梁仕華，周錦程，羅 祺，林煥生

（廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

廣州南沙區(qū)普遍存在著淤泥質(zhì)黏土，這些淤泥土具有含水率高、壓縮性大等特點(diǎn)，在這樣的地基上進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，必須先對(duì)軟土固化處理. 水泥攪拌樁是軟基處理的一種有效形式[1-3]，但在實(shí)際施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于淤泥土中往往含有有機(jī)質(zhì)[4]，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，單獨(dú)使用水泥固化效果不理想，深部水泥土根本無(wú)法固結(jié)[5]，已有研究表明，淤泥土中的有機(jī)質(zhì)是阻礙水泥固化土強(qiáng)度發(fā)展的主要原因[6].

目前，很多學(xué)者就淤泥土的固化展開(kāi)了研究[7-12].郭麗敏等[13]發(fā)現(xiàn)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)有機(jī)質(zhì)土的固化影響最為顯著；Tremblay等[14]發(fā)現(xiàn)在水泥固化土中摻加有機(jī)質(zhì)會(huì)降低固化土的強(qiáng)度；范昭平[15]通過(guò)對(duì)不同有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的淤泥土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)固化土的強(qiáng)度隨有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低；劉叔灼等[16]在固化土中增加有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，發(fā)現(xiàn)破壞形式由脆性破壞轉(zhuǎn)變成塑性破壞，于是有了“有機(jī)質(zhì)軟化含量”的說(shuō)法. 吳軍等[17]在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)淤泥里的腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)是有機(jī)質(zhì)釋放的，而腐殖酸會(huì)導(dǎo)致土的強(qiáng)度降低；徐日慶等[18]通過(guò)人工配制有機(jī)質(zhì)土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，提出了固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的擬合關(guān)系.

以上研究成果大部分是在水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的條件下研究不同有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)水泥固化土強(qiáng)度的影響，或者在腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%條件下，添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水泥至淤泥土中固化來(lái)研究二者對(duì)其強(qiáng)度的影響，不能得出水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)軟土的固化效果的影響規(guī)律，不能為含有機(jī)質(zhì)軟土地基處理提供全面的建議. 本文采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)水泥對(duì)人工配制的不同有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)軟土進(jìn)行固化，分析研究了水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、齡期對(duì)固化土強(qiáng)度的影響規(guī)律，并結(jié)合SEM圖片對(duì)有機(jī)質(zhì)影響水泥土強(qiáng)度的機(jī)理做了詳細(xì)分析和討論.

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)用土為廣州市南沙區(qū)淤泥質(zhì)黏土，取土深度在2～5 m，其表層覆蓋有回填土. 通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)得其水份的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（含水率）為59.8%，比重為2.76，最大干密度為1.835 g/cm3，最優(yōu)含水率為13.69%，塑限為35.2%，液限為56%. 將取回來(lái)的黏土用烘箱烘干，溫度控制在105～110 ℃范圍內(nèi)，時(shí)間不少于8 h，烘干后把黏土敲碎過(guò)2 mm篩，然后裝密封袋中備用.

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)在烘干碎土中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的腐殖酸來(lái)配制不同有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的淤泥土. 試驗(yàn)所用腐殖酸為天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所生產(chǎn)的腐殖酸CP500g分析純，其主要成分包括胡敏酸和富里酸.

水泥采用廣州石井牌P·O 42.5水泥.

1.2 試樣制備及養(yǎng)護(hù)

本試驗(yàn)人工制備有機(jī)質(zhì)淤泥土含水率為59.8%，考慮到制樣過(guò)程中水分的損失，為保證人工制備有機(jī)質(zhì)淤泥土含水率與原狀土相同，經(jīng)過(guò)多次預(yù)試驗(yàn)獲得加入水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)為干重(干土與腐殖酸的總重)的61%. 按試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的腐殖酸摻入干土中，攪拌均勻后加入61%的水，再次攪拌均勻后裝入密封袋中燜料一天備用. 制樣時(shí)，按規(guī)定水灰比(0.5)，將計(jì)算好質(zhì)量的水泥與水混合均勻，再稱取人工制備的有機(jī)質(zhì)淤泥土，均勻攪拌. 使用的是三瓣模制樣模具(內(nèi)徑為39.1 mm，內(nèi)高為80 mm，

見(jiàn)圖1)，將攪拌好的土樣分3次倒入模具中，每倒入一次土樣都要搗實(shí). 為了排出土樣中的氣體，需要將模具放置在振實(shí)臺(tái)上振動(dòng)1 min. 使用密封袋裝好模具后，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)24 h，脫模后如果發(fā)現(xiàn)試樣破損則需重制. 最后再次將密封好的試樣重新于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下分別放置6 d和27 d. 養(yǎng)護(hù)箱及試樣見(jiàn)圖1.

