台州淤泥质土固化特性研究

徐日庆　文嘉毅　王旭　董梅　朱兵见

摘   要：为了研究以二灰为主固化剂、TZ-01为添加剂的固化方案在台州淤泥质土中的加固效果以及不同因素对于固化土强度的影响，对台州淤泥质土的固化特性进行试验研究.通过试验对淤泥质土的含水量、有机质含量、主固化剂掺量、添加剂掺入比以及龄期这5个因素进行分析. 试验结果表明淤泥质土的含水量会阻碍固化土强度的增长，主固化和龄期的增长能够有效地增强固化土的强度，有机质含量和添加剂掺入比存在一个最佳掺量. 通过对固化土无侧限压缩试验得到的应力应变曲线进行分析，提出了固化土在单轴压缩下的4个阶段.通过数据处理与分析，引入水灰比，并综合考虑有机质含量、添加剂掺入比和龄期的影响，建立了固化土强度预测模型.

关键词：淤泥质土;二灰;水灰比;强度预测模型

中图分类号：TU447                               文獻标志码：A

Study on Curing Properties of Taizhou Sludge Soil

XU Riqing1，2？覮，WEN Jiayi1，WANG Xu1，2，DONG Mei1，ZHU Bingjian2，3

（1. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China;

2. Taizhou Branch，Zhejiang-California International Nano Systems Institute，Taizhou 318000，China;

3. School of Civil Engineering & Architecture，Taizhou University，Taizhou 318000，China）

Abstract：In order to figure out the effect of curing agent in sludge soil with the fly ash and lime as the main curing agent and TZ-01 as the additive， a series of experiments were conducted to study the strength characteristics of solidified soil and the influencing factors on the strength of solidified soil. Through experiments， the initial water content， organic matter content， main curing agent content， additive incorporation ratio， and age of solidified soil were analyzed. The results showed that the initial water content of the sludge soil hindered the growth of the solidified soil. The main curing agent and age growth can effectively enhance the strength of the solidified soil， and there was an optimum blending ratio of organic matter content and additive incorporation ratio. Based on the analysis of the stress-strain curve obtained from the unconstrained compression test of solidified soil， four stages of solidified soil under uniaxial compression were proposed. By processing and analyzing data， the water-cement ratio β was introduced， the effects of organic matter content， additive incorporation ratio and age were comprehensively considered， and the solidified soil strength prediction model was established.

Key words：sludge soil;fly ash-lime;water-cement ratio;strength prediction model

滨海地区存在着大量的淤泥质土，淤泥质土具有含水量高、强度低、压缩性大的特点，是工程处理上的一个难点.在对淤泥质土进行施工前，往往需要对于淤泥质土进行预处理，使得在淤泥质土的表层形成一个硬壳层，从而能够满足工程机械的进场施工的条件. 杨福麟等[1]针对某工地新吹填软土真空预压加固工程，采用浅层加固超软土技术加固浅表层，取得了良好的效果. 闫澍旺等[2]在天津滨海新区的围海造陆工程中，采用在吹填土上吹填细砂形成硬壳层，提高地基承载力，满足真空预压施工中插板机的进场条件. 自20世纪90年代以来，淤泥质土的浅层改良技术在日本得到了快速的发展，应运而生了淤泥上履带行走式稳定土拌合法（SLM工法）[3].

国内外都开展过适用于淤泥质土加固的固化剂研究. 综合考虑加固效果与经济效益，一般采用工业废料对于高含水量的淤泥质土进行加固[4-7]. 针对淤泥质土的固化特性研究，一般是通过室内无侧限压缩试验、常规三轴剪切试验[8]等强度试验以及扫描电镜[9]、XRD[10]等测试手段对固化土的固化机理进行研究分析.

本课题组针对台州淤泥质土的浅层加固研发了一套固化方案. 本方案是以粉煤灰与生石灰作为主固化剂，TZ-01作为添加剂. 本文以固化土的无侧限抗压强度作为强度指标，综合考虑影响软土固化的“内因”和“外因”[11]，以含水量、有机质含量、主固化剂掺量、添加剂掺入比以及龄期这5个因素作为变量，对台州淤泥质土的固化特性进行研究.

