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(上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201306)

固化疏浚土宏-微觀力學(xué)特性室內(nèi)試驗(yàn)研究

史旦達(dá)，齊夢(mèng)菊，許冰沁，劉文白

(上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201306)

以上海某沿海港域吹填場(chǎng)地的砂土和黏土為試驗(yàn)土料，通過(guò)摻入自制固化劑和WK-G1型固化劑在室內(nèi)制備固化疏浚土試樣，采用土力學(xué)直剪和壓縮試驗(yàn)方法，著重分析了固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化疏浚土試樣抗剪強(qiáng)度與壓縮變形特性的影響。此外，利用掃描電鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)從微觀層面分析了固化疏浚土試樣的結(jié)構(gòu)特征，采用Image-Pro Plus(IPP)圖像處理軟件和自編MatLab程序，提取和分析與顆粒、孔隙及顆粒表面起伏相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)分維數(shù)，基于分形理論，探討了固化過(guò)程中試樣微觀結(jié)構(gòu)變化與宏觀強(qiáng)度及變形特性的宏微觀關(guān)聯(lián)。試驗(yàn)結(jié)果表明：無(wú)論砂土還是黏土，試樣壓縮模量和抗剪強(qiáng)度均隨固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加呈現(xiàn)出非線性增長(zhǎng)規(guī)律，在微觀機(jī)制上，試樣壓縮模量和抗剪強(qiáng)度的提升與顆粒平均面積與平均半徑的增加密切相關(guān)。

固化疏浚土；抗剪強(qiáng)度；壓縮變形；微觀結(jié)構(gòu)；分維數(shù)

1 研究背景

港口航道的疏浚每年產(chǎn)生大量疏浚土，利用疏浚土進(jìn)行圍海造陸是資源化利用的重要途徑。然而，由水力吹填形成的疏浚土場(chǎng)地含水量高、壓縮性強(qiáng)、承載力低，需要采用物理或化學(xué)方法進(jìn)行處理后方能為工程建設(shè)使用。在港口場(chǎng)區(qū)的道路、堆場(chǎng)建設(shè)中，采用固化劑摻入土體形成固化疏浚土地基已經(jīng)被證明是一種快速有效的地基加固方法[1]。關(guān)于固化疏浚土力學(xué)性能的研究通常采用室內(nèi)試驗(yàn)方法。譬如，丁建文等(2012)[2]采用室內(nèi)壓縮試驗(yàn)研究了高含水率疏浚淤泥固化土的壓縮特性。王賢昆等(2015)[3]基于室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)分析了不同養(yǎng)護(hù)齡期下水泥摻量、脫硫石膏及粉煤灰對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響。羅麗等(2016)[4]進(jìn)行了固化疏浚土試樣的室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)。為了深入分析固化土體的微觀結(jié)構(gòu)，掃描電鏡SEM、X射線衍射等技術(shù)受到了格外關(guān)注。例如，崔德山等(2009)[5]利用X射線衍射技術(shù)分析了離子土固化劑處理后紅黏土的物相變化特征。梁仕華等(2015)[6]采用SEM分析了外摻水泥基固化劑后南沙軟土的微觀結(jié)構(gòu)變化。鄧永峰等(2016)[7]利用SEM技術(shù)分析了摻入地聚合物固化后水泥土結(jié)構(gòu)的微觀變化。然而，目前關(guān)于高含水率吹填疏浚土固化微觀結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究相對(duì)較少。

本文針對(duì)上海長(zhǎng)江口高含水率疏浚土(砂土、黏土)，以自制固化劑和WK-G1固化劑作為固化材料，采用室內(nèi)壓縮和直剪試驗(yàn)，研究了不同固化劑摻入量和不同養(yǎng)護(hù)齡期下固化疏浚土試樣的壓縮模量和抗剪強(qiáng)度變化。此外，針對(duì)摻入1.2%WK-G1固化劑工況，利用SEM攝取不同養(yǎng)護(hù)齡期下固化土樣的微觀結(jié)構(gòu)圖像，基于分形理論，采用IPP圖像處理軟件和自編MatLab程序，提取和分析試樣微觀結(jié)構(gòu)分維數(shù)，定量分析了微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與宏觀力學(xué)特性之間的關(guān)聯(lián)。

