張 啟， 孫 秀 麗， 劉 文 化*， 張 洪 勇， 楊 鋼

( 1.江南大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院， 江蘇 無錫 214122；2.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部， 遼寧 大連 116024 )

0 引 言

近年來，為改善水質(zhì)，保護環(huán)境和航運暢通，我國開展了大規(guī)模的河道清淤活動，導(dǎo)致大量淤泥堆積[1-3]．淤泥含水率高、力學(xué)性質(zhì)差，難以直接利用．目前，國內(nèi)外對淤泥大多采用固化劑進行固化處理[4-7]．經(jīng)固化后的淤泥可作為路基、河堤等填土材料資源化利用．

國內(nèi)外學(xué)者對固化淤泥開展了大量研究，成果卓越．Wang等[8]對固化淤泥的長期強度開展研究，發(fā)現(xiàn)水泥/石灰摻量的增加提高了固化土的力學(xué)性能，粉煤灰可提高石灰固化沉積土的強度和彈性模量．Li等[9]使用焚燒污泥灰渣固化淤泥，發(fā)現(xiàn)與普通硅酸鹽水泥和石灰等固化劑相比，焚燒污泥灰渣具有強度高、固化速度快、透水性低和環(huán)境污染小等優(yōu)點．黃英豪等[10]從土的結(jié)構(gòu)性角度出發(fā)，發(fā)現(xiàn)水泥固化淤泥是一種典型結(jié)構(gòu)性土，具有明顯屈服應(yīng)力．王臻華等[11]發(fā)現(xiàn)碳酸氫鈉使水泥固化淤泥處于堿性環(huán)境，促進高鐵酸鉀降解有機質(zhì)，加速水泥水化．上述研究成果對人們進一步認識固化淤泥力學(xué)特征和指導(dǎo)實際工程具有重要意義．

近年來，部分研究者開始關(guān)注固化淤泥等固化土的水穩(wěn)定性問題．Kim等[12]通過無側(cè)限抗壓強度試驗研究了木質(zhì)素和粉煤灰固化土的水穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)固化土的水穩(wěn)定性較素土明顯改善，但部分配比下固化土仍存在浸水軟化現(xiàn)象．He等[13]、張俊峰等[14]也發(fā)現(xiàn)浸水濕化后固化淤泥的強度有所降低．上述研究均證實固化土的飽水程度對其力學(xué)特性有重要作用．因此，有必要研究固化土的非飽和特性．目前，國內(nèi)外關(guān)于非飽和土的研究主要集中在非膠結(jié)結(jié)構(gòu)類重塑土[15-19]；固化土的非飽和特性研究則主要集中在探討浸水飽和對固化土無側(cè)限抗壓強度的影響[12-14，20]以及固化土的非飽和滲透特性[21]．固化土的強度和體變隨基質(zhì)吸力(飽和度)的變化規(guī)律研究則較欠缺．

鑒于此，本文對固化淤泥進行不同基質(zhì)吸力條件下的三軸固結(jié)排水試驗和無側(cè)限抗壓試驗研究，以明晰非飽和固化淤泥的體變和強度特征，獲得非飽和固化淤泥強度與水泥摻量和基質(zhì)吸力之間的定量關(guān)系，為非飽和固化淤泥土工構(gòu)筑物的安全穩(wěn)定性評價提供理論依據(jù)．

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗所用淤泥取自無錫太湖，淤泥的基本物理性質(zhì)指標：含水率70%、相對密度2.66、液限62.4%、塑限27.7%、有機質(zhì)含量4.4%、塑性指數(shù)34.7．根據(jù)土的分類方法，該淤泥屬高液限黏土．淤泥挖出后，立刻放入桶中靜置，除去上清液后測得其含水率為70%．試驗所用固化劑為32.5#復(fù)合硅酸鹽水泥．試驗材料的化學(xué)組成成分如表1所示．

表1 試驗材料的化學(xué)組成成分

1.2 試驗方案

首先將除去上清液后的淤泥按每立方米100、200、300 kg水泥進行固化．將淤泥和水泥按照上述配比放入攪拌機中攪拌5 min，使其混合均勻后，抽真空30 min以消除混合物中的氣泡．將淤泥、水泥混合物裝入39.1 mm×80 mm模具制備三軸剪切試樣．制樣過程中混合物分層裝入，每放入一層混合物立刻進行振實，以排出氣泡使固化淤泥密實．參照劉文化等[22]、王東星等[4]的方法，將制好的固化淤泥試樣放入密封袋中，再放入溫度(20±1) C°、濕度大于95%的恒溫恒濕箱中養(yǎng)護．已有研究表明[23]，水泥的水化程度與時間有關(guān)，且在90 d后基本穩(wěn)定．為保證同一水泥摻量下不同基質(zhì)吸力非飽和固化淤泥試樣具有相同的水化程度，避免基質(zhì)吸力平衡時間對水泥水化產(chǎn)生影響，本文試樣養(yǎng)護時間定為90 d．養(yǎng)護完成后，試驗前先進行抽真空飽和，之后進行不同基質(zhì)吸力條件下三軸剪切試驗．具體試驗方案見表2．

