王桂萱，張虎韋，趙 杰

(大連大學(xué) 土木工程技術(shù)研究與開發(fā)中心， 遼寧 大連 116622)

近年來，我國(guó)開始利用沿海灘涂進(jìn)行填海造陸的工程拔地而起，如南海島礁機(jī)場(chǎng)建設(shè)、大連新機(jī)場(chǎng)填海造陸工程、廈門翔安機(jī)場(chǎng)等超大規(guī)模建筑。由于海洋淤泥土本身的力學(xué)性質(zhì)無法滿足工程要求，這就不得不采用開山石之類的土地資源進(jìn)行地基處理，從而導(dǎo)致國(guó)土資源日益匱乏。所以有必要開發(fā)一種可以代替土地資源作為填海造陸的材料，對(duì)淤泥進(jìn)行固化處理是一種行之有效的處理方法，不僅解決了淤泥廢棄對(duì)環(huán)境造成的危害，而且也能將固化后的土料用于道路、堤防、填海造地等工程的回填材料，又能產(chǎn)生新的可再生資源，對(duì)于社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重大的意義。

就淤泥固化土技術(shù)方面來講，美、日、英等國(guó)外發(fā)達(dá)的一些國(guó)家在淤泥固化土處理方面的技術(shù)日益成熟。而我國(guó)目前處于研究起步階段，大部分研究主要集中于固化土的靜力方面，而對(duì)于動(dòng)力特性方面的研究較少。我國(guó)學(xué)者對(duì)于淤泥固化土的研究也開展了大量的研究工作。吳月龍等[1]學(xué)者通過采用充灌模袋筑堤試驗(yàn)對(duì)海洋淤泥土進(jìn)行了固化處理研究，試驗(yàn)結(jié)果顯示，摻加水泥使淤泥固結(jié)快，效果更加明顯。周世宗等[2]對(duì)通過摻入一定比例的礦渣和粉煤灰對(duì)南沙軟土進(jìn)行固化試驗(yàn)研究。陳沖等[3]利用工業(yè)廢渣為主要原材料配制而成的新型土體固結(jié)材料-土體固結(jié)粉，研究了土體固結(jié)粉在軟土地基加固中實(shí)際工程中的實(shí)用性。胡孝彭等[4]對(duì)河道疏浚淤泥土處置問題進(jìn)行了探討。胡孝彭等[5]基于離心機(jī)法對(duì)淤泥固化的土水特征曲線進(jìn)行了研究。由于沿海地區(qū)含沙性淤泥土的分布也比較常見，學(xué)者李曉玲等[6]對(duì)該類土進(jìn)行了全方位的分析研究，闡述了此類土含水率較小、沙的含量與所研究的沙性淤泥土的物理性質(zhì)有關(guān)系。指出含沙量的多少影響了該類土本身的抗剪能力以及承載力的大小。黏粒含量的多少對(duì)淤泥軟土的影響是馮志超等[7]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)的，此類黏土影響著土最重要的兩個(gè)物理指標(biāo)黏聚力和內(nèi)摩擦角的大小。由于淤泥土形成的環(huán)境以及年代的不同，其工程特性也各有不同之處，楊順安等[8-9]進(jìn)行了相關(guān)問題的研究分析，得出了淤泥形成年代越久遠(yuǎn)其穩(wěn)定性越好。研究學(xué)者馮曉臘[10]利用電鏡掃描技術(shù)外加室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行了淤泥土的研究與分析，得出構(gòu)成淤泥土的形狀不同其物理力學(xué)性質(zhì)也不盡相同，對(duì)建設(shè)工程的影響也不相同。在20世紀(jì)50年代，大量的外國(guó)學(xué)者對(duì)淤泥固化土的特性開始了探索研究。最早在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)于淤泥固化土做了相關(guān)試驗(yàn)研究的是Seed等[11-16]著名學(xué)者，他們?cè)谑┘友瓑暮奢d條件下主要對(duì)淤泥固化土的變形和強(qiáng)度兩方面進(jìn)行了研究與分析，在同等情況下國(guó)外學(xué)者Brown等[17]也進(jìn)行了類似的試驗(yàn)研究，通過試驗(yàn)總結(jié)得出了淤泥固化土在施加循壞荷載條件下的變形過程，以及說明了固化土的變形與加荷的時(shí)間間隔有關(guān)，因而探索出了淤泥固化土在動(dòng)荷載條件下產(chǎn)生塑性應(yīng)變的機(jī)理。從上述資料明顯可以看出，我國(guó)在淤泥固化土的動(dòng)力特性研究方面少之又少，因此，通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)固化土的動(dòng)力特性進(jìn)行分析研究是很有必要的。