2 試驗(yàn)材料、儀器及方案

2.1 試驗(yàn)土料

試驗(yàn)土料取自上海某沿海港域水力吹填區(qū)的吹填土，取自表層0～1 m范圍內(nèi)，土料分砂土和黏土2類(lèi)。砂土和黏土的物理力學(xué)特性指標(biāo)匯總于表1。

表1 砂土和黏土的物理力學(xué)特性指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical indices oftest sandy soil and clay

2.2 試驗(yàn)固化劑

試驗(yàn)固化劑有2種：自制固化劑和WK-G1固化劑。自制固化劑主要由一種膠結(jié)物和激發(fā)劑組成，其中激發(fā)劑的主要成分是木質(zhì)素，木質(zhì)素是由聚合的芳香醇構(gòu)成的一種復(fù)雜酚類(lèi)聚合物，對(duì)于提高拌合物保水性、和易性，及短時(shí)間內(nèi)增加土壤拌合物的強(qiáng)度和土體顆粒之間的黏聚力具有良好效果。WK-G1固化劑由日本中央化學(xué)研究所于20世紀(jì)90年代研制，由多種無(wú)機(jī)金屬鹽配合反應(yīng)制成，由于腐殖質(zhì)土壤顆粒具有強(qiáng)烈的水膜吸附能力，摻入WK-G1固化劑能在土壤顆粒表面產(chǎn)生腐殖質(zhì)酸(R-COOH)，能夠致密土體結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[8]。

2.3 試驗(yàn)儀器

固結(jié)試驗(yàn)也稱(chēng)壓縮試驗(yàn)，可用于測(cè)定土體的側(cè)限壓縮模量Es等變形特性指標(biāo)。本次固結(jié)試驗(yàn)的裝置為WG型單杠桿固結(jié)儀。直剪試驗(yàn)可用于測(cè)定土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c)，本次試驗(yàn)采用的直剪儀為ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀。采用掃描電鏡SEM攝取固化疏浚土試樣微觀結(jié)構(gòu)圖像，本次試驗(yàn)采用低真空超高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(LV UHR FE-SEM)。

2.4 試驗(yàn)方案和試驗(yàn)過(guò)程

對(duì)于砂土和黏土，均進(jìn)行了固結(jié)試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)。對(duì)于每種土料，均考慮了固化劑類(lèi)型、固化劑摻量、養(yǎng)護(hù)齡期3種變化因素。具體的試驗(yàn)方案匯總于表2。

表2 試驗(yàn)方案

固結(jié)試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)的操作過(guò)程參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[9]進(jìn)行。

2.4.1 固結(jié)試驗(yàn)

固結(jié)試驗(yàn)采用應(yīng)變控制連續(xù)加荷試驗(yàn)，先用環(huán)刀切取固化土試樣，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定時(shí)間后，將固化土試樣放置于固結(jié)盒內(nèi)，放置上透水板和加壓上蓋后等待施加豎向壓力；先施加1 kPa的頂部預(yù)壓力使儀器上、下部件緊密接觸，隨后以0.01%/min的速率連續(xù)施加豎向壓力，前10 min每隔1 min、隨后1 h每隔5 min、1 h后每隔15 min測(cè)定一次豎向壓力和試樣變形值，直至加載至豎向壓力為1 MPa時(shí)停止試驗(yàn)；根據(jù)測(cè)得的豎向壓力和變形值(換算成孔隙比)繪制壓縮曲線，從壓縮曲線上求得100～200 kPa壓力范圍內(nèi)的壓縮模量Es；固結(jié)試驗(yàn)重點(diǎn)研究固化土樣的壓縮模量Es與固化劑摻量、養(yǎng)護(hù)齡期之間的關(guān)系。

2.4.2 直剪試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)參照快剪試驗(yàn)方法進(jìn)行，剪切速率控制為0.8 mm/min，豎向壓力分100，200，300，400 kPa 4種工況；試驗(yàn)過(guò)程中讀取剪應(yīng)力峰值并繪制峰值剪應(yīng)力-豎向壓力關(guān)系曲線，經(jīng)線性擬合后得到試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c)；直剪試驗(yàn)著重分析固化土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與固化劑摻量、養(yǎng)護(hù)齡期之間的關(guān)系。

2.4.3 掃描電鏡試驗(yàn)

