王遠(yuǎn)明張鳳德諶柳明賀 揚(yáng)崔慶峰張志春

(1.黑龍江省三江工程建設(shè)管理局，黑龍江哈爾濱 150006; 2.國(guó)家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司，北京 100052; 3.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北武漢 430072)

水泥改性淤泥固化土的土—水特性★

王遠(yuǎn)明1張鳳德1諶柳明2賀 揚(yáng)3崔慶峰1張志春1

(1.黑龍江省三江工程建設(shè)管理局，黑龍江哈爾濱 150006; 2.國(guó)家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司，北京 100052; 3.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北武漢 430072)

采用基于非飽和瞬態(tài)流理論的TRIM系統(tǒng)，量測(cè)了改性淤泥固化土的土—水特征曲線(SWCC)，分析了壓實(shí)度、養(yǎng)護(hù)齡期和水泥摻量等因素對(duì)其SWCC的影響，并根據(jù)改性淤泥固化土SWCC的試驗(yàn)結(jié)果，分析了與初始孔隙比相關(guān)的SWCC模型參數(shù)預(yù)估模型，進(jìn)而建立了考慮壓實(shí)度和水泥摻量影響的改性淤泥固化土SWCC模型，通過(guò)分析不同影響因素下的SWCC，驗(yàn)證了所提出SWCC模型的合理性。

淤泥固化土，SWCC模型，水泥，壓實(shí)度

0 引言

與工程相關(guān)的淤泥疏浚和淤泥處理的社會(huì)需求逐漸增強(qiáng)，但由于淤泥強(qiáng)度低，難以直接將其應(yīng)用于工程。因此，將淤泥進(jìn)行加固處理對(duì)于工程建設(shè)和環(huán)境保護(hù)都有著非常重要的意義［1-4］。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)淤泥資源化利用的方法主要有以下四種方法:吹填造陸、物理脫水、熱處理和固化處理［2］。其中，應(yīng)用最普遍的是摻入固化劑進(jìn)行改性處理。姬鳳玲等［3］采用固化及輕量化處理技術(shù)開(kāi)發(fā)再生土工材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，研究了不同配比的淤泥固化土和輕量化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和密度，并分析了固化和輕量化的強(qiáng)度形成機(jī)理。王東星等［4］通過(guò)研究大摻量粉煤灰固化淤泥土進(jìn)行試驗(yàn)，認(rèn)為固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有不同程度增加，且水泥摻量越大，養(yǎng)護(hù)齡期越久，強(qiáng)度和彈性模量越大。經(jīng)分析可知:已有研究多集中探討單一方法或兩種改性劑混摻的固化效果，多種固化劑混摻固化淤泥的研究報(bào)道相對(duì)較少。

路基土一般屬于非飽和土范疇，因此其強(qiáng)度和變形特性需從非飽和土力學(xué)角度加以研究。土—水特性(SWCC)是非飽和土基本特性之一，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)不同天然土類(lèi)已經(jīng)進(jìn)行了相當(dāng)多的研究。但針對(duì)改性淤泥固化土，其工程性質(zhì)受改性劑摻量、養(yǎng)護(hù)齡期和壓實(shí)度等因素影響，因此，有必要深入研究淤泥固化土SWCC特性及其預(yù)測(cè)模型。

本文通過(guò)大量非飽和土試驗(yàn)，分析壓實(shí)度、養(yǎng)護(hù)齡期和水泥摻量等復(fù)雜因素影響下改性淤泥固化土SWCC演化規(guī)律;考慮非飽和土體積變形的影響，推導(dǎo)改性淤泥固化土的SWCC模型;以水泥摻量和壓實(shí)度(初始孔隙比)等指標(biāo)作為影響參數(shù)，得到了改性淤泥固化土的SWCC預(yù)估模型;通過(guò)不同水泥摻量和不同壓實(shí)度下改性淤泥固化土土—水特征曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證預(yù)估模型的合理性。

