水泥與粗顆粒工程棄土復(fù)合固化改良淤泥土試驗研究

秦玉禹, 秦子鵬, 黃煌, 蔣光榮, 郭顯頂, 黃益鑫, 鄭艷娜, 許爾金, 高景泉

(1.大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院, 大連116023; 2.浙江水利水電學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院, 杭州 310018; 3.溫州市蒼南縣水利局, 溫州 325899; 4.溫州市水利建設(shè)管理中心, 溫州 325000; 5.浙江水專工程顧問有限公司, 杭州 310052)

淤泥土主要源自于水中的懸浮沉積物,其在水中的復(fù)雜流動和沉積過程中,經(jīng)歷了數(shù)千年的演變和調(diào)整,內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分較為復(fù)雜[1-2]。它不僅存在于河道、湖泊、海洋等水源中,也在人類建造的各種水利工程中廣泛存在,與自然、人類活動緊密相連,即使在現(xiàn)代社會工程技術(shù)條件下,淤泥土的利用仍舊是一個富有挑戰(zhàn)的研究領(lǐng)域[3]。由于淤泥土通常由懸浮在水中的顆粒物質(zhì)沉積而成,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常不夠緊密,致使其穩(wěn)定性較差。此外,淤泥土中含有大量的有機物和無機鹽,使得其物理力學(xué)性質(zhì)普遍較差,不適合直接用于高質(zhì)量的水利或土木工程中。前些年,對工程淤泥的處理較為粗放,一般作為工程棄土就近處理。近年來,隨著化學(xué)固化土體技術(shù)的興起以及固化材料成本的降低,加之現(xiàn)場改良土取材方便、經(jīng)濟性好、固化土性能穩(wěn)定性高等優(yōu)點,改良土在工程上得到了較為廣泛的應(yīng)用[4-5]。

濱海淤泥土復(fù)合改良主要通過理論分析和物理模型進行研究。理論分析很難考慮到復(fù)雜性的變數(shù),故不能直接用在實際工程中。物理模型試驗由于可靠性高、穩(wěn)定性好往往被學(xué)者們所用[6]。劉勇文等[7]通過控制地聚合物摻量和含水率的影響,從微觀方面發(fā)現(xiàn)密實度增大,淤泥強度與剛度提升顯著,從成本方面考慮,找到了較為理想的配比。朱劍鋒等[8]采用鎂質(zhì)水泥固化淤泥,準(zhǔn)確的描述了固化土的力學(xué)性能,對提出的本構(gòu)模型經(jīng)行驗證,發(fā)現(xiàn)試驗結(jié)果與計算數(shù)據(jù)相吻合。胡海濤等[9]通過對比廠拌法與路拌法的強度,將固化后的淤泥用作路基填料。梁仕華等[10]使用5種外摻劑改良淤泥,發(fā)現(xiàn)混摻強度是單摻水泥的2.5倍,并從微觀角度分析了外摻劑對強度的影響機制。梁仕華等[11]指出聚丙烯纖維在提高固化土強度的同時還能減少土樣的裂縫寬度和和數(shù)量。Shen等[12]用鋼渣、礦渣工業(yè)固體廢物作為固化劑,分析了改良土的性能和作用機。Lu等[13]在淤泥中摻入適量的生石灰,發(fā)現(xiàn)改良土的大顆粒明顯增多,級配曲線更加平緩。Li等[14]闡述了改良土的抗剪強度隨土體粗糙度的增大而逐漸增大,但增加幅度不大,并驗證了含水率和粗糙度影響的非飽和土與結(jié)構(gòu)界面抗剪強度模型。Pu等[15]以石灰、水泥、水泥混合料(LC)固化粉為固化劑,對固化土的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)特性進行多尺度研究,分析了改良土的粒徑曲線分布以及固化時間和黏結(jié)劑用量對強度的影響,發(fā)現(xiàn)隨時間和固化劑用量的增加,強度提高顯著。Zardari等[16]研究了水泥固化淤泥對路堤強度、可壓縮性和可用性的影響,進而確定了水泥土是否有利于控制運河堤防破壞。結(jié)果表明,當(dāng)C∶Cs(水泥:淤泥土)質(zhì)量比為0.15∶0.85時,強度參數(shù)黏聚力c和摩擦角φ提高了30%。研究表明,淤泥土改良具有較好的經(jīng)濟性和工程應(yīng)用價值,但如何發(fā)掘工程附近現(xiàn)有資源,通過水泥和其他工程棄土復(fù)合改良淤泥土,使資源得到有效利用仍是至今亟待解決的難題[17-19]。