掃描電鏡試驗(yàn)時(shí)，將測(cè)試土樣經(jīng)烘箱干燥后切成直徑<18 mm、高度<8 mm的土樣，再用小刀將土樣切開(kāi)，將新鮮表面暴露在上層用來(lái)拍攝微觀結(jié)構(gòu)圖像，采用掃描電鏡對(duì)樣品顆粒和孔隙形貌進(jìn)行觀察，選擇具有代表性的區(qū)域拍攝圖像，圖像的放大倍數(shù)為2 000倍。

3 宏觀力學(xué)特性指標(biāo)分析

3.1 壓縮模量變化規(guī)律

表3給出了固結(jié)試驗(yàn)得到的固化砂土試樣的壓縮模量數(shù)值。由表3可知，無(wú)論采用自制固化劑還是WK-G1固化劑，壓縮模量均隨著固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加。無(wú)論采用何種固結(jié)劑摻量，養(yǎng)護(hù)7 d壓縮模量的增加幅度最顯著；之后隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，壓縮模量雖不斷增長(zhǎng)，但增加的幅度明顯減弱。隨著固化劑摻量的增加，壓縮模量雖不斷增長(zhǎng)，但其增長(zhǎng)規(guī)律并非線性，以采用自制固化劑情況為例，無(wú)論何種養(yǎng)護(hù)齡期，摻量為8%時(shí)壓縮模量的增長(zhǎng)最顯著，而摻量12%時(shí)的壓縮模量數(shù)值與摻量10%時(shí)的數(shù)值較為接近，可以認(rèn)為當(dāng)自制固化劑摻量達(dá)到10%左右時(shí)，壓縮模量已不再隨固化劑摻量的增加而顯著增長(zhǎng)；對(duì)于采用WK-G1固化劑的情況，也呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律。

表3 固化砂土試樣的壓縮模量 Table 3 Compression moduli of solidifiedsandy soils MPa

表4給出了固化黏土試樣的壓縮模量數(shù)值。由表4可知，對(duì)于黏土試樣，壓縮模量隨固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)齡期增加而呈現(xiàn)的非線性增長(zhǎng)規(guī)律與砂土試驗(yàn)結(jié)果基本一致。但是對(duì)比表4與表3數(shù)值可知，在相同固化劑摻量和同一養(yǎng)護(hù)齡期條件下，無(wú)論采用何種固化劑，固化黏土試樣壓縮模量的增長(zhǎng)率都要明顯大于固化砂土試樣。例如，對(duì)于摻入12%自制固化劑、養(yǎng)護(hù)至30 d的情況，固化黏土試樣的壓縮模量比原始土樣增加7.52倍，而對(duì)應(yīng)的固化砂土試樣則僅增加2.09倍；對(duì)于摻入1.5%WK-G1固化劑、養(yǎng)護(hù)至30 d的情況，固化黏土試樣的壓縮模量比原始土樣增加7.84倍，而對(duì)應(yīng)的固化砂土試樣則僅增加1.91倍。上述情況表明，黏土在摻入固化劑后抗壓縮性能急劇增長(zhǎng)，其壓縮模量的增長(zhǎng)率比砂土顯著。

表4 固化黏土試樣的壓縮模量Table 4 Compression moduli of solidified clayspecimens MPa

表5固化砂土試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角
Table5Cohesionandinternalfrictionangleofsolidifiedsandysoils

養(yǎng)護(hù)齡期/d原始砂土樣c/kPaφ/(°)自制固化劑不同摻量下的黏聚力和內(nèi)摩擦角WK-G1固化劑不同摻量下的黏聚力和內(nèi)摩擦角8%10%12%0．8%1．2%1．5%c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)70．9235．6168．843．3188．943．4197．244．2162．440．7205．541．3221．841．5150．9235．6208．247．3258．747．9283．548．2188．145．7242．246．7298．146．8300．9235．6277．149．3365．949．5405．549．8341．348．2443．149．1487．149．5

表6固化黏土試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角
Table6Cohesionandinternalfrictionangleofsolidifiedclayspecimens

養(yǎng)護(hù)齡期/d原始黏土樣c/kPaφ/(°)自制固化劑不同摻量下的黏聚力和內(nèi)摩擦角WK-G1固化劑不同摻量下的黏聚力和內(nèi)摩擦角8%10%12%0．8%1．2%1．5%c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)70．555．3163．123．8190．829．5210．232．3209．130．8229．235．1234．837．1150．555．3201．824．6306．329．9350．432．5274．331．1324．736．1341．337．4300．555．3299．124．8407．630．3456．932．6386．231．3438．636．8458．737．6