1 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方案

武漢東湖通道工程穿越國(guó)家4A級(jí)風(fēng)景區(qū)東湖，隧道采用明挖法施工，產(chǎn)生高達(dá)80萬(wàn)m3的淤泥質(zhì)土。該工程采用化學(xué)固化劑、機(jī)械脫水(形成泥餅)和水泥改性等復(fù)合處理方法對(duì)淤泥土進(jìn)行加固處理，形成水泥改性淤泥固化土，將其用作該工程路基填料，可實(shí)現(xiàn)資源化利用。本研究采用武漢大學(xué)巖土實(shí)驗(yàn)室Transient Release and Imbibitions Method(TRIM)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行SWCC試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)過(guò)程中天平所測(cè)得的溢出水量與時(shí)間關(guān)系曲線。根據(jù)其邊界條件與試樣及陶土板參數(shù)，通過(guò)HYDRUS-1D軟件擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線，通過(guò)反算，可獲得SWCC模型(V-G模型)參數(shù)［5，6］。

根據(jù)項(xiàng)目前期試驗(yàn)結(jié)果，本試驗(yàn)采用水泥摻量8%的改性淤泥固化土試樣［7］，其最大干密度為1.55 g/cm3，最優(yōu)含水率約25%。采用擊樣制樣法，制備直徑61.8 mm、高度25 mm的圓柱環(huán)刀樣，試樣壓實(shí)度分別為98%，96%，94%和92%。水泥改性淤泥固化土試樣養(yǎng)護(hù)條件為溫度(20±1)℃、濕度98%，養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d，14 d和28 d等三種養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水泥改性劑對(duì)SWCC的影響

96%壓實(shí)度下，無(wú)水泥與8%水泥摻量改性淤泥固化土的SWCC如圖1所示，分析所得計(jì)算參數(shù)如表1所示。根據(jù)圖1和表1，經(jīng)分析可知:

1)水泥改性淤泥固化土試樣的飽和體積含水率較低。這是由于水泥摻入固化土后，產(chǎn)生水化反應(yīng)并生成水化產(chǎn)物。水化產(chǎn)物與土顆粒相結(jié)合，土顆粒表面的水泥反應(yīng)產(chǎn)物可將土顆粒包裹，形成較大的膠結(jié)顆粒，使土體中的孔隙減小。

2)素淤泥固化土曲線斜率的絕對(duì)值比改性淤泥固化土大，這充分說(shuō)明素淤泥固化土持水性更差。事實(shí)上，對(duì)于斜率較大的SWCC曲線，其V-G模型［8］的擬合參數(shù)n值較大，這表明其孔徑分布更均勻。這是由于水泥與土顆粒的結(jié)合不僅附著于土顆粒表面，還會(huì)通過(guò)水化產(chǎn)物形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這樣可導(dǎo)致孔徑的分布更為集中于某些尺寸，從而使水泥改性淤泥固化土的n值較小，孔徑均勻性更差。

圖1 96%壓實(shí)度下改性淤泥固化土與素固化土的SWCC

2.2 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)SWCC的影響

表1 96%壓實(shí)度下改性淤泥固化土與素淤泥固化土SWCC參數(shù)

在8%水泥摻量，96%壓實(shí)度條件下，不同養(yǎng)護(hù)齡期的改性淤泥固化土的SWCC如圖2所示。分析圖2可知:不同養(yǎng)護(hù)齡期下改性淤泥固化土的SWCC曲線比較接近。這表明:當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到7 d后，養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)SWCC的影響并不大。究其原因，這是由于水泥能夠與水發(fā)生水化反應(yīng)，形成水化鋁酸鈣和硅酸鈣等膠結(jié)產(chǎn)物，水泥水化物易溶于水，只有少量析出的水化物相互凝結(jié)硬化形成水泥石骨架。隨著水泥水解和水化反應(yīng)的深入，大量鈣離子析出，在偏堿性的環(huán)境中，這些多余的鈣離子和土體中氧化硅、氧化鋁發(fā)生反應(yīng)，生成穩(wěn)定不溶于水的結(jié)晶化合物。這些新生結(jié)晶化合物逐漸硬化固結(jié)，使改性淤泥固化土內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，孔隙結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，且不受養(yǎng)護(hù)齡期影響。