目前,蒼南縣海塘安瀾工程(南片海塘)在護塘河開挖及其他施工過程中產(chǎn)生大量淤泥質(zhì)棄土,按照當(dāng)前淤泥開挖、運輸及棄土處理等費用,作為棄土處理的成本較高,會大幅增加了工程投資和施工工期。如將所開挖的淤泥質(zhì)土進行改良利用,不僅可以降低工程投資,還避免了土體外運耗費的大量時間,縮短施工工期。位于南片海塘附近的三澳核電站,在施工過程中也產(chǎn)生了大量粗顆粒棄土。該棄土主要以碎石、砂性土、粉質(zhì)黏土為主,故將粗顆粒土按不同比例摻混到淤泥土中,使混合土的顆粒級配得到顯著改善,在粗細顆粒摻混后再加入適量的水泥作為固化劑,使改良土的強度得到了提高。因此,根據(jù)現(xiàn)場施工條件和控制工程投資的需求,為避免土方外運造成的投資成本增加和施工工期延長,有必要結(jié)合工程實際對淤泥土進行改良研究,使其強度可以滿足海塘閉氣土方回填的設(shè)計要求。實現(xiàn)工程棄土的資源化利用。這樣不僅可以解決土地資源的浪費,減少二次污染,還能緩解工程材料短缺的壓力[20-22]。以期為蒼南縣海塘安瀾工程施工提供技術(shù)支撐,同時為浙江安瀾海塘工程設(shè)計和施工提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

試驗淤泥土取自浙江省溫州市蒼南縣海塘安瀾工程(南片海塘)護塘河開挖現(xiàn)場,基本參數(shù)如表1所示。所用固化劑為湖州市菱湖三獅水泥有限公司產(chǎn)的42.5級普通硅酸鹽水泥。粗顆粒取自三澳核電站場地開挖產(chǎn)生的工程棄土。

表1 淤泥土的液塑限指標(biāo)Table 1 The liquid and plastic limits of the mucky soil mass

1.2 試驗制備與養(yǎng)護

將現(xiàn)場取回的典型淤泥質(zhì)土烘干,使用STFSJ-5大型土壤粉碎機將干淤泥塊體粉碎,粉碎后的淤泥過2 mm篩,并將三澳核電站的粗顆粒土烘干后過5 mm篩,篩分后的淤泥與粗顆粒分別裝入不透氣的自封袋中密閉保存。

制樣時,稱量相應(yīng)質(zhì)量比的淤泥土、粗顆粒、固化劑和水,按照一定比例配合。將摻混的改良干土充分攪拌,使水泥與粗顆粒在淤泥中均勻分布,加入30%含水率的水拌合,拌合好的改良土分四層擊實進尺寸為38 mm(直徑)×76 mm(高)的飽和器內(nèi),每層土質(zhì)量為41 g,總質(zhì)量為164 g,干密度為1.46 g/cm3(考慮現(xiàn)場施工環(huán)境和摻混條件等不利條件,將干密度偏低設(shè)置),每次制樣的拌合土保證在水泥初凝前完成。脫模后將試樣按不同配比、不同養(yǎng)護齡期貼好標(biāo)簽后放入溫度為(20±2) ℃,相對濕度95%的環(huán)境箱內(nèi)養(yǎng)護(圖1)。