圖 1 制備模具、養(yǎng)護(hù)箱及試樣Fig.1 Preparation mould, maintenance box and samples

1.3 試驗(yàn)方案及方法

本試驗(yàn)采用南京土壤生產(chǎn)的TSZ30-2.0型應(yīng)變控制式三軸儀采集固化土的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)時(shí)，將試樣置于無(wú)側(cè)限壓縮儀中，對(duì)試樣不施加圍壓σ3，僅垂直方向受壓，這樣試樣破壞時(shí)中應(yīng)主力σ1的最大值就是固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度. 試驗(yàn)結(jié)束后保留少量試樣土塊，留做電鏡掃描試驗(yàn). 試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表1.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖2、圖3分別為養(yǎng)護(hù)7 d、28 d后固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在不同有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下的變化曲線. 可以看出，2個(gè)齡期下的固化土強(qiáng)度曲線變化規(guī)律基本一致，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)固化土強(qiáng)度的影響在一定范圍內(nèi)十分顯著[19]，當(dāng)它低于5%時(shí)，隨著有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，固化土的強(qiáng)度急劇降低，而當(dāng)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)5%后，隨著有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，對(duì)固化土強(qiáng)度的影響開(kāi)始不明顯. 以養(yǎng)護(hù)7 d，水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%試驗(yàn)組為例，當(dāng)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時(shí)，固化土的強(qiáng)度為0.71 MPa，但有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到5%時(shí)，固化土的強(qiáng)度為0.3 9 M P a，減小了45.1%；有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，強(qiáng)度為0.35 MPa，相比有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的固化土的強(qiáng)度僅減小了10.3%. 此外還可得到，對(duì)固化土強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響的敏感質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～3%，與徐日慶等[18]的研究結(jié)果一致. 這主要可以從2個(gè)方面進(jìn)行解釋：(1) 有機(jī)質(zhì)中含有富里酸和胡敏酸，這使得水泥在有機(jī)質(zhì)土中的水化反應(yīng)環(huán)境呈酸性，不利于凝膠物質(zhì)的生成；(2) 富里酸會(huì)分解已生成的水化產(chǎn)物，破壞了水泥土結(jié)構(gòu)的形成，呈現(xiàn)化學(xué)風(fēng)化的特征[20]，從而導(dǎo)致水泥固化土的強(qiáng)度降低，所以有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，對(duì)固化土強(qiáng)度產(chǎn)生的影響越大. 而當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)5%時(shí)，受有機(jī)質(zhì)的不利影響降低，水泥水化產(chǎn)物生成量很少，固化土的強(qiáng)度不再源于水化產(chǎn)物凝膠物質(zhì)的黏結(jié)作用，而是取決于摻加水泥量的多少，而每個(gè)試樣的水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)都是一定的，所以其對(duì)固化土的優(yōu)化作用有限，如圖3所示，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)5%后曲線的變化不大[6].

表 1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)(UCS)設(shè)計(jì)方案Table 1 Unconfined compressive strength test design details

圖 2 固化7 d的土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curves between strength and organic matter content of soil samples cured for 7 d

圖 3 固化28 d的土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線Fig.3 Relation curves between strength and organic matter content of soil samples cured for 28 d

2.2 水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖4、圖5分別為養(yǎng)護(hù)7 d、28 d后在不同水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化曲線.從圖中可以看出，2個(gè)齡期下，水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)不同腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)固化土的強(qiáng)度影響趨勢(shì)基本一致，總的來(lái)說(shuō)，隨著水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，固化土強(qiáng)度呈現(xiàn)接近冪次方的增長(zhǎng)趨勢(shì). 這是因?yàn)殡S著水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，固化土中能產(chǎn)生更多的凝膠物質(zhì)，土顆粒間的膠結(jié)作用更強(qiáng)，并且由于凝膠物質(zhì)的填充作用，固化土的孔隙率更小，所以固化土的強(qiáng)度隨著水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大；而在高有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下( ≥5%)，當(dāng)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)(＜15%)，有機(jī)質(zhì)固化土強(qiáng)度均較低且增長(zhǎng)速度較緩，水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥

15%時(shí)固化土強(qiáng)度隨水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加出現(xiàn)較快增長(zhǎng). 并且發(fā)現(xiàn)齡期7 d的固化土在水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥

15%時(shí)增長(zhǎng)較快，齡期28 d的固化土在水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥20%時(shí)強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯. 這說(shuō)明要達(dá)到理想的改善效果，水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須大于某一個(gè)未知的值.

