邊曉亞，程宇熙

武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430074

隨著我國港口、海灣等近海工程的建設(shè)和湖泊、河岸的淤泥清理，以及圍海墾地和對(duì)城市地表地下工程的開發(fā)利用，在進(jìn)行作業(yè)的過程中產(chǎn)生大量疏浚淤泥［1］。給沿海地區(qū)帶來了巨大的環(huán)境問題和經(jīng)濟(jì)壓力［2］。而為解決上述問題，日本工程界發(fā)明了一種新的圍海墾地工作模式，即將原狀海泥、水與低劑量固化劑（水泥等）混合形成水泥固化流塑態(tài)填料并通過泵送管道直接澆注到墾地區(qū)域，待海泥-水-固化劑混合物硬化后，便形成了滿足一定工程力學(xué)指標(biāo)的建筑場地。

本文以上述海泥-水-固化劑混合硬化技術(shù)中的低摻量水泥固化高含水率黏土（high water content clay stabilized by low cement content，HWCSC）為研究對(duì)象。大量學(xué)者已經(jīng)對(duì)水泥固化土的強(qiáng)度影響因素及強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究，吳燕開等［3］得出了固化土在不同離子濃度的海水和蒸餾水養(yǎng)護(hù)條件下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。曾智等［4］研究了上海黏土水泥固化土的強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間（t）、水 泥 質(zhì) 量 分 數(shù)（wc）之 間 的 關(guān) 系。Pongsivasathi 等［5］通過進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（qu）試驗(yàn)、加州浸水承載比試驗(yàn)，研究了水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響。袁飛飛［6］提出了淤泥固化土的比重、密度、含水率（ww）的歸一化公式以及孔隙比的預(yù)測公式，并定量地劃分了摻入比的高低界限。Lee 等［7］以水灰比和土灰比為控制參數(shù)，提出了一個(gè)修正的冪函數(shù)形式經(jīng)驗(yàn)公式來預(yù)測水泥土的強(qiáng)度。Kim 等［8］認(rèn)為水灰比是影響水泥穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彈性模量和破壞應(yīng)變的主要因素。Marzano 等［9］通過室內(nèi)試驗(yàn)初步證實(shí)了養(yǎng)護(hù)溫度越高，早期強(qiáng)度就越高，極限強(qiáng)度也越高。王臻華等［10］提出碳酸氫鈉能維持水泥固化淤泥的堿性環(huán)境，能夠有效提高水泥固化淤泥的強(qiáng)度。朱劍鋒等［11］發(fā)現(xiàn)TZ18 固化土生成的水化產(chǎn)物更多，顆粒之間的聯(lián)結(jié)更強(qiáng)，微觀結(jié)構(gòu)特性更穩(wěn)定。鄭少輝等［12］研究了不同水灰比的水泥固化黏土的強(qiáng)度特性。賈堅(jiān)［13］發(fā)現(xiàn)綜合含水率是影響水泥固化土固化效果的關(guān)鍵因素。張春雷等［14］認(rèn)為初始含水率對(duì)水泥固化淤泥的強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變曲線和黏聚力均有顯著影響。

相較于傳統(tǒng)水泥固化黏土，HW-CSC 因?yàn)楹矢叨宜噘|(zhì)量分?jǐn)?shù)較少，其強(qiáng)度和變形特性具有自身特殊性，因此，HW-CSC 的強(qiáng)度和極限應(yīng)變及其影響因素還有待進(jìn)行深入研究。本文基于室內(nèi)試驗(yàn)，考慮水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)、含水率和養(yǎng)護(hù)齡期等因素對(duì)于HW-CSC 試樣強(qiáng)度和極限應(yīng)變的影響，并給出容許極限應(yīng)變的建議范圍，為實(shí)際工程中HW-CSC 的應(yīng)用提供參考。

1 土樣性質(zhì)及試驗(yàn)方法

1.1 材料性質(zhì)

土樣取自溫州地區(qū)淺海區(qū)域上層的海泥，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。水泥采用工程上常用的早強(qiáng)復(fù)合硅酸鹽水泥，即P·C 32.5R 水泥。

1.2 試驗(yàn)方法

為了研究HW-CSC 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系規(guī)律，考慮水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)和含水率兩個(gè)重要因素，在不同養(yǎng)護(hù)齡期條件下進(jìn)行試驗(yàn)，水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置為12%、14%、16% 和18% 等4 種 情 況，含 水 率 取100%、125%、150%和175%，養(yǎng)護(hù)齡期取14、28、49、70 和126 d，即共制作出80 組不同配合比的試樣，對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，制備試樣的主要步驟如下：

1）制備試驗(yàn)所需模具，模具用PVC 管替代，模具的高為80 mm，內(nèi)徑為36 mm，外徑為40 mm；

2）按照上述所示的配合比分布范圍及海泥的天然含水率計(jì)算出所需水泥和水的質(zhì)量；

3）將計(jì)算確定的水和水泥依次加入海泥中，倒入攪拌器攪拌2～3 min，然后用刮刀將攪拌缽底部和缽壁周圍的混合料鏟起，人工攪拌1～2 min，再使用攪拌器攪拌2～3 min，充分?jǐn)嚢瑁?/p>