3.2 黏聚力和內(nèi)摩擦角變化規(guī)律

表5給出了直剪試驗(yàn)得到的固化砂土試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角數(shù)值。分析表5可知，固化劑對(duì)砂土試樣抗剪強(qiáng)度的提高主要體現(xiàn)在對(duì)其黏聚力的顯著提升上，而對(duì)其內(nèi)摩擦角的提升幅度較為有限。例如，當(dāng)摻入12%自制固化劑、養(yǎng)護(hù)30 d后，固化砂土試樣的黏聚力c可達(dá)405.5 kPa，與原始土樣相比(僅為0.92 kPa)，增加440倍；當(dāng)摻入1.5%WK-G1固化劑、養(yǎng)護(hù)30 d時(shí)，固化砂土試樣的黏聚力c達(dá)到487.1 kPa，與原始土樣相比,增幅為528倍。養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)固化砂土試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有顯著影響，在本文試驗(yàn)中，與養(yǎng)護(hù)7 d的情況相比，養(yǎng)護(hù)至30 d后固化砂土試樣的黏聚力增幅可達(dá)60%～120%；且無(wú)論采用哪種固化劑，固化劑摻入量越高，這一由養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加帶來(lái)的黏聚力增幅愈加明顯。與前文壓縮模量的變化規(guī)律類(lèi)似，固化砂土試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)并不隨固化劑摻量的增加而線性增加，當(dāng)自制固化劑摻量超過(guò)10%、WK-G1固化劑摻量超過(guò)1.2%時(shí)，固化砂土試樣黏聚力的增長(zhǎng)幅度已顯著減小。

表6給出固化黏土試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角數(shù)值。由表6可知，與砂土試樣相比，摻入固化劑可以同時(shí)顯著提升黏土試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角。例如，當(dāng)摻入12%自制固化劑、養(yǎng)護(hù)30 d時(shí)，固化黏土試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為456.9 kPa和32.6°，與原始土樣相比(c和φ分別為0.55 kPa和5.3°)，增幅分別為830倍和5.2倍；當(dāng)摻入1.5%WK-G1固化劑、養(yǎng)護(hù)30 d時(shí)，固化黏土試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為458.7 kPa和37.6°，與原始土樣相比，增幅分別為833倍和6.1倍。對(duì)比前文砂土試樣結(jié)果，黏土在摻入固化劑后其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的增長(zhǎng)幅度要比砂土顯著。與砂土類(lèi)似，固化黏土試樣的黏聚力也隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增長(zhǎng)，且固化劑摻量越高，增幅越顯著；以摻入12%自制固化劑為例，養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)黏聚力為210.2 kPa，養(yǎng)護(hù)至30 d黏聚力可增至456.9 kPa，數(shù)值上可達(dá)養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)的2.17倍。

4 微觀結(jié)構(gòu)分析

4.1 微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)及宏-微觀關(guān)聯(lián)

由SEM拍攝得到試樣表面微觀圖像后，進(jìn)一步采用IPP圖像處理軟件和自編MatLab程序?qū)EM圖像進(jìn)行處理，采用圖像分割算法將灰度圖像分割成黑白二值圖像，進(jìn)而從圖像中區(qū)分出顆粒和孔隙，進(jìn)一步提取出試樣表面微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括顆粒和孔隙的個(gè)數(shù)、顆粒和孔隙的平均面積、顆粒和孔隙的平均半徑。限于篇幅，本文僅介紹摻入1.2%WK-G1固化劑工況下砂土和黏土試樣(養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為7，15，30 d)的微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，同時(shí)給出原始土樣結(jié)果以便對(duì)比分析。

4.1.1 砂土試樣

圖1中的(a)和(b)分別給出了原始砂土試樣和摻入1.2%WK-G1固化劑養(yǎng)護(hù)30 d后固化砂土試樣的SEM圖像。分析圖1可知，固化前砂土顆粒輪廓清晰可見(jiàn)，顆粒之間的孔隙大且明顯；加入固化劑后，由于固化劑對(duì)顆粒的膠結(jié)作用，顆粒之間粘結(jié)成絮凝狀，相鄰砂土顆粒凝結(jié)在一起，形成大的顆粒團(tuán)，同時(shí)孔隙分布更加疏散，出現(xiàn)了許多微小的孔隙。