表2 試驗方案

1.3 試驗裝置

試驗所用三軸儀為江蘇永昌科教儀器制造有限公司生產(chǎn)的SYLD-30型應(yīng)力應(yīng)變控制式非飽和三軸剪切滲透試驗儀(如圖1所示)．該三軸儀可進行不同基質(zhì)吸力條件下非飽和土的三軸剪切試驗．試驗過程中可測量試樣的軸向應(yīng)變和體積變化．由于固化淤泥試樣基質(zhì)吸力平衡時間較長，為減少三軸儀上固化淤泥試樣基質(zhì)吸力平衡的時間，三軸試驗前將固化淤泥試樣進行基質(zhì)吸力預(yù)平衡，預(yù)平衡裝置如圖2所示．固化淤泥試樣在基質(zhì)吸力預(yù)平衡完成后立刻裝入三軸儀中，施加圍壓和基質(zhì)吸力(與預(yù)平衡時一致)進行二次平衡，然后進行常基質(zhì)吸力條件下的三軸固結(jié)排水剪切試驗，剪切速率0.001 mm/min．

圖1 非飽和土三軸儀

圖2 基質(zhì)吸力預(yù)平衡裝置

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 固化淤泥的土-水特征曲線(SWCC)

3種水泥摻量固化淤泥的土-水特征曲線如圖3所示．由圖3可以看出，不同水泥摻量條件下固化淤泥的土-水特征曲線表現(xiàn)形式不盡相同．3種水泥摻量情況下固化淤泥的飽和度Sr在基質(zhì)吸力達到進氣值之前均未發(fā)生明顯變化，在達到進氣值后隨基質(zhì)吸力增大飽和度開始下降．然而水泥摻量不同，飽和度隨基質(zhì)吸力的變化速率各不相同，水泥摻量越大變化速率越小，低水泥摻量固化淤泥的土-水特征曲線位于高水泥摻量固化淤泥土-水特征曲線的下方．上述現(xiàn)象可能與不同水泥摻量條件下固化淤泥的孔隙分布有關(guān)．毛細公式如下：

R=2Tscosθ/s

(1)

式中：R為孔隙半徑，Ts為表面張力，θ為固-液接觸角，s為基質(zhì)吸力．由式(1)可知試樣孔隙半徑越大排水所對應(yīng)的基質(zhì)吸力越?。谑┘酉嗤|(zhì)吸力的情況下，大孔隙排水所需的基質(zhì)吸力小于小孔隙的，因此大孔隙排水優(yōu)先于小孔隙．圖4所示為不同水泥摻量條件下固化淤泥的SEM圖，可以看出低水泥摻量固化淤泥試樣顆粒排布較為松散，孔隙分布以大孔隙為主；隨著水泥摻量的提高，相同的養(yǎng)護齡期下，固化淤泥試樣中的水化產(chǎn)物增多，高水泥摻量固化淤泥試樣顆粒排布較為緊密，多表現(xiàn)為小孔隙．根據(jù)式(1)所示毛細公式，基質(zhì)吸力作用下低水泥摻量固化淤泥大孔隙中的孔隙水優(yōu)先排出，飽和度逐漸下降；而高水泥摻量固化淤泥小孔隙中的孔隙水則應(yīng)在更高的基質(zhì)吸力下才能排出．因此，飽和度下降速率呈現(xiàn)出水泥摻量越高速率越小趨勢．

圖3 不同水泥摻量條件下固化淤泥的土-水特征曲線

Fig.3 Soil-water characteristic curves of solidified silt with different cement contents