1   试验方案

1. 1   试验材料

试验所采用的淤泥质土取自台州椒江地区，基本参数见表1.

所选用的粉煤灰是取自浙江某热电厂的一级粉煤灰，主要化学成分如表2所示.

所选用的生石灰是工业生石灰，其中CaO与MgO的总质量分数大于80%.

添加剂TZ-01是由本课题研制的适用于激发二灰加固土活性的添加剂，主要成分是：硅酸钠、硫酸钙、氯化钙，其质量比例为55 ∶ 31 ∶ 14.

向土体中添加的有机质是由南京化学试剂有限公司生产的腐殖酸.

1.2   试样制备及养护

为了控制土样的各部分性质均匀，在试样制作之前，将原状土放入烘箱，控制温度为105～110 ℃，烘干时间不少于12 h.烘干后，将土样用碎土机粉碎，过2 mm筛去除杂质，得到性质均匀的土粉，用塑料箱密封保存[12].

试验制作时，称取一定质量的干土，并按设计的含水量加水搅拌均匀;再按照试验设计的比例依次加入腐殖酸、主固化剂以及添加剂TZ-01，搅拌均匀后进行装样. 制样所用模具尺寸为标准的三轴试样尺寸，即直径39. 1 mm，高度80 mm. 制样时，将搅拌均匀的土样分5～8层填入模具中，每填入一层都使用击锤击实，观察土样无明显空隙后，然后使用土工刀将击实后的土样表面刮毛，再填入下一层. 制样完成后，固化土连同模具在室温下养护24 h后进行拆模，然后用塑料膜将固化土密封保存后放置于恒温恒湿养护室中进行进一步养护，温度控制在20±5 ℃，直至试验设计的龄期.

1.3   试验设计

为了更好地表示本试验中的各个变量，以m表示淤泥质土的质量，以ms表示淤泥质土中土粒的质量，mw表示淤泥质土中水的质量，mo表示淤泥质土有机质的质量，mc表示固化土中掺入的二灰的质量，mTZ表示固化土中掺入添加剂TZ-01的质量，T表示固化土的龄期，w表示淤泥质土的含水量，wo表示淤泥质土中的有机质含量，c表示固化土中二灰的掺量，wTZ表示固化土中添加剂的掺入比.

为了综合分析各种因素对于淤泥质土固化效果的影响，以淤泥质土含水量w、有机质含量wo、二灰掺量c、添加剂掺入比wTZ、龄期T为变量进行试验，试验设计分组及变量取值如表3所示. 本次试验以淤泥质土含水量w为60%，有机质含量wo为2%，二灰掺量c为20%，添加剂掺入比wTZ为10%，龄期T为7 d作为基准试验，并令其强度为q0.

试验过程中，每个小组只在P组基准掺量上改变一个因素，例如，A组试样中，5个试样只改变含水量的水平，其余参数与基准掺量保持一致，每个试样都做3组平行样以减少误差.

1.4   试验方法

本次试验测量无侧限抗压强度所用仪器是WDW-T50微机控制电子式万能试验机.

试验前，需测量并计算出试样平均初始截面积A0.在系统中设置好试样初始参数后，以1 mm/min的速度对试样施加压应力，万能试验机可自动采集并记录应力应变数据曲线.在应力达到峰值后再进行3%～5%的轴向变形即可停止加压，将上加压板升起，取出试样，并拍照记录破坏后的形状. 如果试样的应力应变曲线无峰值，则试验应进行到轴向应变达到20%为止.

以轴向应变为横坐标，轴向应力为纵坐标，绘制出试样的应力应变曲线，取曲线上轴向应力的峰值作为所测试样的无侧限抗压强度qu，若无峰值，则取轴向应变为20%所对应的轴向应力为无侧限抗压强度.测得3个平行试样的强度平均值作为该组固化土的无侧限抗压强度.在同一组试验中，如果只有其中一个试样的强度与中值的偏差超过15%，则取中值为测定值;若有两个试样的强度与中值的偏差超过15%，则该组试验结果无效，应重新制样.