圖2 8%水泥摻量、96%壓實(shí)度下，不同養(yǎng)護(hù)齡期的水泥改性淤泥固化土的SWCC

2.3 壓實(shí)度對(duì)SWCC的影響

8%水泥摻量下，各養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)應(yīng)不同壓實(shí)度下改性淤泥固化土的SWCC曲線，如圖3所示。由圖3可知:隨著壓實(shí)度增大，土體進(jìn)氣值和殘余含水率隨之增大，但飽和含水率有所減小。經(jīng)分析可知，這種現(xiàn)象主要是由于壓實(shí)度增加導(dǎo)致土顆粒變得更加致密，最大孔隙的曲率半徑隨之減小;同體積下土顆粒短程吸附力所吸附的孔隙水含量顯著增加，引起土樣的進(jìn)氣值和殘余含水率增大;同時(shí)，孔隙比減小使飽和狀態(tài)下水的體積減小，導(dǎo)致土體飽和含水率降低。

圖3 不同壓實(shí)度下的改性淤泥固化土的土—水特征曲線

3 改性淤泥固化土的SWCC預(yù)估模型

3.1 水泥摻量對(duì)模型參數(shù)的影響

由上述分析可知，SWCC受多種因素影響，而從微細(xì)觀層面來(lái)講，主要由土的孔隙結(jié)構(gòu)所決定［9］，因此，本研究采用Van Genuchten模型(如式(1)所示)描述水泥改性淤泥固化土的SWCC特征。

其中，θr為殘余體積含水率;θs為飽和體積含水率;a為模型擬合參數(shù)，與土體的最大孔徑有關(guān)，約為進(jìn)氣值的倒數(shù);n為模型擬合參數(shù)，與土體的孔徑分布有關(guān);m為模型擬合參數(shù)，與土體特征曲線的整體對(duì)稱(chēng)性有關(guān)，通常取m=1－1/n。

在摻入水泥后及養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的膠結(jié)產(chǎn)物與土顆粒相結(jié)合，進(jìn)而填充土顆粒之間的孔隙，從而改變了土顆粒之間的孔隙結(jié)構(gòu)。另外，壓實(shí)度的不同將直接影響土體孔隙比。因此，水泥摻量和壓實(shí)度都能改變初始孔隙比，進(jìn)而影響SWCC特征。

1)反映水泥摻量影響的改性淤泥固化土初始孔隙比的預(yù)估。黃新等人［10］指出，水泥摻量對(duì)固化土的結(jié)構(gòu)影響主要來(lái)源于膠結(jié)和孔隙填充。從其建立的復(fù)合土顆粒堆積模型可以看出:固化土中水泥含量較少時(shí)，在土顆粒間主要為膠結(jié)作用;當(dāng)水泥充分覆蓋于土顆粒表面后，繼續(xù)填充土顆粒之間孔隙，孔隙率與土體和水泥的堆積體積相關(guān)。因此，隨著水泥摻量增加，土的初始孔隙比會(huì)減小。本試驗(yàn)采用96%壓實(shí)度試樣，在不同水泥摻量下養(yǎng)護(hù)28 d后，量測(cè)試樣的初始孔隙比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同水泥摻量改性淤泥固化土的初始孔隙比變化曲線

分析圖4可知，水泥摻量從0%增加至8%，初始孔隙比隨水泥摻量近似呈線性減小。因此，可以得到如下擬合公式:

其中，x為水泥摻量;e0(x)為水泥改性淤泥固化土的初始孔隙比;k1，k2均為擬合參數(shù);ec為該壓實(shí)度下無(wú)水泥的素淤泥固化土的初始孔隙比。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，分析可得到k1=－1.006，k2=0.002。

2)初始孔隙比對(duì)SWCC模型參數(shù)的影響。在8%水泥摻量和28 d養(yǎng)護(hù)齡期條件下，不同壓實(shí)度(初始孔隙比)下的模型參數(shù)a，n的數(shù)值隨初始孔隙比的變化規(guī)律如圖5所示。

經(jīng)分析可知:試樣初始孔隙比(e0)越大，即壓實(shí)度相應(yīng)越小，則相應(yīng)大孔隙所占比重越大，導(dǎo)致進(jìn)氣值越小，即a值就越大。相關(guān)文獻(xiàn)分析結(jié)果表明［11-15］，進(jìn)氣值的自然對(duì)數(shù)與初始孔隙比呈近似線性關(guān)系，具體數(shù)學(xué)關(guān)系模型如式(3)所示。