圖1 環(huán)境箱養(yǎng)護Fig.1 Environmental chamber maintenance

1.3 試驗方案

(1)土的物理力學(xué)性能試驗。測量現(xiàn)場典型淤泥土的含水率,采用馬爾文MS 3000粒徑分析儀研究淤泥土、粗顆粒土、改良土的粒徑分布狀況,用錐形液塑限分析儀測定淤泥土的液限、塑限、塑性指數(shù)。

(2)單摻粗顆粒棄土.烘干后按照淤泥土和粗顆粒質(zhì)量比為4∶6、5∶5、6∶4、7∶3的配比進行三軸不固結(jié)不排水試驗,剪切前將土樣放進真空缸內(nèi)抽5 h真空飽和,真空后靜置10 h,分別取圍壓為50、100、150 kPa進行剪切,獲取單摻粗顆粒改良土的抗剪強度指標(biāo)。

(3)正交試驗。摻入淤泥與粗顆粒土總質(zhì)量的5%、10%、15%水泥,采用英國GDS公司生產(chǎn)的DYNTTS動三軸儀(圖2)將不同配比的改良土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護0、3、7、28、56 d后進行不固結(jié)不排水試驗,圍壓同樣取50、100、150 kPa,具體試驗方案如表2所示。

圖2 GDS三軸儀Fig.2 GDS triaxial apparatus

表2 正交試驗Table 2 Orthogonal test

1.4 試驗方法

(1)粒徑分析試驗。試驗前將土樣充分干燥,取適量的土樣放入儀器中進行分析。試驗時顆粒類型選擇非球形,折射率系數(shù)取1.59,測量前采用超聲分散使淤泥土充分散開,紅光測量時間設(shè)定為10 s,測量三次后取平均值。

(2)三軸剪切試驗。將飽和后試樣的套入橡皮膜,將其固定在三軸儀工作臺上,橡皮膜頂部與底部分別用兩根橡皮筋箍住防止孔隙水壓力漏氣,壓力罩緊固好打開水泵開關(guān)注水。依據(jù)《土工試驗規(guī)程》(YS/T 5225—2016)剪切速率設(shè)置為1%/min,試驗以控制剪切應(yīng)變達到25%結(jié)束,取峰值為極限剪切強度。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 土的基本物理力學(xué)性質(zhì)

經(jīng)試驗得出,淤泥土含水率較高,表層晾曬多日后其含水率依然超過50%,所測表層淤泥土(6組樣品)的含水率在54.63%～56.33%,不同取樣點的表層淤泥含水量較為穩(wěn)定。取下部淤泥土(3組,接近地下水或出露水面)所測含水率均超過80%,含水率在80.62%～82.37%。取核電站建設(shè)棄土(2組),測試其含水率為26.22%和26.74%,該部分土體的含水量受降雨影響較大。

對所取土樣進行烘干,過2 mm的篩子,采用馬爾文3000激光粒度分析儀(圖3)對土樣進行顆粒分析,結(jié)果如圖4所示。對于淤泥土,其顆粒粒徑均小于0.15 mm,其中,表層淤泥土1、表層淤泥土2和深部淤泥土土樣小于0.075 mm(粉粒界限)的顆粒分別占97.90%、98.60%和97.43%,小于0.05 mm(黏粒界限)的顆粒分別占91.78%、93.63%和90.87%。由上述數(shù)據(jù)可知,淤泥土顆粒粒徑中黏粒超過了90%,土體顆粒較小,且不同取樣點的顆粒組成及分布基本一致。粗顆粒所取棄土顆粒分布較廣,粒徑較大,過2 mm篩后,其余顆?；炯性?.5 mm以下,小于0.075 mm(粉粒界限)的顆粒分別占62.51%和64.03%,小于0.05 mm(黏粒界限)的顆粒分別占51.49%和52.72%。