以大連金州灣海域的海洋淤泥土為研究對(duì)象，對(duì)淤泥土采用摻入比為8%、10%以及12%三種比例的固化劑進(jìn)行固化處理，通過動(dòng)三軸試驗(yàn)研究其不同摻入比條件下固化土的動(dòng)力特性，為今后類似工程提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備與工作原理

本次試驗(yàn)所采用的是英國(guó)VJ Tech公司的DSC2000多功能動(dòng)三軸儀。

DSC2000多功能動(dòng)三軸儀工作原理就是將圓柱形土樣放置在充有無氣水的三軸室內(nèi)的上下活塞之間，靠水壓對(duì)試樣施加三軸靜壓力(均等圍壓或偏壓)使土樣固結(jié)，豎向伺服電機(jī)施加外力，經(jīng)過下面的活塞施加至試驗(yàn)土樣，然后在動(dòng)荷載作用下進(jìn)行三軸試驗(yàn)，該動(dòng)三軸儀只能做10-4～10-2范圍內(nèi)的變形量。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)用料

淤泥固化所采用的固化劑是由水泥熟料、高爐礦渣粉、石膏粉三種材料通過一定的比例混合而成，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性均達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，密度為1 680 kg/m3。試驗(yàn)所采用的淤泥取自大連金州灣海上機(jī)場(chǎng)納泥區(qū)，其有關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 大連金州灣淤泥土物理力學(xué)指標(biāo)

注：ω為含水率；ρ干為干密度；ρ濕為濕密度；ωL為液限；ωp為塑限；IL為液性指數(shù)；G為比重。

2.2 試驗(yàn)取樣

在工程現(xiàn)場(chǎng)開挖25 m×25 m×4 m的試驗(yàn)槽，對(duì)三種不同配比(8%、10%、12%)的淤泥固化土進(jìn)行試驗(yàn)槽澆筑，將達(dá)到28 d齡期的淤泥固化土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣送往實(shí)驗(yàn)室采用動(dòng)三軸儀對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn)研究。此次試驗(yàn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[18](GB/T 50123—1999)進(jìn)行，每種摻入比制作3試樣進(jìn)行平行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由于篇幅所限，這里以齡期28 d的試樣為研究對(duì)象，對(duì)不同摻入比為(8%、10%、12%)的固化土在100 kPa、200 kPa和300 kPa的圍壓下分別進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究其固化劑的摻入比以及圍壓對(duì)固化土的動(dòng)剪切模量和阻尼比的影響。

3.1 圍壓對(duì)固化土動(dòng)模量與阻尼比的影響

根據(jù)淤泥固化土試樣的動(dòng)剪切模量與動(dòng)應(yīng)變幅值在不同固結(jié)壓力條件下的關(guān)系曲線分析。隨著固結(jié)應(yīng)力的不同，其土樣在三種應(yīng)力作用下的動(dòng)剪切模量隨著動(dòng)剪應(yīng)變的增大呈遞減趨勢(shì)。當(dāng)淤泥固化土土樣的應(yīng)變幅值在1×10-3左右時(shí)，呈現(xiàn)出土樣動(dòng)剪模量隨著動(dòng)剪應(yīng)變的增大而遞減的速率不同，從而得出1×10-3為該土樣應(yīng)變的臨界值，當(dāng)在臨界值左側(cè)時(shí)，固化土試樣的動(dòng)剪模量隨應(yīng)變的增大減小的速率較慢；當(dāng)出現(xiàn)在臨界值右側(cè)時(shí)，固化土試樣的動(dòng)剪模量隨著應(yīng)變的增大減小速率加快。

在固化劑摻入比相同，動(dòng)剪應(yīng)變值不變的條件下，淤泥固化土的動(dòng)剪切模量隨著固結(jié)應(yīng)力的增大而增大。在固化劑摻入比為10%、12%兩種情況下，發(fā)現(xiàn)固化土樣的動(dòng)剪模量隨著固結(jié)應(yīng)力的增大而遞增趨勢(shì)在減小的現(xiàn)象。這種情況發(fā)生的原因在于，當(dāng)固化劑含量較少時(shí)，與淤泥土發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)生成的膠凝物質(zhì)相應(yīng)的減少，因此對(duì)固化土顆粒間的孔隙填充也就減小，使得固化土在外荷載作用下的壓縮性增強(qiáng)，所以固結(jié)應(yīng)力對(duì)于固化土動(dòng)剪模量的影響不可忽視。固化劑摻入比為8%的淤泥固化土試樣的相關(guān)曲線就符合所描述的這一規(guī)律。隨著固化劑摻入比的增大，試樣的強(qiáng)度也隨之增加，在外荷載作用下壓縮性越小，從而使得固化土本身的結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)。當(dāng)固化劑的摻入量為10%、12%時(shí)，固化劑與淤泥土發(fā)生充分的物理、化學(xué)反應(yīng)，生成的膠凝物質(zhì)增多，使得固化土顆粒間孔隙被生成物所填充，提高了固化土本身的結(jié)構(gòu)性能，因此，固結(jié)應(yīng)力的增大對(duì)于固化劑摻入量較大的固化土的動(dòng)剪切模量的影響較小。