分析圖5數(shù)據(jù)，進(jìn)行擬合分析后計(jì)算參數(shù)A和B的數(shù)值，即分別為3.366×10－3和4.898。據(jù)此，可以建立如式(4)所示數(shù)學(xué)關(guān)系:

其中，n值反映了孔徑大小分布的均勻性，n值越大表明土樣的孔隙分布越均勻［11］。對(duì)n值變化的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合，參數(shù)C 和D的擬合值分別為2.694和1.449，即所得關(guān)系式如式(5)所示。

圖5 不同初始孔隙比的水泥改性淤泥固化土V-G模型參數(shù)的變化

3.2 改性淤泥固化土的SWCC模型

綜合以上幾個(gè)關(guān)系式，經(jīng)分析計(jì)算，可得反映水泥摻量影響的改性固化淤泥土的SWCC預(yù)估模型，如式(6)所示。

其中，θr為殘余體積含水率;θs為飽和體積含水率;x為水泥摻量;e0(x)為水泥固化土的初始孔隙比。

3.3 預(yù)估模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證預(yù)估模型(見(jiàn)式(6))的準(zhǔn)確性，需要再次進(jìn)行改性淤泥固化土試樣的SWCC試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)如下，試驗(yàn)(一):養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，2%水泥摻量，92%，94%，96%和98%等4種不同壓實(shí)度;試驗(yàn)(二):壓實(shí)度為92%，2%，4%，6%和8%等4種不同水泥摻量，測(cè)量對(duì)應(yīng)壓實(shí)度下的素固化土孔隙比。

圖6為92%壓實(shí)度、不同水泥摻量對(duì)應(yīng)的改性淤泥固化土28 d養(yǎng)護(hù)后的SWCC曲線，擬合參數(shù)值如表2所示。分析后可知:初始孔隙比e0和a值的預(yù)估值和實(shí)測(cè)值的最大差值分別為0.013 和0.002 7，而n的預(yù)估值與實(shí)測(cè)值則十分接近。

圖6 92%壓實(shí)度下，不同摻量的改性淤泥固化土的預(yù)估土—水特征曲線與實(shí)測(cè)值

圖7 2%水泥摻量下，不同壓實(shí)度的改性淤泥固化土的預(yù)估土—水特征曲線與實(shí)測(cè)值

圖7為2%水泥摻量下，不同壓實(shí)度的改性淤泥固化土的SWCC曲線特征。根據(jù)表3可知，初始孔隙比e0和參數(shù)a的預(yù)估值和實(shí)測(cè)值的最大差值分別為0.013和0.002 1，而n的實(shí)測(cè)值與預(yù)估值的最大差值為0.12。也就是說(shuō)，本文所給出的預(yù)估公式是比較合理的。

表2 92%壓實(shí)度下，不同摻量的改性淤泥固化土的參數(shù)預(yù)估值與實(shí)測(cè)值

表3 2%水泥摻量下，不同壓實(shí)度的改性淤泥固化土的參數(shù)預(yù)估值與實(shí)測(cè)值

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)武漢東湖穿湖隧道淤泥，以資源化利用(路基填料)為目標(biāo)，利用化學(xué)固化劑和機(jī)械脫水等相結(jié)合技術(shù)得到淤泥固化土。摻入水泥進(jìn)行改性處理后，本研究重點(diǎn)分析了水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期和壓實(shí)度(初始孔隙比)等參數(shù)影響下改性淤泥固化土的SWCC變化規(guī)律。分析所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得如下結(jié)論:1)水泥改性淤泥固化土相較于素淤泥固化土，其進(jìn)氣值和殘余含水率均更大，飽和含水率和初始孔隙比均更低。隨著壓實(shí)度增大，土的進(jìn)氣值逐漸增大，殘余含水率升高而飽和含水率降低。養(yǎng)護(hù)齡期超過(guò)7 d以后，養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)改性淤泥固化土SWCC的影響相對(duì)較小。2)提出了考慮水泥摻量影響的改性淤泥固化土初始孔隙比預(yù)估模型，分析了初始孔隙比對(duì)V-G模型參數(shù)的影響規(guī)律，建立了考慮水泥摻量和初始孔隙比(壓實(shí)度)影響的改性淤泥固化土SWCC模型。3)針對(duì)不同水泥摻量和不同壓實(shí)度的改性淤泥固化土樣，開(kāi)展SWCC試驗(yàn)，通過(guò)模型參數(shù)預(yù)估值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，證明本文所提出改性淤泥固化土SWCC模型是合理的。

［1］ 陳士強(qiáng)，季光明，楊國(guó)錄，等.清淤泥漿脫水固結(jié)一體化處理方法:中國(guó)專(zhuān)利，CN101746942B［P］.2010-06-23.