圖3 馬爾文MS3000激光粒度儀Fig.3 Malvern MS3000 laser particle sizer

圖4 土樣的顆粒級配曲線Fig.4 Particle grading curves of the soil samples

在上述分析的基礎(chǔ)上,將粗顆粒棄土分別摻入30%、40%和50%(圖5),采用馬爾文MS3000激光粒度分析儀對土顆粒進行粒徑分析,結(jié)果如圖6所示。

圖5 不同粗顆粒摻量的改良土Fig.5 Improved soil with different coarse particle contents

圖6 土樣的顆粒分析曲線Fig.6 The particle grading curves of the soil samples

由圖6可知,摻入30%、40%和50%的粗顆粒土后,小于0.075 mm(粉粒界限)的顆粒分別占86.84%、85.77%、81.61%,小于0.05 mm(黏粒界限)的顆粒分別占79.91%、78.19%、74.06%,混摻后的曲線處于淤泥土和粗顆粒土之間,土體的顆粒級配得到明顯改善,其粒徑分布更加均勻。這說明兩種土體混摻可以顯著改變土體的物理性能,從而對土體的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。由上述分析發(fā)現(xiàn),如將該兩類土混摻后加入水泥等膠凝材料不僅可以改善淤泥土顆粒級配等物理性質(zhì),還可以大幅提高土體的力學(xué)性能[23]。下面將根據(jù)試驗結(jié)果,分析土體的物理力學(xué)性能及變化規(guī)律。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線特征分析

2.2.1 單摻粗顆粒土改良淤泥棄土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

單摻粗顆粒土改良淤泥得到的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖7所示。

圖例中,第1個“+”號前數(shù)據(jù)為淤泥與粗顆粒棄土的質(zhì)量比; 第2個“+”號前數(shù)據(jù)為圍壓,第2個“+”號后面表示養(yǎng)護齡期

由圖7可知,4種配比的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均沒有峰值,偏應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而緩慢增長,土樣剪切過程中只有單一的塑性變形[24]。單摻粗顆粒的改良土偏應(yīng)力主要受粗顆粒摻量和圍壓的影響,在圍壓一定的條件下,粗顆粒越少,偏應(yīng)力越高,當(dāng)粗顆粒摻量低于30%時,偏應(yīng)力開始減小;在粗顆粒摻量一定時,圍壓越大,偏應(yīng)力越高。其中,低粗顆粒摻量(30%)的偏應(yīng)力整體較高,在剪切過程中雖有所下降,但是仍高于摻60%粗顆粒的土體,略低于摻50%粗顆粒的土體。摻30%與40%粗顆粒的改良土隨著圍壓的增大偏應(yīng)力有較小幅度的提高,而摻50%與60%粗顆粒的改良土的偏應(yīng)力提升不顯著。相對于低摻量粗顆粒的土體高摻量粗顆粒土體的比表面積顯著減小,在相同含水率下比表面積小的改良土表現(xiàn)出松、軟、稀的特點,且在制樣過程中拌合均勻后的土樣呈坨狀物,呈現(xiàn)出淤泥土的特性。

摻加40%粗顆粒的單摻改良土在剪切試驗中表現(xiàn)出相對較好的性能,得到的偏應(yīng)力整體最高,且隨著圍壓增加而呈增大,其中150 kPa圍壓下偏應(yīng)力最高為137.9 kPa,是摻加60%粗顆粒配比最大偏應(yīng)力的2.5倍,在50 kPa的圍壓下偏應(yīng)力也超過100 kPa。當(dāng)淤泥土占60%時,淤泥土比表面積大,此時內(nèi)部結(jié)構(gòu)以淤泥土包裹粗顆粒土的形式而存在,粗顆粒在改良土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中起到骨架作用,再加上淤泥土遇水后具有一定黏性,使得該配比下改良土表現(xiàn)出較好的性能。粗細土的混摻使改良土的顆粒級配得到明顯改善,當(dāng)粗顆粒摻量在40%時,改良土在拌合完后顆粒級配更加均勻,在制樣時也表現(xiàn)出更容易壓實的特性,使得土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)更密實[25-26]。

