ3較大，說明上述所涉及的試驗(yàn)水平是各因素中影響最大的水平。由表中極差分析可知，載荷板寬度對模型試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)荷載值影響最大，其次為水泥的摻量即表層固化土體的強(qiáng)度，而固化層厚度的影響相對最小。同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)可以直觀得到各因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律，模型試驗(yàn)中的結(jié)構(gòu)荷載值隨固化層厚度、表層固化土體強(qiáng)度的增大而增大，隨加載尺寸的增大而減小。

3 結(jié)論

本文針對天津?yàn)I海地區(qū)軟土固化后的力學(xué)性質(zhì)開展相關(guān)研究工作，得到了天津地區(qū)軟土固化的最優(yōu)固化劑配比及固化后的承載特性，主要得出以下結(jié)論：

(1)通過水泥單摻試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量增加和養(yǎng)護(hù)齡期延長而快速增長，隨吹填土含水率增大而有所降低。

(2)水泥礦粉雙摻試驗(yàn)結(jié)果表明，隨礦粉摻量增加，固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大，但增加量明顯降低。

(3)通過多固化劑正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在含水率為52.6%條件下，水泥摻量為5%、礦粉摻量為4%、粉煤灰摻量為3%時(shí)固化土強(qiáng)度最大，為最優(yōu)固化劑配比。水泥極差最大，說明水泥在加固中起主要作用。

(4)通過正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)模型試驗(yàn)的荷載板寬度對結(jié)構(gòu)荷載值的影響最大，其次為水泥的摻量即表層固化土體的強(qiáng)度，固化層厚度的影響相對最小。