2   试验结果分析

2.1   試验结果

通过无侧限压缩试验，得到不同组别的试验结果，如表4所示.

为了能够更加直观地看出不同因素对于固化土强度的影响，将含水量、有机质含量、二灰掺量、添加剂掺入比等4个变量归一化，wη、woη、cη、wTZη分别为4个变量所对应的基准掺量.定义Aw、Ao、Ac、ATZ 4个参数，其与固化土无侧限抗压强度的关系如图1所示.

从图1中可以看出不同影响因素对于固化土强度的作用效果不同.含水量的增加，会使固化土的强度降低. 二灰掺量的增加，会使固化土的强度提高.而随着有机质含量、添加剂掺入比的增加，固化土的强度呈现先提高后降低的规律.

2.2   含水量的影响

由图1可知，随着含水量的增加，固化土的无侧限抗压强度线性递减，二者的关系如式（9）所示.

图1表明，含水量所对应的曲线斜率最大，即含水量的变化对固化土强度的影响最大.土体中水的存在一方面是增大了土体的流动性，使得土骨架不能有效地承受荷载，另一方面过量的水分使得固化反应环境中各离子浓度降低，固化反应减弱，从而使得固化土强度降低[11].

第1个阶段：孔隙压缩阶段.在固化土受压初期，随着应变的增加，应力保持在一个较低的值基本不变，这是由于固化土的孔隙较多，只有固化土中的大孔隙压缩完毕，固化土中的土骨架才会起到作用，固化土的应力才会开始增加[17]. 在孔隙压缩阶段，无论龄期是多少，应力值都保持在10 kPa左右.不同龄期下，孔隙压缩阶段的应变范围在0～2.5%，随着龄期的增加最大应变值会减小，当60 d龄期时，孔隙压缩阶段的最大应变为1.8%左右.

第2个阶段：均匀受压阶段. 在经过孔隙压缩阶段后，固化土的应力应变近似呈直线关系，在此阶段，固化土中土颗粒骨架均匀受压，颗粒骨架均未发生破坏，变形都保持在弹性范围内. 定义直线阶段到曲线阶段的应力临界值为σe，临界应变值为εe. 从图中可以看出，σe随着龄期的增长不断变大，而除了3 d龄期，其他龄期下差别不大.

第3个阶段：强度屈服阶段.在经过均匀受压阶段后，应力应变曲线偏离直线，进入非线性上升段.固化土中的颗粒以及形成的土骨架发生破坏，颗粒间的孔隙不断被压密，此时土体的压密作用对强度的增大较结构破损对强度的减小占优势，但是土颗粒及骨架的变形不再可恢复，表现出塑性变形[17].参考在金属材料拉伸或压缩过程中存在的屈服阶段，将该阶段命名为强度屈服阶段. 在该阶段的主要特征是应力值变化很小，但是应变值却持续增加，应力的最大值σm也出现在该阶段. 从图3中可以看出，随着龄期的增长，屈服阶段的应变增长会随之减少，当龄期为3 d时，屈服阶段从应变值为3.2%一直持续到6.7%，当龄期为60 d时，屈服阶段变得不明显.

第4个阶段：应力衰减阶段. 当应力达到最大值之后，通过一定的屈服阶段，应力值开始下降.此时固化土试样的裂缝不断延伸、扩展，沿着最薄弱方向形成宏观裂缝，并逐渐贯通全截面，最后整个试样发生剪切破坏，如图4所示. 随着加载的继续，固化土产生较大的塑性变形，应力急剧下降，直到整个试样完全破坏.

3.2   等效水灰比

经过上述分析，我们可以得到，在影响固化土强度的因素中，淤泥质土的含水量和主固化剂的掺量是对固化土强度影响最为显著的两个因素，因此参考水泥反应中的水灰比，在固化土研究中也引入水灰比.