［2］ 朱 偉，劉漢龍，高玉峰.工程廢棄土的再生資源利用技術(shù)［J］.再生資源研究，2001(6):32-35.

［3］ 姬鳳玲，朱 偉，張春雷.疏浚淤泥的土工材料化處理技術(shù)的試驗(yàn)與探討［J］.巖土力學(xué)，2004(12):1999-2002.

［4］ 王東星，徐衛(wèi)亞.大摻量粉煤灰淤泥固化土的強(qiáng)度與耐久性研究［J］.巖土力學(xué)，2012(12):3659-3664.

［5］ Childs E C，Collis-George N.The Permeability of Porous Materials［J］.Royal Society of London Proceedings，1950，201 (1066):392-405.

［6］ Fredlund M D，F(xiàn)redlund D G，Wilson G W.Prediction of the Soil-Water Characteristic Curve from Grain-Size Distribution and Volume-Mass Properties［J］.Proceedings of The Symposium on Unsaturated Soil Rio De Janeiro，1997(7):13-23.

［7］ 諶柳明，戴小松，徐順平.水泥固化東湖淤泥的工程性質(zhì)試驗(yàn)研究［J］.南水北調(diào)與水利科技，2016，14(2):131-135.

［8］ 張俊峰，戴小松，鄒維列，等.水泥改性固化脫水淤泥路用性能試驗(yàn)［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2015(11):2165-2171.

［9］ Richards L A.Capillary Conduction of Liquids Through Porous Mediums［J］.Physics，1931，1(5):318-333.

［10］ 黃 新，寧建國(guó)，郭 曄，等.水泥含量對(duì)固化土結(jié)構(gòu)形成的影響研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006(4):436-441.

［11］ 張欽喜，陳 鵬，楊宇友，等.非飽和土土—水特征曲線試驗(yàn)及在工程中的應(yīng)用［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(8): 1185-1189.

［12］ 趙成剛，李 艦，劉 艷，等.非飽和土力學(xué)中幾個(gè)基本問(wèn)題的探討［J］.巖土力學(xué)，2013(7):1825-1831.

［13］ 張雪東.土水特征曲線及其在非飽和土力學(xué)中應(yīng)用的基本問(wèn)題研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2010.

［14］ 張?jiān)诿?，沈小克，周宏磊，?國(guó)家大劇院工程中的幾個(gè)巖土工程問(wèn)題［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2009(1):60-65.

［15］ 姚攀峰，張 明，劉曉春，等.北京地區(qū)非飽和土土壓力初步研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2005(5):57-59.

Soil-water characteristics of solidified sludge modified with cement★

Wang Yuanming1Zhang Fengde1Shen Liuming2He Yang3Cui Qingfeng1Zhang Zhichun1

(1.Sanjiang Engineering Construction Administration Bureau of Heilongjiang，Harbin 150006，China; 2.AC Construction Branch，State Grid Corporation of China，Beijing 100052，China; 3.School of Civil Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China)

The Soil-Water Characteristic Curve(SWCC)of solidified sludge soil modified with cement was measured by TRIM system based on unsaturated transient flow theory.The influence of compaction degree，curing age and cement content on SWCC was emphatically analyzed.According to the experimental results of SWCC on cement-modified sludge soils，the established method for predicting the parameters of SWCC model related to the initial void ratio are analyzed，and then the SWCC model considering the effect of compaction degree，curing age and cement content is established.The SWCC model is proved to be reasonable by evaluation the effect of different influencing factors.

solidified sludge soil，SWCC model，cement，compaction degree

TU443

A

1009-6825(2016)35-0067-04

2016-10-09

★:黑龍江三江工程建設(shè)管理局項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):SGZL/KY-15);中建三局投資發(fā)展有限公司科技項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):250000270)

王遠(yuǎn)明(1984-)，男，博士