摻入粉煤灰軟黏土的復合堿渣土力學特性探究

王元戰(zhàn)，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(chǎn)純堿時所產(chǎn)生的白色固體廢料，每生產(chǎn)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(jīng)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(jù)工程實踐，用膠凝材料加固堿渣的效果遠優(yōu)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(jīng)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?lián)饺雺A渣的干質(zhì)量不同，進而產(chǎn)生不同的試驗結(jié)果，這導致試驗結(jié)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(jīng)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(cè)限抗壓強度（UCS）值及經(jīng)濟指標，通過模糊評價法來確定其最優(yōu)配合比.模糊評價法對經(jīng)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(zhì)量比，使試驗結(jié)果具備一定的可推廣性.針對最優(yōu)配合比復合堿渣土進行了劈裂抗拉試驗以及不同固結(jié)圍壓、超固結(jié)比、固結(jié)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(zhì)量分數(shù)，文中涉及的飽和度、液限等除特別說明外均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比）、液限、塑性指數(shù)、回彈指數(shù)），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(qū)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(jù)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(jīng)濟性與加固效果，選取5%、10%和15%（干質(zhì)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(zhì)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(cè)限抗壓試驗與劈裂抗拉試驗

依據(jù)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(yōu)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(yǎng)護條件分別養(yǎng)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(yǎng)護至規(guī)定齡期后，通過應變式無側(cè)限壓縮儀測定其無側(cè)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(cè)限抗壓強度與造價成本，選出最優(yōu)配合比；隨后，針對最優(yōu)配合比的復合堿渣土，將其養(yǎng)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(yōu)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(jié)比，σc為固結(jié)圍壓，σs為剪切圍壓，K為固結(jié)比，σv0為軸向固結(jié)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(yōu)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(yōu)配合比

通過擊實試驗得到各配合比復合堿渣土的最優(yōu)含水率及最大干密度，以95%壓實度及最優(yōu)含水率制備無側(cè)限抗壓強度試樣，進而進行無側(cè)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(cè)限抗壓強度，最后通過模糊評價法，綜合考慮其7、28 d 無側(cè)限抗壓強度及固化成本，確定最優(yōu)配合比.

2.1 擊實試驗結(jié)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(yōu)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(yōu)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(yōu)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(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

復合堿渣土無側(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(yōu)配合比

模糊評價法是一種能夠?qū)κ芏喾N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(yōu)配合比的選取主要考慮了7、28 d 無側(cè)限抗壓強度及固化成本3 個因素.由調(diào)查可知，復合堿渣土中每加入1 kg（干質(zhì)量）粉煤灰的造價成本為0.200 元，每加1 kg（干質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(jīng)濟因素占據(jù)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(yōu)配合比；如若力學因素占據(jù)權重過高，則加入粉煤灰和軟黏土最多的力學性質(zhì)最優(yōu)的復合堿渣土即為最優(yōu).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(jīng)濟因素往往占據(jù)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(jīng)濟因素賦予0.4的權重，7 d 無側(cè)限抗壓強度與28 d 無側(cè)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(nèi)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(jīng)濟力學指標的賦分結(jié)果，如表9 所示.

表9 不同配合比復合堿渣土經(jīng)濟力學指標的賦分結(jié)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(jié)果改寫為矩陣R，第1 行為造價賦分結(jié)果，第2、3 行為7、28 d 無側(cè)限抗壓強度賦分結(jié)果，即式（1）.

對7、28 d 無側(cè)限抗壓強度和固化成本進行綜合評價，即將賦分結(jié)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(jié)果B，如式（2）所示.

依據(jù)模糊評價原理，分值越高說明其綜合評價效果越優(yōu)良，即選擇最大分值作為最優(yōu)摻量配比方案.依據(jù)式（2）結(jié)果，F(xiàn)10-G6 綜合得分最高，為0.604.因此，綜合考慮了經(jīng)濟性及7、28 d 無側(cè)限抗壓強度后，確定F10-G6 為最優(yōu)配合比.

3 最優(yōu)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(yōu)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(yōu)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(yōu)配合比復合堿渣土進行.