圖1 砂土試樣SEM圖像Fig.1 SEM pictures of sand samples

表7給出了不同養(yǎng)護(hù)齡期下砂土試樣微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)果。由表7可知，摻入固化劑后，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，顆粒個(gè)數(shù)逐漸減少，而顆粒平均面積和平均半徑均逐漸增加，這說(shuō)明在固化劑的膠結(jié)作用下，砂土顆粒相互凝結(jié)形成大顆粒團(tuán)；相對(duì)應(yīng)的，孔隙的個(gè)數(shù)逐漸增加，而孔隙平均面積和平均半徑均逐漸減小，這是由于固化劑填充于大孔隙中，導(dǎo)致孔隙分布趨于疏散，出現(xiàn)微小孔隙。

表7 固化砂土試樣微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 7 Microstructure parameters of solidified sandy soil

圖2中的(a)—(c)分別給出了固化砂土試樣顆粒和孔隙個(gè)數(shù)、顆粒和孔隙平均面積、顆粒和孔隙平均半徑與宏觀壓縮模量之間的關(guān)系。分析圖2可得幾點(diǎn)規(guī)律：①宏觀壓縮模量的變化與固化砂土試樣微觀結(jié)構(gòu)的變化密切相關(guān)；②壓縮模量的增加與固相顆粒個(gè)數(shù)的減少(由于大顆粒團(tuán)的生成)及顆粒平均半徑的增加均呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，前者的決定系數(shù)R2為0.978，后者的決定系數(shù)R2為0.964，而壓縮模量與固相顆粒平均面積的關(guān)系可由冪指數(shù)增長(zhǎng)函數(shù)較好地?cái)M合；③壓縮模量的增加與孔隙個(gè)數(shù)的增加、以及孔隙平均面積與平均半徑的減小均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，其決定系數(shù)R2均在0.9以上。

圖2 固化砂土試樣宏觀壓縮模量與顆粒(孔隙)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between compression modulus and microstructure parameters of solidified sandy soil

圖3 固化砂土試樣黏聚力與顆粒(孔隙)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between cohesion and microstructure parameters of solidified sandy soil

由前文3.2節(jié)可知，對(duì)于砂土試樣，固化劑對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在對(duì)其黏聚力指標(biāo)的顯著提升上。因此，本節(jié)僅分析固化砂土試樣宏觀黏聚力與微觀結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)聯(lián)。圖3中的(a)—(c)分別給出了顆粒和孔隙個(gè)數(shù)、顆粒和孔隙平均面積、顆粒和孔隙平均半徑與宏觀黏聚力之間的關(guān)系。

由圖3可知：①宏觀黏聚力的變化與試樣微觀結(jié)構(gòu)演化存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)；②試樣黏聚力的增長(zhǎng)與顆粒平均面積及平均半徑的增長(zhǎng)均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，前者的決定系數(shù)R2為0.961，后者決定系數(shù)R2為0.921，而黏聚力與顆粒個(gè)數(shù)之間的關(guān)系可由冪指數(shù)衰減曲線較好地?cái)M合；③黏聚力的增長(zhǎng)與孔隙個(gè)數(shù)的增加及孔隙平均半徑的減小均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，而與孔隙平均面積的增加呈冪指數(shù)函數(shù)衰減關(guān)系。

4.1.2 黏土試樣

圖4中的(a)和(b)分別給出了原始黏土試樣和摻入1.2%WK-G1固化劑養(yǎng)護(hù)30 d后固化黏土試樣的SEM圖像。由圖4(a)可知，與砂土的單粒狀原始結(jié)構(gòu)不同，黏土的微觀結(jié)構(gòu)呈片狀，片狀固相結(jié)構(gòu)之間存在很多細(xì)長(zhǎng)型孔隙。分析圖4(b)可知，摻入固化劑養(yǎng)護(hù)30 d后，固化劑填充于孔隙，并在固相顆粒之間形成膠結(jié)和化學(xué)作用，從SEM圖像中已基本觀察不到大的細(xì)長(zhǎng)孔隙，說(shuō)明摻入固化劑后黏土的結(jié)構(gòu)變得較為致密。

圖4 黏土試樣SEM圖像Fig.4 SEM pictures of clay samples

表8給出了不同養(yǎng)護(hù)齡期下黏土試樣微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)果。

表8 固化黏土試樣微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 8 Microstructure parameters of solidified clay