摻60%粗顆粒的改良土在3種圍壓下最大偏應(yīng)力均未超過60 kPa,在單摻改良土中的物理力學(xué)性能表現(xiàn)較差。造成該配比偏應(yīng)力較低的主要原因是粗顆粒占比較高時,細顆粒土無法填充粗顆粒構(gòu)成的土體骨架,而粗顆粒自身黏性較低,土體的結(jié)構(gòu)較為松散,土體的密實度不高。當(dāng)粗顆粒摻量降低至50%時,其偏應(yīng)力顯著提高,但土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差,偏應(yīng)力與圍壓的關(guān)系規(guī)律性不強。由以上分析可知,單摻粗顆粒的改良土的物理力學(xué)性能整體偏低,難以滿足工程設(shè)計要求,因此有必要通過摻入水泥與粗顆粒復(fù)合改良淤泥土,提高顆粒間的膠結(jié)力,以改善其物理力學(xué)性能。

2.2.2 水泥與粗顆粒復(fù)合改良淤泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

由2.2.1節(jié)的試驗結(jié)果分析可知,單摻粗顆粒的改良土出現(xiàn)無峰值的塑性破壞現(xiàn)象,并且偏應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變的增大而緩慢增長,這與淤泥土本身的強度低、壓縮性高的性質(zhì)相似。以水泥摻量、養(yǎng)護齡期、圍壓作為變量開展正交試驗[27-29],對復(fù)合改良土開展不固結(jié)不排水試驗得到各種條件下土樣三軸剪切過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖8所示。

圖例中,第1個“+”號前數(shù)據(jù)為淤泥與粗顆粒棄土的質(zhì)量比; 第2個“+”號前數(shù)據(jù)為圍壓,第2個“+”號后面表示養(yǎng)護齡期;ρd為干密度;ω為含水率

由圖8可知,復(fù)合改良土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系主要受粗顆粒土摻量、水泥摻量、圍壓和養(yǎng)護齡期的影響,這與以往相關(guān)研究得到的規(guī)律類似[30]。在上述試驗條件下,對偏應(yīng)力的影響由大到小排序為水泥摻量>養(yǎng)護齡期>粗顆粒土摻量>圍壓。隨著水泥摻量的增加、圍壓和養(yǎng)護齡期的增大,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線總體呈硬化趨勢,這與楊振甲等[31]通過礦渣和粉煤灰地聚物固化淤泥土的試驗結(jié)果規(guī)律類似。摻10%、15%水泥的復(fù)合改良土在0、3、7、28、56 d均有了明顯的峰值,摻加5%水泥的復(fù)合改良土在4種配比中養(yǎng)護齡期為0 d和3 d下無明顯峰值,在7、28、56 d的養(yǎng)護齡期出現(xiàn)峰值。這是由于高水泥摻量(摻量大于等于10%)的復(fù)合改良土在水化過程后產(chǎn)生了更多的膠凝產(chǎn)物,膠凝產(chǎn)物填充在了粗顆粒土與淤泥土的空隙中,形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有較強的黏結(jié)作用,使改良土的孔隙率變小,土體更加密實,因此得到的偏應(yīng)力更高。而摻加5%水泥的復(fù)合改良土早期偏應(yīng)力之所以沒有峰值主要是由于水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生水化產(chǎn)物較少,加之水化過程需要較長時間,水泥早期水化反應(yīng)不充分[32],導(dǎo)致低水泥摻量(5%)改良土的早期偏應(yīng)力比單摻粗顆粒的偏應(yīng)力要高,但依舊表現(xiàn)出壓縮性大、無峰值、塑性變形明顯的現(xiàn)象。