根據(jù)不同固結(jié)應(yīng)力阻尼比與應(yīng)變關(guān)系可以得出，淤泥固化土的阻尼比與固化土動(dòng)剪應(yīng)變值呈正相關(guān)關(guān)系。隨著剪應(yīng)變區(qū)間內(nèi)的不同，固化土動(dòng)阻尼比的增大速率也不相同。當(dāng)試驗(yàn)土樣的應(yīng)變幅值小于其臨界應(yīng)變幅值時(shí)，在不同固結(jié)應(yīng)力作用下淤泥固化土試樣的阻尼比隨著應(yīng)變幅值增大而增大的幅度降低；當(dāng)淤泥固化土的動(dòng)剪應(yīng)變超過某一個(gè)臨界值時(shí)，土體試樣的阻尼比隨著動(dòng)剪應(yīng)變的增大而遞增的速率明顯不同，顯示這一臨界值也是在γd=1×10-3左右。不難發(fā)現(xiàn)固化土試樣的阻尼比在固結(jié)應(yīng)力逐漸增大情況下有稍微降低的現(xiàn)象。

3.2 摻入比對(duì)動(dòng)模量與阻尼比的影響

依據(jù)不同摻入比固化土的動(dòng)剪切模量與動(dòng)剪應(yīng)變幅值關(guān)系可以看出，在動(dòng)剪應(yīng)變幅增大的情況下淤泥固化土試樣的動(dòng)剪切模量呈減小的趨勢(shì)。在動(dòng)剪應(yīng)變值相同的情況下，雖然固化土的動(dòng)剪模量隨著固化劑摻入比的增大而增大，但是隨著動(dòng)剪應(yīng)變值的增大，這種呈現(xiàn)出動(dòng)模量隨摻入比增大而增大的現(xiàn)象逐漸在削弱。

通過不同摻入下阻尼比與動(dòng)剪應(yīng)變幅值關(guān)系曲線表明，不同固化劑摻入比下淤泥固化土試樣的阻尼比隨動(dòng)剪應(yīng)變幅值的變化規(guī)律與上面描述基本相符，此處不再說明。當(dāng)動(dòng)剪應(yīng)變值相同時(shí)，其固化土試樣的阻尼比隨著固化劑摻入比的增大而增大的趨勢(shì)并不明顯，但是不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固化劑的摻入比逐漸增大時(shí)，固化土的阻尼比有稍微降低的現(xiàn)象。

4 動(dòng)剪切模量比和阻尼比擬合

對(duì)通過動(dòng)三軸試驗(yàn)得出的不同摻入比、不同圍壓條件下淤泥固化土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，這樣做的目的是為了減少試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性。本章節(jié)僅整理了齡期為28 d固化土試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)8%、10%、12%三種摻入比的固化土在不同圍壓(100 kPa、200 kPa、300 kPa)作用下的動(dòng)剪切模量比和阻尼比與動(dòng)剪應(yīng)變之間的關(guān)系進(jìn)行分析。

已有大量試驗(yàn)分析表明，土表現(xiàn)出動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變之間變化關(guān)系可用Hardin-Drnevich[19-21]模型描述：

(1)

由此可得動(dòng)割線剪切模量：

(2)

同時(shí)還可得到歸一化后的無量綱表達(dá)式：

(3)

式中：τd為動(dòng)剪應(yīng)力；γd為動(dòng)剪應(yīng)變；γr=a/b為參考剪應(yīng)變；a,b為擬合參數(shù)。一般情況下，1/b=τult為極限抗剪強(qiáng)度，1/a=Gdmax是最大的動(dòng)剪切模量，Gd為與γd對(duì)應(yīng)的動(dòng)剪切模量。