分析表8并與表7對(duì)比可知，與固化砂土試樣的規(guī)律一致，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，固化黏土試樣壓縮模量和抗剪強(qiáng)度的逐步提升在微觀上可以歸因于固相顆粒平均面積和平均半徑的不斷增加，即孔隙平均面積和平均半徑的不斷減少；顆粒個(gè)數(shù)的逐漸減少可以解釋為固化劑將由孔隙隔離的固相片狀結(jié)構(gòu)膠結(jié)成團(tuán)聚狀結(jié)構(gòu)，孔隙個(gè)數(shù)的逐漸增加主要是因?yàn)槲⑿】紫兜纳伞?/p>

限于篇幅，固相黏土宏觀壓縮模量、黏聚力與微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的定量關(guān)系此處不再詳細(xì)分析，其規(guī)律總體上與固化砂土試樣一致。

4.2 微觀結(jié)構(gòu)分維數(shù)變化規(guī)律

由于土的各向異性和不均質(zhì)性，傳統(tǒng)的幾何學(xué)難以有效描述土的微觀結(jié)構(gòu)特征。已有研究表明[10-11]，土體的微觀結(jié)構(gòu)具有分形特征，運(yùn)用分形理論分析土體微觀結(jié)構(gòu)變化具有重要意義。土體微觀結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“分維數(shù)”)主要包括：粒度分維數(shù)Dps、孔徑分維數(shù)Dbs、顆粒分布分維數(shù)Dpd、孔隙分布分維數(shù)Dbd、顆粒表面起伏分維數(shù)Dpr。

表9列出了不同齡期固化砂土和固化黏土試樣微觀結(jié)構(gòu)的分維數(shù)。

表9 固化砂土和固化黏土試樣微觀結(jié)構(gòu)分維數(shù)Table 9 Fractal dimensions of solidified sandysoil and clay

由表9可得：

(1) 隨著齡期的增加，固化砂土試樣的粒度分維數(shù)Dps逐漸減小，而固化黏土試樣的Dps逐漸增大；其原因?yàn)樯巴猎嚇釉诠袒^(guò)程中小顆粒凝結(jié)成粒度較為均勻的大顆粒團(tuán)，而由黏土片狀結(jié)構(gòu)凝結(jié)成的大顆粒團(tuán)其粒度不均勻性較強(qiáng)。

(2) 無(wú)論是砂土還是黏土試樣，孔徑分維數(shù)Dbs隨齡期的變化量均要明顯大于粒度分維數(shù)Dps的變化量，這說(shuō)明在固化過(guò)程中，孔隙比顆粒更容易重新分布和排列，且孔隙大小的不均勻性更強(qiáng)。

(3) 無(wú)論是砂土還是黏土試樣，隨著齡期的增加，顆粒分布分維數(shù)Dpd均略有下降，而孔隙分布分維數(shù)Dbd均明顯增加。以砂土試樣固化30 d為例，與原始試樣相比，Dpd僅減小1.53%，而Dbd增加達(dá)到35.9%；這說(shuō)明在固化過(guò)程中，疏浚土顆粒分布趨于集中，而孔隙分布趨于分散且變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒分布的變化幅度。

(4) 從顆粒表面起伏分維數(shù)Dpr的變化規(guī)律可知，無(wú)論是砂土還是黏土，Dpr雖然均隨齡期的增加而增大，但同一齡期下砂土試樣Dpr值均要大于黏土試樣，說(shuō)明砂土顆粒凝結(jié)成的團(tuán)聚顆粒表面起伏度更大，而黏土顆粒凝結(jié)較慢且更傾向于凝結(jié)成表面起伏較小的團(tuán)聚顆粒。

圖5給出了固化砂土和固化黏土試樣微觀結(jié)構(gòu)各分維數(shù)隨齡期的變化規(guī)律。由圖5可知，無(wú)論砂土還是黏土，微觀結(jié)構(gòu)各分維數(shù)與養(yǎng)護(hù)齡期均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，決定系數(shù)R2均達(dá)到0.9以上。上述結(jié)果表明，養(yǎng)護(hù)齡期是影響固化疏浚土微觀結(jié)構(gòu)分形特征的重要因素。

圖5 固化砂土和固化黏土試樣分維數(shù)與 齡期之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between fractal dimensions and curing age of solidified sandy soil and solidified clay