研究表明,高水泥摻量的改良土在試驗過程中主要發(fā)生單一的脆性破壞,最大偏應(yīng)力的軸向應(yīng)變集中在1.4%～5%[33]。隨著水泥摻量的增加,峰值對應(yīng)的軸向應(yīng)變越小,土體結(jié)構(gòu)便出現(xiàn)較小變形的破壞。同時,峰值對應(yīng)的軸向應(yīng)變受養(yǎng)護齡期的影響,試樣的短齡期破壞對應(yīng)的軸向應(yīng)變比長齡期對應(yīng)的軸向應(yīng)變值更大。高水泥摻量的復(fù)合改良土偏應(yīng)力達到峰值后呈直線型下降,由于圍壓的作用,殘余強度下降到一定數(shù)值后隨著軸向應(yīng)變的增大幾乎呈水平直線變化趨勢[34]。

由圖8(a)、圖8(d)、圖8(g)、圖8(j)得知,摻加5%水泥的改良土養(yǎng)護0d的偏應(yīng)力介于275.24～427.9 kPa,其中G2組偏應(yīng)力最低,G6組偏應(yīng)力最高。由圖8(b)、圖8(e)、圖8(h)和圖8(k)可知,摻加10%水泥的改良土養(yǎng)護0d的偏應(yīng)力介于614.95～932.03 kPa,其中G15組的偏應(yīng)力最低,G3組的偏應(yīng)力最高。由圖8(c)、圖8(f)、圖8(i)和圖8(l)可知,摻加15%水泥的改良土養(yǎng)護0 d的偏應(yīng)力介于720.98～1 086.79 kPa,其中,G4組偏應(yīng)力最低,G16組偏應(yīng)力最高。由此可見,養(yǎng)護齡期0d下?lián)?0%粗顆粒的復(fù)合改良土在水泥摻量≤10%的固化效果較好;摻30%粗顆粒與摻60%粗顆粒的復(fù)合改良土恰恰相反,在水泥摻量≤10%時偏應(yīng)力較低,而高水泥摻量(15%)的固化效果較好。

摻5%水泥的復(fù)合改良土養(yǎng)護56 d的最大偏應(yīng)力介于445.48～711.93 kPa;摻加10%水泥配比的復(fù)合改良土養(yǎng)護56 d的最大偏應(yīng)力介于1 518～1 823.8 kPa,最大偏應(yīng)力均超過1 500 kPa,其中4∶6+10%配比的偏應(yīng)力最大,是4∶6+5%配比最大偏應(yīng)力的2.5倍,7∶3+10%配比的偏應(yīng)力最低,同比摻加5%的改良土,偏應(yīng)力增加2.6倍;摻加15%水泥的復(fù)合改良土養(yǎng)護56 d的最大偏應(yīng)力介于2 449.1～2 897 kPa,最大偏應(yīng)力均超過2 400 kPa,其中最大偏應(yīng)力的配比為4∶6+15%,也是整個復(fù)合改良土中偏應(yīng)力最大的配比,最小偏應(yīng)力的配比為5∶5+15%。4∶6+15%配比的最大偏應(yīng)力是相同粗顆粒摻量摻加10%水泥的1.6倍,是相同粗顆粒摻量摻加5%水泥的4倍。綜上可知,4∶6配比復(fù)合改良土中摻加10%、15%水泥的剪切試驗中均取得了較高的偏應(yīng)力,而7∶3配比的復(fù)合改良土在摻加5%和10%水泥中的偏應(yīng)力表現(xiàn)較差。

2.3 破壞形態(tài)

從圖9可以看出,單摻粗顆粒的改良土試驗完成后土樣呈壓縮變形,土體表面沒有明顯的破壞裂縫。這與2.2.1節(jié)分析中單摻粗顆粒改良土的偏應(yīng)力無峰值,與淤泥土物理力學(xué)性能相似的特性相吻合。

圖9 摻加40%粗顆粒剪切前后的對比Fig.9 Comparison of 40% coarse particles before and after shearing