3.1 最優(yōu)配合比復合堿渣土劈裂抗拉強度

經(jīng)最優(yōu)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(yōu)配合比復合堿渣土的無側(cè)限抗壓強度為230.17 kPa，可發(fā)現(xiàn)抗拉強度值為抗壓強度值的0.15，稍大于Ismail 等［14］的試驗結(jié)果（0.1）.

3.2 最優(yōu)配合比復合堿渣土的抗剪特性

3.2.1 固結(jié)圍壓對復合堿渣土抗剪特性的影響

不同固結(jié)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(jié)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)了明顯的破壞點，體現(xiàn)了更強的結(jié)構(gòu)性.

圖2 不同固結(jié)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(jié)圍壓條件下試樣的剪切孔壓發(fā)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(fā)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(wěn)定狀態(tài).隨著固結(jié)圍壓的增大，剪切孔壓的增速變大，因而穩(wěn)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(fā)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(shù)值水平減小了約50%.這是由于原狀堿渣土顆粒的骨架結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)比越大，土樣的峰值強度越小，峰值應變越小，當超固結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)比對復合堿渣土的影響更大.

不同超固結(jié)比條件下試樣的剪切孔壓發(fā)展曲線如圖5 所示.由圖5 可見：

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

（1）在超固結(jié)情況下，剪切孔壓的發(fā)展同正常固結(jié)土樣相比表現(xiàn)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(xiàn)明顯的回落，而后開始緩慢增長，最終穩(wěn)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(xiàn)負值，隨后降低速率逐漸放緩，最終穩(wěn)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(wěn)定于-25 kPa左右.上述現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是不同超固結(jié)比試樣在剪切過程中剪脹性發(fā)生了變化，相對于正常固結(jié)土樣，其在剪切過程中土體主要發(fā)生剪縮，土體內(nèi)部自動調(diào)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(xiàn)出了正孔壓上升的現(xiàn)象；當OCR=2 時，剪脹出現(xiàn)，剪脹同剪縮相互抵消，孔壓維持至一較低數(shù)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(fā)展趨勢同原狀堿渣基本一致.

3.2.3 固結(jié)比對復合堿渣土抗剪特性的影響

復合堿渣土在不同固結(jié)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(jié)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(jié)比的增大使復合堿渣土在固結(jié)過程中將更多的孔隙水排出，因此在復合堿渣土固結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)比試樣，其應力-應變曲線、孔壓發(fā)展曲線趨勢基本一致，隨著固結(jié)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(jié)后，土樣的孔隙比及含水率出現(xiàn)了進一步降低.

圖6 復合堿渣土在不同固結(jié)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(yōu)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(chǎn)生，而后趨于穩(wěn)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(wěn)定.最后一級荷載施加前，復合堿渣土率先呈現(xiàn)衰減蠕變特征，隨后其蠕變逐漸穩(wěn)定，呈現(xiàn)穩(wěn)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(xiàn)出“破壞型”特征，即在荷載施加完成后試樣發(fā)生加速蠕變，在較短時間內(nèi)發(fā)生破壞.在復合堿渣土試樣破壞前，其未曾出現(xiàn)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(fā)生于蠕變衰減階段，蠕變穩(wěn)定階段其應變趨于穩(wěn)定值，變形十分有限.固結(jié)圍壓為100、200 kPa 時仍符合這一規(guī)律.

4 結(jié)論

（1）粉煤灰、軟黏土的摻入能有效降低復合堿渣土的最優(yōu)含水率并提高其最大干密度，同時也能提高其無側(cè)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(cè)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(yōu)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(yōu)配合比復合堿渣土劈裂抗拉強度與無側(cè)限抗壓強度的比值為0.15.

（4）不同固結(jié)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(jié)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(jié)比（OCR）由1 增至6 時，其不排水強度降低約50%.當固結(jié)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(jié)比對復合堿渣土的影響更大，固結(jié)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(wěn)定后的us也隨之升高，但整體數(shù)值較原狀堿渣小約50%.OCR 會對復合堿渣土的剪脹性產(chǎn)生顯著影響，K的改變不會影響us的變化趨勢，但會使其數(shù)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(xiàn)先衰減蠕變后穩(wěn)定的蠕變特征，在此階段試樣的軸向應變極小且大多發(fā)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(tài)，在較短時間內(nèi)即發(fā)生破壞.