根据水灰比的定义可以得到水灰比β0：

考虑到淤泥质土中含有的土粒也会与土体中的水分发生作用，因此在计算水灰比中减掉塑限所对应的水的质量，可以得到等效水灰比β1：

結合A组及C组试验结果，通过计算得到β1与7 d无侧限抗压强度q7d之间的关系，如图5所示. 通过曲线拟合，得到式（16），说明β1并不能直观地表示出7 d无侧限抗压强度q7d.

综合考虑固化土中反应的时候土粒中的部分成分也会参与反应，因此引入修正系数α，表征的是在固化反应中土粒成分的参与程度，α的取值与土粒的组成成分以及土粒与固化材料之间的反应相关. 因此，可以得到修正的等效水灰比β2，β2可以由式（17）计算得到.

通过曲线拟合，得到不同β与固化土7 d时无侧限抗压强度之间的关系，如图5所示.

通过计算得到，当α取0.2的时候，固化土7 d时无侧限抗压强度与β2的拟合曲线成线性关系，且R2 = 0.983 2，说明该曲线拟合得很好，即可以用β2来预测计算固化土的强度，如式（18）所示.

3.3   综合强度预测模型

式（18）成立的条件为淤泥质土中有机质含量为2%，添加剂掺入比为10%，龄期为7 d.考虑到有机质含量与添加剂掺入比对于固化土强度的影响，需要对式（18）进行完善，以考虑有机质含量和添加剂掺量对于固化土强度的影响.令a0、aTZ分别表示有机质和添加剂对于固化土强度的影响系数. q0为7 d基准强度，由表4可知，q0 = 177.60 kPa.

将式（19）（20）代入式（18）可以得到：

考虑龄期对于固化土强度的影响，根据式（13）可以得到不同龄期下固化土强度与7 d基准强度q0的比值.

根据式（21）（22）得到：

（23）

将a0、aTZ、β2等参数代入后，得到综合考虑龄期与其他影响因素的固化土强度模型如式（24）所示：

该模型在已知淤泥质土的含水量、塑限以及有机质含量的情况下，可以计算出不同龄期、二灰掺量、添加剂掺入比下固化土无侧限抗压强度的变化情况.

3.4   强度模型应用分析

在工程实际应用中，现场取样并通过室内土工试验得到淤泥质土的基本参数，如含水量、液塑限、有机质含量等，之后根据式（24）可以计算出添加不同比例的主固化剂以及添加剂下不同龄期的固化土强度，并通过与固化材料的经济方程进行联立，即可计算得到最优的固化方案.

为了验证本强度模型的准确性，通过14 d以及28 d龄期下不同含水量与主固化剂掺量的固化土进行试验，通过实测得到无侧限抗压强度值.同时，将对应的试验参数代入式（24）计算出预测值.

将预测值与实测值进行比较，如图6所示，可见预测的结果与实测结果较为接近，从而验证了本强度模型具有较好的适用性.

4   结   论

1）固化土的无侧限抗压强度与淤泥质土的含水量、有机质含量、主固化剂的掺量、添加剂的掺入比以及龄期都有一定的关系.其中含水量的增加会导致固化土的强度降低;龄期的增加可以使固化土强度不断提高，但提高的速度逐渐减缓;随着有机质含量、添加剂掺入比的增加，固化土的强度先提高后降低，存在最佳掺量;固化土的强度会随着主固化剂的掺量增加而提高，但该掺量存在惰性区，超过25%以后反应速度增加不明显.

2）固化土的单轴压缩曲线可以分为4个阶段，

在不同龄期下都可以很好地适用.通过引入修正的等效水灰比 ，建立与固化土强度的关系，并在此基础上建立了综合考虑淤泥质土的含水量、有机质含量、主固化剂掺量、添加剂掺入比以及龄期等因素的强度预测模型，并通过试验验证了该模型有较好的适用性.

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