动力荷载作用下河道淤泥气泡混合土的变形特性试验

刘增祥，顾欢达，陈冬青

（1.苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州 215011；2.苏州市恒正工程质量检测有限公司，江苏苏州 215134）

动力荷载作用下河道淤泥气泡混合土的变形特性试验

刘增祥1，顾欢达1，陈冬青2

（1.苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州 215011；2.苏州市恒正工程质量检测有限公司，江苏苏州 215134）

为了解河道淤泥气泡混合土（FMLSS）在动力荷载作用下的变形特性，采用室内动三轴试验研究了围压、含水率、水泥掺入量和气泡含量对FMLSS动变形特性的影响。试验结果表明：FMLSS的动应力应变关系曲线符合双曲线关系，在一定的动应力作用下，动应变随围压和水泥掺入量的增大而减小，随含水率和气泡含量的增大而增大；当动应变相同时，FMLSS的动弹性模量随围压和水泥掺入量的增大而增大，随含水率和气泡含量的增大而减小，动弹性模量与动应变的关系曲线为平缓衰减型；含水率和水泥掺入量是影响FMLSS变形特性的主要因素。

河道淤泥气泡混合土；动力荷载；变形特性；动应力应变关系；动弹性模量

我国沿海地区及部分内陆城市广泛分布着高含水河道淤泥软黏土，数量庞大，处理成本高，具有强度低、压缩性大、性质不稳定等特点，通常处于流塑状态，未经处理很难直接利用，长期沉积对水质、环境、航运、蓄水、泄洪等都会造成不利影响，因此如何应用经适当处理后的河道淤泥已成为目前工程界积极探讨的课题。河道淤泥的传统处理方式是烧结和脱水，但都有很大的局限性。吹填淤泥填海造陆技术、淤泥固化处理或轻量化处理技术是目前河道淤泥利用比较经济适用的技术。利用河道淤泥高含水、多孔隙、流动性、高强度、低密度、低渗透性等特征，将河道淤泥作为原料土制成具有流动特征的气泡混合土用于防渗工程、填土或填充工程，不仅可以满足工程用土需求，又能达到河道淤泥资源化利用的目的。

河道淤泥气泡混合土（foamed mixture lightweight soil using river sludge，FMLSS）由淤泥、水泥、气泡和水按照一定比例混合搅拌而成，其材料组成和力学性质与其他类型的混合轻质土有所不同［1-2］，常见混合轻质土多以黏性土或砂土为原料土，FMLSS以河道淤泥作为原料土，混入气泡使FMLSS的孔隙率明显增大，自重减小，而掺入水泥可以提高FMLSS的强度。根据需求不同，FMLSS的密度可以在0.5～1.5 g/cm3范围内调整，抗压强度可以在0.1～

1.5MPa范围内调整［3］。

在实际工程中，FMLSS作为构筑物填料会受到交通、地震、波浪等动力荷载的作用，探讨FMLSS在各种荷载与环境条件下的工程性质，对于掌握FMLSS在不同工程中的适用性是十分必要的。三嶋信雄等［4-5］日本学者研究了气泡混合土的基本工程性质；陈忠平等［6］在国内较早开始气泡混合土的研究，探讨了气泡混合土的物理和力学特性；张小平等［7］以砂、水泥、粉煤灰、松香胶发泡剂为原材料制作试样，对气泡混合土进行了配合比优化和三轴试验研究；顾欢达等［8-9］研究了气泡混合轻质土施工稳定性的影响因素，以及FMLSS性质的稳定性。目前对FMLSS的动力特性研究还很少，本文采用室内动三轴试验研究不同条件下FMLSS的动力变形特性，分析其内在的规律，为其工程应用提供理论依据。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验原料土取自苏州市某河道清淤的淤泥质土，根据GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》，测得河道淤泥的基本物理性能参数如下：天然密度1.71 g/cm3，初始含水率52.5%，孔隙比1.36，相对密度2.65，塑限26.4%，液限42.0%；液性指数1.67，处于流塑状态。颗粒分布以粒径小于0.075mm的细粒土为主，塑性指数15.7，属于粉质黏土；不均匀系数Cu=5，曲率系数Cc=1.31，级配较好。淤泥土的颗粒级配曲线如图1所示。

图1 淤泥土的颗粒级配曲线

由于气泡体积不便于准确测量，各组成材料的配比均以干土质量为基准。水泥掺入量为水泥质量与干土质量之比，气泡含量为气泡质量与干土质量之比；含水率指在原料土中加水之后总的含水量与干土质量之比。由于试验中考虑因素较多，动三轴试验耗时长，工作量大，因此对试验方案进行了优化，只对部分配比的试样考虑含水率与围压的影响，每个配比做2个平行试样试验。试样编号与配比如表1所示。