5 結(jié) 論

本文采用宏微觀試驗(yàn)方法，研究了不同摻量和不同養(yǎng)護(hù)齡期下固化疏浚土試樣的抗剪強(qiáng)度和壓縮特性變化規(guī)律，基于分形理論分析了試樣微觀結(jié)構(gòu)分維數(shù)變化，探討了宏觀力學(xué)特性與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)，得到如下主要結(jié)論。

(1) 壓縮模量隨固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加呈現(xiàn)出非線性增長(zhǎng)規(guī)律，當(dāng)固化劑摻量較低、養(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí)，壓縮模量增長(zhǎng)幅度大；隨著固化劑摻量增加、養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)，壓縮模量增長(zhǎng)幅度逐漸放緩；且上述規(guī)律與固化劑的類(lèi)型和土樣的類(lèi)型無(wú)關(guān)。無(wú)論采用何種固化劑，黏土試樣壓縮模量隨固化劑摻量的增長(zhǎng)率都要顯著大于砂土試樣。

(2) 對(duì)于砂土試樣，固化劑對(duì)抗剪強(qiáng)度的提高主要體現(xiàn)在對(duì)黏聚力指標(biāo)的顯著提升上，對(duì)內(nèi)摩擦角指標(biāo)的提升較為有限；而對(duì)于黏土試樣，固化劑可以同時(shí)顯著提升黏聚力和內(nèi)摩擦角指標(biāo)。無(wú)論砂土還是黏土試樣，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增長(zhǎng)，但固化劑摻量越高，增長(zhǎng)幅度越顯著，且這一規(guī)律與固化劑類(lèi)型無(wú)關(guān)。

(3) 無(wú)論砂土還是黏土，摻入固化劑后，宏觀壓縮模量與抗剪強(qiáng)度的提升在微觀機(jī)制上可解釋為顆粒平均面積與平均半徑的增加，也即孔隙平均面積與平均半徑的減少；固相顆粒在固化劑的作用下膠結(jié)成大顆粒團(tuán)，顆粒個(gè)數(shù)減少。

(4) 微觀結(jié)構(gòu)各分維數(shù)能夠體現(xiàn)固化過(guò)程中顆粒、孔隙及兩者分布的微觀變化規(guī)律；砂土和黏土的不同固化特性在微觀上與粒度分維數(shù)和顆粒表面起伏分維數(shù)變化規(guī)律的差異有關(guān)；無(wú)論砂土還是黏土，微觀結(jié)構(gòu)各分維數(shù)與養(yǎng)護(hù)齡期均呈現(xiàn)良好線性關(guān)系。

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Indoor Test on the Macro-and-microscopic MechanicalProperties of Solidified Dredged Soils

SHI Dan-da, QI Meng-ju, XU Bing-qin, LIU Wen-bai

(College of Ocean Science and Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

In this paper, both the macroscopic and microscopic mechanical properties of solidified dredged soil were experimentally studied. First, the influence of curing agent dosage and curing age on shear strength and compressive deformation behaviors were analyzed through direct shear test and 1-D compression test. The solidified dredged soil samples were prepared by adding self-made curing agent and commercial curing agent WK-G1 into the sandy soil and clay collected from a large hydraulic fill field in Shanghai coastal area. In addition, the variation of the microstructure of soil samples during solidification was analyzed via scanning electron microscopy. Based on the fractal theory, the fractal dimensions related to particle and void sizes, particle and void distributions, and particle surface fluctuation were extracted using image processing software Image-Pro Plus and self-coded MatLab program. The relationship between microstructure parameters and macro-mechanical property indices was quantitatively explored. Results suggest that for both sandy soil and clay, the compressive modulus and shear strength increased linearly as curing agent dosage and curing age increased; while in microscopic sense, the growth in compressive modulus and shear strength is closely related with the mean area and mean diameter of particle.

solidified dredged soils; shear strength; compression deformation; microstructure; fractal dimension

2016-09-06；

2016-10-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50909057, 41772273)；上海市軟科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(16692105400)；上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目(15ZZ081)

史旦達(dá)(1979-)，男，浙江舟山人，副教授，博士，主要從事海洋巖土工程、海洋資源開(kāi)發(fā)利用等方面的研究工作。E-mail:shidanda@163.com

10.11988/ckyyb.20160916

TU411

A

1001-5485(2018)01-0117-06

(編輯：陳 敏)