由于粗顆粒與水泥摻量不同,剪切試樣破壞形態(tài)較為復(fù)雜,改良土的破壞位置和形態(tài)不一致[35-36]。從圖10可以看出,摻5%水泥的試樣剪切后均呈鼓包膨脹型破壞,其中摻60%與50%粗顆粒的鼓脹位于試件的中央,而摻40%、30%粗顆粒的鼓脹位于試件上部的1/3位置處[37],該破壞形狀與2.2.2節(jié)低水泥摻量呈塑性變形的結(jié)論相吻合。摻10%水泥的固化效果較為明顯,破壞形態(tài)與5%水泥差異較大,且4個土樣呈現(xiàn)不同的破壞形態(tài)。摻60%粗顆粒試件出現(xiàn)許多不規(guī)則豎向裂紋,裂紋寬度為1～2 mm,遍布整個試樣,在表面沿豎向分布,摻50%粗顆粒試件出現(xiàn)近45°的斜裂縫,摻40%與30%粗顆粒的破壞位置均位于試件上部1/3處,與摻5%水泥的位置一致。因此,粗顆粒摻量對試件的破壞形態(tài)和破壞位置影響較大。摻15%水泥在3種水泥里固化效果最好,土樣破壞裂縫均較明顯,裂縫寬度介于2～4 mm。其中,摻60%粗顆粒的試樣破壞呈“Y”形,并且該組試件在所有配比中的偏應(yīng)力值最大。50%粗顆粒摻量的試件也出現(xiàn)近乎45°斜裂縫破壞,同10%水泥摻量的破壞形態(tài)基本一致。當(dāng)粗顆粒摻量在40%時,試樣表面部出現(xiàn)一個倒三角形的楔形破壞裂紋,摻量降至30%時,破壞位置居試樣中部偏上,呈“X”破壞形態(tài)[38]。綜上可知,試件的破壞形態(tài)和位置受粗顆粒和水泥的復(fù)合摻量影響。由于顆粒級配受粗顆粒摻量的影響,而顆粒級配又對試樣的強度有一定的影響,因此,粗顆粒摻量直接影響了試樣的破壞形態(tài)和位置,其中,對試樣的破壞位置影響更為明顯。水泥摻量對固化效果影響顯著,水泥摻量越多土樣硬化效果越明顯,在土樣破壞形態(tài)中,水泥摻量決定了試樣表面破壞特征[16]。

每個分圖中,從左到右水泥摻量分別為5%、10%和15%

2.4 黏聚力和摩擦角

2.4.1 黏聚力

基于上述應(yīng)力-應(yīng)變曲線,繪制莫爾圓,得到不同配比和養(yǎng)護齡期下土體的黏聚力,如表3所示。

表3 不同養(yǎng)護齡期下粗粒與淤泥不同 配比的試樣黏聚力Table 3 Cohesions of samples with different ratio of coarse particles to silt at different curing ages

由表3可知,不同粗顆粒土摻量的固化土隨著水泥摻量的增加,其黏聚力增大較為明顯,其中G12組試件黏聚力最大,這與Pu等[39]采用水泥改良土的試驗數(shù)據(jù)的規(guī)律類似。在5%、10%、15%水泥摻量下,土樣的黏聚力分別為72.98～157.24 kPa、135.39～437.55 kPa、140.84～571.12 kPa。摻10%水泥同比摻5%水泥的黏聚力增加了1.85～2.8倍,摻15%水泥同比摻5%水泥黏聚力增加了1.9～3.6倍,相比摻10%水泥黏聚力增大了1.04～1.3倍。上述數(shù)據(jù)同時表明,試件在早期的黏聚力較小,隨著養(yǎng)護齡期的增加,土樣的黏聚力逐漸增大,總體上試樣強度受齡期影響顯著。但值得注意的是,由于土體受制樣等影響,黏聚力隨齡期變化也呈現(xiàn)一定的波動性。