表1 试样编号与配比%

试验用水泥为普通硅酸盐水泥，发泡剂为动物蛋白类复配型发泡剂，水为蒸馏水。制备试样时，先将淤泥过5mm筛，去除大颗粒杂质部分，然后按照表1所示的试样配比方案，在淤泥土中加水稀释后再加入水泥，用搅拌机搅拌均匀，最后加入已制备好的白色泡沫，再用搅拌机低速将气泡均匀地混入到淤泥土中，即制成FMLSS。将搅拌均匀的混合土分层装入尺寸为50mm×100mm的模具中，放入标准养护箱内养护24 h后脱模，脱模后用保鲜膜将试样密封好放入养护箱内继续养护，经过标准养护28 d后进行动荷载试验。试验以密度作为控制试样质量的关键指标［10］。

1.2 试验方法

采用意大利产31-WF7015型气动式动三轴试验仪进行动荷载试验。试验中主要考虑FMLSS作为填土材料以压力为主的受力情况，加载时采用的是加载—卸载—再加载—再卸载的循环加荷方式，卸载只是把加上的荷载卸掉，不施加反向拉力作用。因此，试验荷载设定波形为半正弦波的循环荷载，振动频率1Hz，在研究围压的影响时围压σc取50 kPa、100 kPa和150 kPa，其他情况下σc均取100 kPa；采用应力控制加荷方式，荷载分级施加，逐级增大至试样破坏，共10个加载阶段，每个加载阶段循环20次，相当于7.5级地震的等效谐波作用［11］，在不固结不排水条件下进行试验。

2 试验结果与分析

在动三轴试验中，由于应变的累积性和残余应变的出现，采用不同的变形确定的动弹性模量是不同的，在研究动力变形时应将波动变形、残余变形和综合变形这3种变形区分开。大量试验表明，采用不同的变形在定性上可得到相似规律的变化曲线，但是在量上有显著的不同，也有着不同的含义和用途［12］。本文应变指按波动变形确定的动应变，动弹性模量也是按波动变形确定的。

2.1 动应力应变关系

图2为部分配比的FMLSS动应力应变拟合曲线，可见动应力σd随着动应变εd的增大而增大，在开始阶段呈线性增大而后逐渐趋于稳定，拟合曲线均符合双曲线关系，即应力应变关系可表示为

式中a、b为与围压及试样配比相关的拟合参数。

图2 不同配比FMLSS的σd-εd关系

2.2 动弹性模量

动弹性模量Ed是研究土体动力特性的重要参数，加载过程中每周应力循环得到一个滞回圈，每个滞回圈两顶点连线的斜率即为该周应力循环的Ed。试验中不考虑初始偏应力的影响，其典型滞回圈如图3所示。

4.我产奶，我有犄角，但我不是奶牛。我是谁？（答案：a milk truck 奶车。horn 既有“犄角”的意思，又有“喇叭”的意思。）

图3 典型滞回圈示意图

试验中发现，在循环荷载作用下，随着应变的逐渐增大，不可恢复的应变也会逐渐累积，软黏土的刚度都会出现非线性软化，Ed因此不断衰减。图4为部分配比FMLSS的Ed-εd关系拟合曲线，可见不同配比FMLSS的Ed随着εd的增大缓慢减小，所有拟合曲线都符合双曲线关系，即满足公式：

图4 不同配比FMLSS的Ed-εd关系

式中c、d为与围压及试样配比相关的拟合参数。

3 动变形特性的影响因素

FMLSS是一种混合土，其中含有水、淤泥、水泥、气泡4种主要成分，在分析其σd-εd关系和Ed的衰减规律时，必然要结合这些因素的影响进行分析。此外，还要考虑围压的影响。

3.1 围压的影响

从图5和图6可以看出，围压σc对FMLSS的σd-εd关系和Ed-εd关系有一定影响，作用效果与其他类型的泡沫混合土的性质相似［13-14］。在相同σd作用下，εd随着围压的增大而减小。因为在围压作用下，FMLSS的变形受到约束，提高了土体抵抗变形的能力，围压越大约束作用越强。当εd相同时，Ed随着围压的增大而增大，围压越大Ed-εd曲线斜率越大。这是因为当围压增大时，FMLSS土颗粒之间接触更加紧密，应力波的传播路径增多，从而减小了应力波在传播过程中的能量损耗，试样土体变硬，Ed增大。围压增大既增强了对试样的约束，又使胶结结构破坏变大，使高围压条件下比低围压条件下Ed的减小速度更快，曲线斜率更大。

图5 不同围压下FMLSS的σd-εd关系（D121试样）

图6 不同围压下FMLSS的Ed-εd关系（D121试样）

3.2 含水率的影响

图7 不同含水率FMLSS的σd-εd关系

图8 不同含水率FMLSS的Ed-εd关系

3.3 水泥掺入量的影响

图9和图10反映出，相比围压、含水率和气泡含量的影响，水泥掺入量是影响FMLSS的σd-εd关系和Ed-εd关系的关键因素。在相同σd作用下，εd随着水泥掺入量的增大而减小；不同水泥掺入量的FMLSS，其最大σd差距较大。当εd相同时，Ed随着水泥掺入量的增大而大幅增大，这主要是因为河道淤泥本身强度很低，几乎没有抵抗变形的能力，加入的水泥具有固化特性，水泥遇水产生的水化物可以包裹粒径很小的淤泥土颗粒，增强土颗粒间的黏结力。王庶懋等［15］从细观角度的研究也证实了这一点；辛凌等［16］研究指出，土体的宏观现象是其细观结构变化的体现，水泥掺入量影响的本质是水泥的水化作用产生的胶结物质的影响。此外，分析图10中各曲线的变化趋势，可以发现水泥掺入量大的曲线斜率较大，水泥掺入量小的比较平缓，这可能是因为水泥掺入量的提高增大了FMLSS的脆性。

