劉 科，沈 揚(yáng)，劉漢龍

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210098；2.中國(guó)人民解放軍海軍91954部隊(duì)， 湖南 永州 425042)

隨著我國(guó)沿海城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，土地的需求量日益增加，呈現(xiàn)出寸土寸金的趨勢(shì)，為適應(yīng)城市化的發(fā)展要求，人工填(海)筑地基與吹(沖)填造陸技術(shù)為解決這一問題提供了一種新的思路與途徑。

所謂吹填土，是通過絞吸船把原狀淤泥在水中攪拌成一定比例濃度的泥漿經(jīng)過管道水力吹至圍堤內(nèi)沉積的過程[1]。在實(shí)施填海工程的地區(qū)通常擁有大量的海底淤泥，由于此時(shí)的淤泥含水率較高(高達(dá)100%以上)、壓縮性較高(一般壓縮系數(shù)av>2.0 MPa-1)、孔隙比大(大于2.5)、靈敏度很高、抗剪強(qiáng)度低(十字板抗剪強(qiáng)度小于10 kPa)、滲透系數(shù)和固結(jié)系數(shù)較小(滲透系數(shù)在10～6 cm/s以下量級(jí))，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在50 kPa以下，呈軟塑狀態(tài)。一般需要進(jìn)行有效的加固處理后才能應(yīng)用到工程建設(shè)中。采用水泥和生石灰作為固化劑進(jìn)行固化處理是一種有效的處理方法，當(dāng)淤泥與水泥或生石灰相接觸后，固化劑顆粒表面的礦物很快與粘土中的水發(fā)生水解、水化反應(yīng)以及凝硬、碳酸化作用，生成堅(jiān)硬的鈣化物，使土體具有一定的強(qiáng)度而達(dá)到加固的效果。

本文從我國(guó)國(guó)情和應(yīng)用性出發(fā), 考慮大面積處理和推廣，探討低價(jià)格淤泥固化技術(shù)，研究低水泥和石灰摻量條件下淤泥固化土的工程力學(xué)性質(zhì)。通過大量試驗(yàn)，分析了固化劑含量和養(yǎng)護(hù)齡期兩個(gè)因素對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)的影響，為吹填淤泥固化技術(shù)的推廣提供一定的經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用的淤泥取自浙江省溫州民營(yíng)科技產(chǎn)業(yè)基地永興園區(qū)吹填淤泥試驗(yàn)場(chǎng)地，該基地軟基處理面積160萬m2，其中科研試驗(yàn)研究場(chǎng)地20萬m2，淤泥的物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。由表1可見，經(jīng)真空預(yù)壓處理后，含水率不高，低于液限，處于可塑狀態(tài)。根據(jù)淤泥液限和塑性指數(shù)，可以確定該淤泥的分類為中塑性黏土(CI)。淤泥的級(jí)配曲線如圖1所示。顆粒組成中，小于0.005 mm的含量為42%，介于0.005～0.075 mm的含量為57.3%，大于0.075 mm的含量為0.7%。試驗(yàn)用的水泥為南京江南水泥廠生產(chǎn)的“鐘山牌”32.5#普通硅酸鹽水泥，生石灰采用Ⅱ級(jí)鈣質(zhì)石灰。

表1 試驗(yàn)淤泥物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣的制備方法是在淤泥中按照設(shè)計(jì)比例加入固化劑和水后用機(jī)械攪拌機(jī)強(qiáng)制攪拌均勻后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣分三層裝入內(nèi)徑3.91 cm、高8.0 cm的鋼制模具內(nèi)，每層經(jīng)小擊實(shí)錘擊實(shí)到特定高度后，用土工刀刮毛后再裝入下一層，直到裝滿。

圖1 試驗(yàn)淤泥的顆粒分布曲線

土樣裝入模具后用聚乙烯塑料袋密封并置于(20±2) ℃、濕度﹥90%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 h后進(jìn)行脫模，脫模后的試樣用塑料袋密封后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)到指定天數(shù)在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀器上進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)配比測(cè)定3個(gè)平行樣，取其平均值。試驗(yàn)結(jié)果見表2。試驗(yàn)配比SS-X-Y中，X代表X%的水泥摻量(干土的質(zhì)量比)，Y代表Y%的生石灰摻量。

表2 淤泥固化土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單一水泥固化強(qiáng)度分析

2.1.1水泥摻入比與強(qiáng)度的關(guān)系

從圖2中單一水泥摻量與強(qiáng)度的關(guān)系可以看出，在工程實(shí)用范圍內(nèi)，可以用式(1)來表示水泥摻入比與固化土強(qiáng)度的直線關(guān)系，而且各個(gè)齡期的相關(guān)度都在0.95以上。

qu=k(ac-a0)