(a) 水泥摻量100 kg/m3

(b) 水泥摻量200 kg/m3

(c) 水泥摻量300 kg/m3

2.2 固化淤泥的強度和體變特性

圖5所示為水泥摻量100 kg/m3試樣在不同基質(zhì)吸力條件下的三軸剪切試驗結(jié)果．由圖可知，不同凈圍壓下，固化淤泥試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線皆表現(xiàn)為應(yīng)變硬化，剪切過程中均表現(xiàn)為體縮；基質(zhì)吸力越大，抗剪強度越大，試樣體縮越小，不同凈圍壓下試樣體變基本相同．需要指出，凈圍壓300 kPa時，不同基質(zhì)吸力條件下試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎重合，這可能與固結(jié)過程中試樣孔隙變化引起的孔隙水存在形式轉(zhuǎn)變有關(guān)，為了便于理解給出某一基質(zhì)吸力條件下不同孔徑分布時孔隙水分布概念模型，如圖6所示．水泥的摻入使得固化淤泥具有一定的結(jié)構(gòu)強度，低凈圍壓作用下試樣存在一定數(shù)量的大孔隙，某一基質(zhì)吸力條件下大孔隙當中的水被排出，孔隙水以彎液面形式存在于土顆粒接觸點位置(如圖6(a)所示)．隨著凈圍壓增大，試樣中的大孔隙逐漸被壓密并轉(zhuǎn)化為小孔隙甚至消失，與低凈圍壓情況相比，相同基質(zhì)吸力條件下該部分小孔隙中的水無法排出，以體積水的形式存在于孔隙當中(如圖6(b)所示)．隨著凈圍壓的增大，孔隙壓密更加明顯，相同基質(zhì)吸力條件下孔隙中的水逐漸由毛細彎液面向體積水轉(zhuǎn)化，彎液面數(shù)量逐漸減少．而Wheeler等[24]的研究表明相同基質(zhì)吸力條件下基質(zhì)吸力的強度貢獻取決于受彎液面影響的土顆粒接觸點的個數(shù)，受彎液面影響的土顆粒接觸點的個數(shù)越少，強度貢獻越?。虼耍S著凈圍壓增大，基質(zhì)吸力的強度貢獻逐漸減小．

(a) 凈圍壓100 kPa

(b) 凈圍壓200 kPa

(c) 凈圍壓300 kPa

(a) 壓密前

(b) 壓密后

水泥摻量200、300 kg/m3試樣在不同基質(zhì)吸力條件下的三軸剪切試驗結(jié)果如圖7、圖8所示．由圖可知，固化淤泥在3種凈圍壓條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)為應(yīng)變軟化，隨著凈圍壓的增大軟化趨勢逐漸減弱；抗剪強度隨基質(zhì)吸力和凈圍壓的增大而增大．水泥摻量200 kg/m3固化淤泥在3種凈圍壓條件下剪切時，試樣均表現(xiàn)為體縮．體縮量隨凈圍壓增大而增大，隨基質(zhì)吸力增大而減?。鄵搅?00 kg/m3固化淤泥，在凈圍壓為100 kPa時，試樣先體縮后體脹，凈圍壓大于等于200 kPa時，試樣體變表現(xiàn)為體縮．

不同水泥摻量條件下固化淤泥試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形式及體變規(guī)律可能與試樣的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力有關(guān)．圖9所示為不同水泥摻量下非飽和固化淤泥的屈服應(yīng)力．從圖中可以看出，當試樣的水泥摻量和基質(zhì)吸力增大時，結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力也隨之增大．對于水泥摻量為100 kg/m3的固化淤泥試樣，當試樣在本文所采用的凈圍壓下剪切時，試樣處于正常固結(jié)或弱超固結(jié)狀態(tài)，表現(xiàn)為應(yīng)變硬化和剪縮特征．對于水泥摻量為200、300 kg/m3的固化淤泥試樣，本文所采用的凈圍壓均小于試樣的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，固化淤泥試樣處于超固結(jié)狀態(tài)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線皆表現(xiàn)為應(yīng)變軟化．水泥摻量越高，試樣的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力越大，相同凈圍壓條件下試樣的超固結(jié)性越大，應(yīng)變軟化趨勢越明顯．水泥摻量300 kg/m3固化淤泥試樣在100 kPa凈圍壓條件下剪切時試樣處于強超固結(jié)狀態(tài)，表現(xiàn)出先減縮后剪脹趨勢；隨著凈圍壓增加，超固結(jié)比逐漸減小，應(yīng)變軟化趨勢和剪脹趨勢逐漸減弱．

(a) 凈圍壓100 kPa

(b) 凈圍壓200 kPa

(c) 凈圍壓300 kPa

(a) 凈圍壓100 kPa

(b) 凈圍壓200 kPa

(c) 凈圍壓300 kPa

圖9 不同水泥摻量下非飽和固化淤泥屈服應(yīng)力

2.3 固化淤泥的無側(cè)限抗壓強度及抗剪強度與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系

圖10所示為不同水泥摻量條件下固化淤泥的無側(cè)限抗壓強度．由圖可知，水泥摻量100 kg/m3固化淤泥的無側(cè)限抗壓強度隨基質(zhì)吸力的增大而增大，但基質(zhì)吸力200、300 kPa條件下的無側(cè)限抗壓強度相差不大．這是因為水泥摻量100 kg/m3固化淤泥試樣在基質(zhì)吸力大于200 kPa時，其含水率接近殘余含水率(如圖3所示)，基質(zhì)吸力的進一步增大對強度提升并不明顯．而水泥摻量為200、300 kg/m3的固化淤泥在基質(zhì)吸力300 kPa時并未達到殘余含水率，因此，在本文試驗所用基質(zhì)吸力范圍內(nèi)，隨著基質(zhì)吸力的增大無側(cè)限抗壓強度不斷增大．