2.4.2 摩擦角

基于以上應(yīng)力-應(yīng)變曲線,繪制莫爾圓,得到不同配比和養(yǎng)護齡期下土體的摩擦角,如表4所示。

表4 不同養(yǎng)護齡期下粗粒與淤泥不同配比的摩擦角Table 4 Internal friction angles of samples with different ratio of coarse particles to silt at different curing ages

由表4可知,試驗得到的內(nèi)摩擦角均超過10°,粗顆粒摻量對內(nèi)摩擦角的影響不大,隨著水泥摻量的增加內(nèi)摩擦角顯著提高,尤其是隨著齡期的增長土樣的內(nèi)摩擦角明顯提升[40]。在0、3、7、28、56 d養(yǎng)護齡期下,內(nèi)摩擦角分別介于10.04°～36.83°、20.65°～39.54°、25.27°～44.77°、26.92°～51.68°、23.68°～47.77°。與0 d的最大內(nèi)摩擦角相比,養(yǎng)護3、7、28、56 d試樣的內(nèi)摩擦角分別提高了1.07、1.21、1.4、1.3倍,養(yǎng)護齡期從56 d起內(nèi)摩擦角增加不明顯,其中G4組土樣的內(nèi)摩擦角提高最為顯著。

內(nèi)摩擦角是抗剪強度線在σ-τ坐標(biāo)平面內(nèi)的傾角,反映土體內(nèi)部各顆粒之間內(nèi)摩擦力的大小,其大小會受土體粗糙度、顆粒大小和形狀的影響[41]。

一方面,粗顆粒摻到土壤中,土體的顆粒級配得到改善,使其分子間作用力增大[42],從而對土體的強度有所改善;另一方面,水泥顆粒遇摻入后發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng),逐漸形成水泥膠體和水化產(chǎn)物,并且隨著時間的增加水化反應(yīng)逐漸充分,使土體在凝固過程中緩慢硬化,淤泥土顆粒與粗顆粒間有明顯的膠結(jié)效應(yīng),膠凝產(chǎn)物以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形式填充在粗細顆粒的空隙中,將大小顆粒牢牢地固結(jié)在一起,進而黏結(jié)淤泥土形成的細小顆粒與粗顆粒,抑制了豎向裂縫擴展[43],從而提高了改良土的強度。

3 結(jié)論

以蒼南縣海塘安瀾工程淤泥土為研究對象,通過水泥和粗顆粒對淤泥土進行復(fù)合改良,改良土的顆粒級配得到了改善,其宏觀物理力學(xué)性質(zhì)也得到了顯著提升。得到如下主要結(jié)論。

(1)單獨摻入不同比例的粗顆粒土,單摻改良土的顆粒級配曲線介于淤泥土和粗顆粒土之間,土體的顆粒級配分布更加均勻,可以使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理性能得到明顯改善。

(2)單摻粗顆粒棄土在4種配比下通過三軸試驗得到的偏應(yīng)力在3種圍壓下均未超過140 kPa,其中摻40%粗顆粒土的強度相對較高,摻60%粗顆粒土的強度均未超過60 kPa,無法滿足工程設(shè)計要求。

(3)將水泥作為固化劑的改良土的強度隨著水泥摻量的增加,其強度顯著提升,其中水泥摻量為5%的改良土的最大偏應(yīng)力比單摻粗顆粒土的偏應(yīng)力提高2.0～5.2倍。摻量為15%的改良土在試驗中表現(xiàn)出更高的強度,試樣在加載過程中出現(xiàn)不規(guī)則裂縫,呈酥脆性破壞,偏應(yīng)力到達峰值后隨應(yīng)變增加而急劇下降。

(4)結(jié)合試驗結(jié)果,考慮工程投資的經(jīng)濟性和現(xiàn)場施工的便利性以及盡量減小土方外運的原則,水泥摻量在15%,粗顆粒土摻量為40%時的改良土綜合性能較符合工程設(shè)計要求。后期將通過改良土水穩(wěn)性測試進一步選擇確定。