(1)

式中，qu為固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；k為水泥固化系數(shù)，反映水泥固化效果；ac為水泥摻入比；a0為最低水泥摻入比。從圖2中擬合的三個(gè)公式可推出：該吹填淤泥固化的最低水泥摻入比為1%，當(dāng)水泥摻入比低于1%時(shí)，固化土幾乎沒有強(qiáng)度。最低摻入比隨著齡期的變化而變化不大[2]，據(jù)此可認(rèn)為，對(duì)于同一淤泥，a0基本不受齡期的影響。水泥固化系數(shù)k是反映水泥固化效果的指標(biāo)，k值越大表明水泥的固化效果越好，由圖2可看出k值隨著齡期的增長(zhǎng)而增加，固化土的前期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，到后期增長(zhǎng)趨緩。

圖2 固化土抗壓強(qiáng)度與水泥摻入比的關(guān)系

圖3 水泥固化系數(shù)與齡期的關(guān)系

水泥固化系數(shù)k與齡期的關(guān)系，可以用式(2)的乘冪關(guān)系來表示，見圖3?？煞奖愦_定某個(gè)齡期的固化系數(shù)。朱偉等[3]利用水泥加固海洋疏浚泥得到過類似的結(jié)果。

k=23.35t0.29

(2)

2.1.2齡期與強(qiáng)度的關(guān)系

Mitchell[4]給出了水泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式，公式表明無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期具有對(duì)數(shù)關(guān)系，李義喜[5]對(duì)水泥和石灰固化淤泥質(zhì)軟土的研究也得出了類似的結(jié)論。筆者分析了水泥固化吹填土在28 d養(yǎng)護(hù)期內(nèi)，固化土的強(qiáng)度與齡期的關(guān)系呈對(duì)數(shù)關(guān)系(見圖4)，這與Mitchell和李義喜的研究結(jié)果是一致的。本試驗(yàn)中，對(duì)于不同的水泥摻入比，強(qiáng)度隨齡期的變化也不相同，當(dāng)水泥摻入比為2%時(shí)，強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)速度較慢，而水泥摻入比為5%時(shí)，強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)較快。圖表還表明：水泥固化土的28 d強(qiáng)度比7 d強(qiáng)度可提高1.5～1.6倍，14 d強(qiáng)度比7 d強(qiáng)度可提高1.1～1.2倍，固化土的強(qiáng)度在28 d以后還有一定的增長(zhǎng)趨勢(shì)。《地基處理手冊(cè)》[6]的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，水泥土的90 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為28 d的2倍左右，可見，水泥土的強(qiáng)度在短期可以達(dá)到工程的預(yù)可值。

圖4 固化土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

2.2 單一生石灰固化強(qiáng)度分析

2.2.1生石灰摻入比與強(qiáng)度的關(guān)系

圖5可以看出，低配比石灰加固吹填淤泥的抗壓強(qiáng)度隨著石灰摻入比的增加而線性增長(zhǎng)，強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度沒有水泥土的大，隨著摻入比的增加，強(qiáng)度是等幅增長(zhǎng)。但研究表明[6]，隨著生石灰摻量的增加，強(qiáng)度并不是一直增大，增大到一定值后，反而降低了，這表明，生石灰的摻量存在一個(gè)最佳摻入比?？紤]到大面積推廣和經(jīng)濟(jì)性，這里暫未通過試驗(yàn)得到該吹填淤泥的生石灰最佳摻入比。

圖5 固化土抗壓強(qiáng)度與石灰摻入比的關(guān)系

2.2.2齡期與強(qiáng)度的關(guān)系

圖6 固化土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

圖6中可見，石灰土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在低配比下，隨著齡期的增長(zhǎng)，強(qiáng)度不斷增大，2%到3%這一過程強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，3%到5%區(qū)間增長(zhǎng)較慢。在同一含水率下，對(duì)比水泥土，同一低配比下的石灰土固化效果要稍好于水泥土，原因在于：生石灰提供鈣離子的能力及生成氫氧化鈣的數(shù)量要強(qiáng)于水泥。