圖 4 固化7 d的土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curves between strength and cement content of soil samples cured for 7 d

圖 5 固化28 d的土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線Fig.5 Relation curves between strength and cement content of soil samples cured for 28 d

2.3 齡期對(duì)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

定義有機(jī)質(zhì)固化土的強(qiáng)度為qu，非有機(jī)質(zhì)固化土的強(qiáng)度為q0，那么不同條件下的固化土存在一個(gè)強(qiáng)度差為q0-qu.

圖6為固化土的強(qiáng)度差與有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線圖. 由圖可知，除個(gè)別異常點(diǎn)外，固化土的強(qiáng)度差隨有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈遞增趨勢(shì)，這說(shuō)明水泥的固化效率在下降. 而在相同水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，齡期28 d的強(qiáng)度差比齡期7 d的強(qiáng)度差大，這表示隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，有機(jī)質(zhì)固化土的強(qiáng)度仍遠(yuǎn)小于非有機(jī)質(zhì)固化土的強(qiáng)度，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥水化反應(yīng)的不利影響并不會(huì)隨齡期的增加而減小，這主要是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)中的富里酸會(huì)分解已生成的水化產(chǎn)物，這是一個(gè)不可逆的過(guò)程，不會(huì)隨著時(shí)間而消失.

2.4 SEM微觀對(duì)比分析

圖 6 固化土的強(qiáng)度差與有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between the discrepancy of strength and content of organic matter of reinforced soil

圖7為齡期7 d、水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%條件下，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、3%、5%、20%固化土試樣的SEM圖片，可以看出部分土顆粒被水泥水化反應(yīng)生成的凝膠物質(zhì)包裹著，土顆粒之間有凝膠物質(zhì)連接，顆粒變大，表面變得光滑. 通過(guò)對(duì)比圖7(a)～7(d)可以看出隨著有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，片狀、針狀的土顆?？偭吭龆?，土顆粒間的孔隙也增多. 這主要是由于有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，阻礙了水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，生成的凝膠物質(zhì)減少，沒(méi)有足夠的凝膠物質(zhì)包裹土顆粒并使空隙減少，宏觀上則表現(xiàn)為固化土的強(qiáng)度隨著有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低. 另外，對(duì)比圖7(c)與圖7(d)可以看到兩者的土顆粒形狀大小分布幾乎一樣，片狀、針狀的土顆粒偏多，較大的、緊密連接的土顆粒較少，這說(shuō)明5%、20%的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)固化土水泥水化反應(yīng)的不良影響程度幾乎一樣，這與固化土在有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)5%后強(qiáng)度降低不明顯的宏觀表現(xiàn)相符合.

圖 7 不同有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的固化土微觀圖Fig.7 SEM photos of solidified soil with different organic content

圖8(a)與圖8(b)為有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%下，水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%固化組在齡期7 d、28 d的試樣微觀圖，圖8(c)與圖8(d)為有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%下，水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%固化組在齡期7 d、28 d的試樣微觀圖. 隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%固化組的微觀圖變化更明顯，圖8(d)顯示的土顆粒比圖8(c)更致密，大部分土顆粒已聯(lián)結(jié)成片，而水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%固化組則幾乎沒(méi)有變化，這正是水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%固化組隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，試樣強(qiáng)度明顯增長(zhǎng)，而水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%固化組的強(qiáng)度變化不大的原因.

圖 8 水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%、20%的固化土在不同齡期微觀圖Fig.8 SEM photos of 15% and 20% cement content in solidified soil at different ages

3 結(jié)論

(1) 有機(jī)質(zhì)的存在使得淤泥土的強(qiáng)度降低，并且對(duì)水泥的固化作用有不利影響，但是這種影響只在有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%以內(nèi)時(shí)較為明顯；當(dāng)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%以內(nèi)時(shí)，固化土的強(qiáng)度會(huì)隨著有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而大幅降低；而當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)5%，固化土強(qiáng)度的變化就不再明顯了.

(2) 水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，固化土的強(qiáng)度的增長(zhǎng)十分顯著. 當(dāng)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)(9%)，含腐殖酸與不含腐殖酸固化土強(qiáng)度均較低，說(shuō)明在固化高含水率的軟土?xí)r，水泥有質(zhì)量分?jǐn)?shù)底線(15%)，水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須高于這個(gè)底線，否則就達(dá)不到理想的固化效果.

(3) 有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響不會(huì)隨齡期的增加而減小. 隨齡期的增長(zhǎng)，含有機(jī)質(zhì)水泥土的強(qiáng)度仍遠(yuǎn)低于普通水泥土的強(qiáng)度.

(4) 本實(shí)驗(yàn)中通過(guò)添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的有機(jī)質(zhì)和水泥，得出了有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥固化的影響規(guī)律，對(duì)于南沙軟土的固化問(wèn)題具有一定的參考價(jià)值，今后將繼續(xù)研究針對(duì)南沙淤泥土更實(shí)用有效的固化方式.