图9 不同水泥掺入量FMLSS的σd-εd关系

图10 不同水泥掺入量FMLSS的Ed-εd关系

3.4 气泡含量的影响

图11和图12反映出，在相同σd作用下，εd随着气泡含量的增大而增大；当εd相同时，Ed随着气泡含量的增大而减小（图11和图12中，D121和D131试验结果不符合规律，结合其他配比试样的试验结果，可能是试验误差造成的）。相比水泥掺入量的影响，气泡含量的变化对最大σd和Ed的影响较小，曲线相对比较密集和平缓。气泡的加入主要是增加FMLSS的孔隙率，从而降低其密度。本试验中，气泡含量是决定FMLSS密度的关键因素，对试样尺寸和质量统计后发现各配比试样的密度变化很大，密度变化范围为1.23～1.55 g/cm3。在工程实际应用中可通过调节水泥掺入量和气泡含量，得到满足不同工程要求的FMLSS材料。

图11 不同气泡含量FMLSS的σd-εd关系

图12 不同气泡含量FMLSS的Ed-εd关系

综上分析可知，各种影响因素作用下FMLSS的Ed-εd关系曲线均为上凸的衰减型，且相对比较平缓，随着εd的增大，Ed的衰减很小。试验中每个配比的试样施加最大荷载后都会发生明显破坏变形，从Ed-εd关系曲线可以看出，各配比的FMLSS在动荷载作用下发生大应变破坏时，其Ed仍能保持在初始Ed的60%以上，而一般土体在发生破坏时Ed会迅速降低，表明FMLSS是具有良好弹性的材料，适用于对变形有较高要求的路堤路基等工程。相比于围压和气泡含量对FMLSS的σd-εd关系与Ed-εd关系的影响，含水率和水泥掺入量的影响较大，是影响其动力特性的关键因素。

4 结 论

a.FMLSS的σd-εd关系与Ed-εd关系曲线都符合双曲线关系，随着εd的增大，σd先增大后趋于稳定，而Ed先比较稳定后逐渐衰减。

b.在相同σd作用下，FMLSS的εd随着围压和水泥掺入量的增大而减小，随着含水率和气泡含量的增大而增大；当εd相同时，FMLSS的Ed随着围压和水泥掺入量的增大而增大，随着含水率和气泡含量的增大而减小。

c.围压和气泡含量对FMLSS的σd-εd关系与Ed-εd关系的影响较小，含水率和水泥掺入量的影响较大，是影响其动力特性的关键因素。

d.各影响因素作用下FMLSS的Ed-εd关系曲线都为上凸的衰减型，且相对比较平缓，随着εd的增大，Ed衰减很小，各配比的FMLSS在动荷载作用下发生大应变破坏时，其Ed仍能保持在初始Ed的60%以上，表明FMLSS是具有良好弹性的材料。

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Test on deformation characteristics of foamed m ixture lightweight soil using river sludge under dynam ic load

LIU Zengxiang1，GU Huanda1，CHEN Dongqing2
（1.School ofCivil Engineering，Suzhou University ofScience and Technology，Suzhou 215011，China；2.Suzhou Hengzheng Engineering Quality Test Co.，Ltd.，Suzhou 215134，China）

In order to obtain the deformation characteristics a foamed mixture lightweight soil using river sludge（FMLSS）under a dynamic load，the effects of the confining pressure，water content，cement content，and air foam content on the dynamic deformation characteristics of the FMLSS were investigated using laboratory dynamic triaxial tests.Test results show that the fitting dynamic stress-strain curve of the FMLSS is of the hyperbolic type.The dynamic strain of the FMLSS decreaseswith the increase of confining pressure and cement content，and increases with the increase ofwater content and air foam content under a certain dynamic stress lerel.Under a constant dynamic strain，the dynamic elasticmodulus of the FMLSS increases with the increase of confining pressure and cement content，and decreases with the increase of water content and air foam content.The relationship curve of the dynamic elastic modulus and dynamic strain shows a gradually decreasing trend.The water content and air foam content are the main factors influencing the dynamic deformation characteristics of a FMLSS.

foamed mixture lightweightsoil using river sludge；dynamic load；deformation characteristics；dynamic stressstrain curve；dynamic elasticmodulus

TU411

A

1006- 7647（2016）04- 0047- 06

10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.04.009

2015- 07 14 编辑：熊水斌）

国家自然科学基金（51378327）

刘增祥（1990—），男，硕士研究生，主要从事软土地基处理技术研究。E-mail：zxliu90@163.com

顾欢达（1958—），男，教授，博士，主要从事软土地基处理技术研究。E-mail：ghdgx@163.com