2.3 水泥和生石灰雙摻固化強(qiáng)度分析

2.3.1水泥和生石灰雙摻摻入比與強(qiáng)度的關(guān)系

從雙摻效果圖7中可發(fā)現(xiàn)，隨著等比雙摻的增加，強(qiáng)度與摻入比是呈線性增長(zhǎng)的，但是前期強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，后期增加明顯，如等比1%摻量時(shí)，28 d強(qiáng)度值與14 d的強(qiáng)度值差不多，等比5%摻量時(shí)，28 d強(qiáng)度值增至14 d的強(qiáng)度值的兩倍，原因在于水泥摻量存在最低摻量，這時(shí)起固化作用的是生石灰，隨著等質(zhì)量的水泥和生石灰摻入量增加，鈣離子濃度和溶液的堿性環(huán)境增強(qiáng)，加速了水化產(chǎn)物的穩(wěn)定和析出，從而加強(qiáng)了土顆粒之間的連接，使土體強(qiáng)度得以增強(qiáng)。

圖7 固化土抗壓強(qiáng)度與水泥-石灰摻入比的關(guān)系

2.3.2水泥和生石灰雙摻，強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

由圖8可見，低配比雙摻的強(qiáng)度值與齡期的關(guān)系是近似線性關(guān)系，齡期為7 d和14 d時(shí)的強(qiáng)度增長(zhǎng)較緩慢，當(dāng)齡期為28 d的時(shí)候強(qiáng)度急劇增長(zhǎng)，這說明水泥和生石灰雙摻固化時(shí)，早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較緩慢，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)很快，能達(dá)到工程的強(qiáng)度要求值。

圖8 固化土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

2.3.3水泥和生石灰雙摻對(duì)比分析

選擇有代表性的2%配比和4%配比作為分析，由圖9和圖10可知，單一水泥或者生石灰的固化效果明顯差于同比例的雙摻效果，水泥和生石灰各1%雙摻的強(qiáng)度是單一2%水泥和單一2%生石灰的總和還大，水泥和生石灰各2%雙摻的強(qiáng)度雖不及單一4%水泥和單一4%生石灰的總和，但都大于單一配比固化劑摻量強(qiáng)度，這說明：水泥和生石灰雙摻固化的效果，要優(yōu)于單一的固化效果，另外，低配比下的單一水泥土強(qiáng)度是差于同比例摻量的石灰土強(qiáng)度的，但水泥土的強(qiáng)度隨著水泥的摻量增加，相比石灰土的強(qiáng)度增長(zhǎng)是較快的。

圖9 固化土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

圖10 固化土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1) 在一定含水率下的固化土，采用低配比的水泥或生石灰作為固化劑能有效提高吹填土的強(qiáng)度，但水泥固化土存在一個(gè)最低摻入比a0，當(dāng)水泥摻入比低于a0時(shí)，固化效果不明顯，當(dāng)水泥摻入比超過最低摻入比時(shí)，強(qiáng)度隨著摻入比的增加而增大。且對(duì)于同一吹填土，水泥固化系數(shù)與齡期呈乘冪關(guān)系，最低水泥摻入比基本不受齡期的影響。對(duì)于石灰土而言，則存在一個(gè)最佳摻入比，低于這一值時(shí)，強(qiáng)度隨著摻入比而增長(zhǎng)，大于這一值時(shí)，強(qiáng)度反而下降。這對(duì)于工程實(shí)際應(yīng)用，有一定的指導(dǎo)作用，實(shí)際工程中，要通過室內(nèi)試驗(yàn)來尋找這一水泥最低摻入比和石灰最佳摻入值。

(2) 在低配比條件下，水泥土的強(qiáng)度，可以通過對(duì)數(shù)曲線來預(yù)測(cè)，石灰土的強(qiáng)度，可通過線性關(guān)系來預(yù)測(cè)，水泥石灰土，也可以近似用線性關(guān)系曲線來預(yù)測(cè)強(qiáng)度值，以便指導(dǎo)工程實(shí)際。

(3) 水泥土早期強(qiáng)度不及石灰土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)的快，但隨著摻入比的增加，水泥土的后期固化效果要優(yōu)于石灰土后期固化效果。

(4) 水泥和生石灰雙摻固化效果，要優(yōu)于單一水泥或生石灰的固化效果。等質(zhì)量的水泥和生石灰摻入后，鈣離子濃度和溶液的堿性環(huán)境增強(qiáng)，加速了水化產(chǎn)物的穩(wěn)定和析出，從而加強(qiáng)了土顆粒之間的連接，使土體強(qiáng)度得以增強(qiáng)。生石灰與水泥相比是一種比較廉價(jià)的固化材料，生石灰和水泥共同作用可節(jié)省出等質(zhì)量的水泥，考慮到大面積吹填固化和經(jīng)濟(jì)性，可大大降低工程的造價(jià)。

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