圖1、圖2為不同摻入比、不同圍壓作用下，淤泥固化土的剪切模量比和阻尼比與剪應(yīng)變幅值的關(guān)系曲線。

圖1 不同配比淤泥固化土的G/Gmax-γ和D-γ擬合曲線

從圖1中的G/Gmax-γ曲線可知：

(1) 在固結(jié)應(yīng)力相等的條件下，固化土的動(dòng)剪模量隨著固化劑摻入比的增大，衰退曲線也就越高，但是隨著動(dòng)剪應(yīng)變值γ的增大，衰退的速率減慢。而阻尼比隨著動(dòng)剪應(yīng)變值γ的增大而增大，但是隨著固化劑摻入比的增大，阻尼比相應(yīng)的減小。

(2) 當(dāng)固化土的剪應(yīng)變?chǔ)?10-3時(shí)，不同摻入比條件下固化土的動(dòng)剪模量近似一條直線，衰減趨勢(shì)并不明顯，阻尼比的增大較為緩慢。當(dāng)剪應(yīng)變?chǔ)?10-3時(shí)，不同摻入比對(duì)固化土的動(dòng)剪模量和阻尼比影響很大，動(dòng)剪模量的衰減曲線分布的范圍逐漸變大，衰減速率增大，而阻尼比的增大速率也變快。

圖2 不同圍壓下淤泥固化土的G/Gmax-γ和D-γ擬合曲線

由圖2不同圍壓下淤泥固化土的G/Gmax-γ和D-γ擬合曲線可得出：

(1) 在動(dòng)剪應(yīng)變幅值不變的條件下，固化土的動(dòng)剪切模量比隨著圍壓的增大而增大；原因是隨著圍壓的增大，固化土試樣內(nèi)部的土顆粒之間接觸更加密實(shí)，孔隙含量減少，固化土試樣的相對(duì)密度逐漸增大，這使得土顆粒之間的咬合力和膠結(jié)力隨之增大，同時(shí)固化土試樣本身的剛度也得到了提高，因此，淤泥固化土的動(dòng)模量隨著圍壓的增大而增大。

(2) 淤泥固化土的動(dòng)剪模量和阻尼比隨著動(dòng)剪應(yīng)變幅值變化的趨勢(shì)與圖1結(jié)論敘述類似，此處不再贅述。

(3) 就淤泥固化土的阻尼比而言，隨著圍壓的增大，阻尼比減小。原因是圍壓的增大使得固化土顆粒結(jié)構(gòu)之間的孔隙變少，密實(shí)度增加，由于固化土在動(dòng)荷載的作用下以波的形式進(jìn)行能量傳播，所以固化土的密實(shí)程度為波的傳遞提供了多條路徑，使得傳播速度增大，此時(shí)固化土試樣內(nèi)部能量的耗散較小，這也就代表了能量損耗的參數(shù)阻尼比相應(yīng)也會(huì)減小。

5 結(jié) 論

采用動(dòng)三軸試驗(yàn)儀器，研究了不同摻入比、不同圍壓作用對(duì)淤泥固化土在大應(yīng)變下動(dòng)剪模量和阻尼比的影響，主要結(jié)論如下：

(1) 固化土的動(dòng)剪模量隨著動(dòng)剪應(yīng)變幅值的增大衰減速率增大，阻尼比隨著應(yīng)變值的增大而增大。這說明了固化土的彈性變形逐漸減小，而結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷與塑性變形在增大。當(dāng)固化土的動(dòng)應(yīng)變幅值γd<10-3時(shí)，動(dòng)剪模量的減小速率變緩，阻尼比的增大速率減慢；當(dāng)固化土的動(dòng)應(yīng)變幅值γd>10-3時(shí)，動(dòng)剪模量的衰減速率加快，阻尼比的曲線增長(zhǎng)速度明顯變大。

(2) 當(dāng)動(dòng)剪應(yīng)變幅值相同時(shí)，固化土的動(dòng)模量隨著固結(jié)應(yīng)力的增大而增大。但是當(dāng)固化劑摻入比為10%以及12%時(shí)，固化土的動(dòng)模量隨著固結(jié)應(yīng)力的增大而增大的現(xiàn)象在減弱。當(dāng)固化劑的摻入比大于10%時(shí)，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙減少，因此壓縮性降低。所以固結(jié)應(yīng)力對(duì)固化土動(dòng)模量的影響在減弱。

(3) 在動(dòng)剪應(yīng)變幅值相同，固化劑摻入比相同的條件下，固化土的動(dòng)剪切模量比隨著圍壓的增大而增大；阻尼比隨著圍壓的增大而減小。