圖11為無側(cè)限抗壓強度與水泥摻量和基質(zhì)吸力之間關(guān)系圖．圖中曲面的擬合公式為

圖10 不同水泥摻量條件下固化淤泥的無側(cè)限抗壓強度

Fig.10 Unconfined compressive strength of solidified silt with different cement contents

圖11 無側(cè)限抗壓強度與水泥摻量和基質(zhì)吸力關(guān)系

Fig.11 Relationship between unconfined compressive strength, cement contents and matric suctions

qu=c+0.01c2-0.167s+0.004 9cs

(2)

式中：qu為固化淤泥的無側(cè)限抗壓強度，c為水泥摻量，s為基質(zhì)吸力．該公式能夠較好地擬合固化淤泥試樣在非飽和條件下的無側(cè)限抗壓強度試驗數(shù)據(jù)，擬合優(yōu)度R2=0.991．該公式可為預(yù)測不同水泥摻量條件下非飽和固化淤泥的無側(cè)限抗壓強度提供參考．

圖12(a)所示為不同水泥摻量和不同基質(zhì)吸力的固化淤泥在100 kPa凈圍壓條件下的抗剪強度與無側(cè)限抗壓強度之間的關(guān)系曲線．從圖中可以看出，固化淤泥的抗剪強度和無側(cè)限抗壓強度之間具有較好的線性關(guān)系，線性擬合優(yōu)度R2=0.965．圖12(b)、(c)分別為不同水泥摻量和不同基質(zhì)吸力的固化淤泥在200、300 kPa凈圍壓條件下抗剪強度和無側(cè)限抗壓強度之間的關(guān)系曲線．由圖可知，200、300 kPa凈圍壓條件下固化淤泥的抗剪強度和無側(cè)限抗壓強度之間也存在較好的線性關(guān)系，擬合優(yōu)度分別為R2=0.985、R2=0.986．對比3種凈圍壓條件下固化淤泥的抗剪強度和無側(cè)限抗壓強度之間的關(guān)系曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著凈圍壓的增大，擬合曲線在豎軸上的截距逐漸增大，而曲線的斜率則在0.76～0.91波動．上述現(xiàn)象可能與凈圍壓對固化淤泥的側(cè)向約束有關(guān)，凈圍壓越大，側(cè)向約束越強，抗剪強度越高．

(a) 凈圍壓100 kPa

(b) 凈圍壓200 kPa

(c) 凈圍壓300 kPa

3 結(jié) 論

(1)固化淤泥的土-水特征曲線在基質(zhì)吸力小于進氣值時飽和度變化并不明顯；但基質(zhì)吸力大于進氣值時，固化淤泥的飽和度隨基質(zhì)吸力的增大而逐漸降低，水泥摻量越大，飽和度隨基質(zhì)吸力增大而降低的速率越?。退鄵搅抗袒倌嗟耐?水特征曲線位于高水泥摻量固化淤泥土-水特征曲線的下方．

(2)水泥摻量100 kg/m3固化淤泥的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化，凈圍壓越大，抗剪強度越高；隨著凈圍壓的增大，基質(zhì)吸力對強度的貢獻逐漸減小，凈圍壓為300 kPa時，試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于重合．

(3)水泥摻量200、300 kg/m3固化淤泥的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)為應(yīng)變軟化，凈圍壓和基質(zhì)吸力越大，抗剪強度越高．水泥摻量200 kg/m3固化淤泥在3種凈圍壓條件下均表現(xiàn)為體縮．水泥摻量300 kg/m3固化淤泥在100 kPa凈圍壓條件下剪切時，試樣表現(xiàn)為先體縮后體脹；凈圍壓為200、300 kPa時，試樣均表現(xiàn)為體縮．

(4)水泥摻量100 kg/m3固化淤泥的無側(cè)限抗壓強度隨基質(zhì)吸力增大先增大后趨于穩(wěn)定；水泥摻量200、300 kg/m3固化淤泥的無側(cè)限抗壓強度隨基質(zhì)吸力增大而不斷增大．無側(cè)限抗壓強度與水泥摻量和基質(zhì)吸力有關(guān)．

(5)不同水泥摻量和基質(zhì)吸力條件下固化淤泥的抗剪強度與無側(cè)限抗壓強度之間存在較好的線性關(guān)系．