4）將攪拌好的混合料分層填入模具中，每一層經(jīng)過人工振動(dòng)排出氣泡后再填入下一層，直至將模具裝滿，再用刮土刀將模具表面刮平。試樣裝進(jìn)模具前應(yīng)先在其內(nèi)壁涂抹一層凡士林，以便于后期試樣脫模；

5）將制作好的試樣裝入密封袋中，并置于充滿水的水桶中，將桶放在陰涼［溫度（20±3）℃，濕度＞80%］的實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期后進(jìn)行脫模；

6）試樣脫模后，將試樣的兩側(cè)用削土刀削平，然后進(jìn)行UCT 試驗(yàn)，操作過程嚴(yán)格按照規(guī)范JIS A 1216：2009（JGS 2009）執(zhí)行［15］。

表1 試驗(yàn)所用海泥的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical properties of sea mud used in experiments

2 影響HW-CSC 試樣強(qiáng)度的因素

通過室內(nèi)試驗(yàn)測出上述試驗(yàn)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，分析上述80 組不同配合比的HW-CSC 試樣數(shù)據(jù)（共240 個(gè)HW-CSC 試樣），考察水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為12%、14%、16%和18%條件下HW-CSC 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。

2.1 水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)試樣強(qiáng)度的影響

考察養(yǎng)護(hù)齡期分別為14、28、49、70 和126 d 情況下，不同含水率條件下HW-CSC 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。圖1（a）給出了養(yǎng)護(hù)齡期為14 d 情況下，不同含水率條件下HWCSC 強(qiáng)度隨水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況。

綜合考慮14、28、49、70 和126 d 養(yǎng)護(hù)齡期及不同含水率條件下HW-CSC 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的情況，可作如下分析：

1）當(dāng)含水率為100%時(shí)，相同齡期下當(dāng)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12%～16%時(shí)，HW-CSC 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，而當(dāng)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)在16%～18%時(shí)，水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加使試樣強(qiáng)度增長速率有減緩的趨勢。分析其原因：對(duì)含水率為100%的HW-CSC，當(dāng)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)在16%～18%時(shí)，水-水泥-海泥已經(jīng)充分反應(yīng)，繼續(xù)增加水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)HW-CSC 的強(qiáng)度提升作用不大。因此，對(duì)含水率為100%的HW-CSC 存在一個(gè)最佳水泥摻入量范圍——水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)：16%～18%。

2）含 水 率 在125%～175% 的HW-CSC 試 樣，HW-CSC 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而穩(wěn)定增長，且增長速率都較為平緩；但是少數(shù)HW-CSC 試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長規(guī)律出現(xiàn)反常，如含水率為125%的HW-CSC 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是含水率的增加使海泥質(zhì)量相對(duì)減少，水-水泥-海泥攪拌不均使HW-CSC 的空間變異性增大。

3）含水率為100%的試樣的強(qiáng)度為100～600 kPa，而含水率為125%～175%的試樣強(qiáng)度為0～250 kPa，因此摻入水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%～18%對(duì)含水率在125%～175%的HW-CSC 試樣強(qiáng)度提升并不明顯，因此若要進(jìn)一步提高高含水率（含水率≥125%）水泥固化黏土的強(qiáng)度，需要繼續(xù)適當(dāng)增大水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以增加到25%左右。

圖1 影響HW-CSC 試樣強(qiáng)度的因素：（a）水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)（t=14 d），（b）含水率（wc=12%），（c）養(yǎng)護(hù)齡期（wc=12%）Fig.1 Factors affecting on strengths of HW-CSC samples：（a）cement mass fraction（t=14 d），（b）water content（wc=12%），（c）curing age（wc=12%）

2.2 含水率對(duì)試樣強(qiáng)度的影響

考察水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為12%、14%、16%和18%情況下，不同齡期條件下HW-CSC 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律。圖1（b）給出了水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%情況下，不同齡期HW-CSC 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的變化情況。

綜合考慮水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12%、14%、16%和18%的情況下不同齡期時(shí)強(qiáng)度隨著含水率的變化規(guī)律，可以得出：在相同的水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，不同齡期HW-CSC 的強(qiáng)度均隨含水率的增加而降低，而含水率從100%增長至125%過程中，HW-CSC的強(qiáng)度下降較快；而含水率在150%～175%之間時(shí)，HW-CSC 的強(qiáng)度下降速率變慢，且當(dāng)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，強(qiáng)度下降速率變慢的就越明顯；含水率在150%～175%之間時(shí)，各齡期下HW-CSC 的強(qiáng)度隨含水率的增加變化量很小，趨于平緩。

2.3 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)試樣強(qiáng)度的影響

考察水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為12%、14%、16%和18%情況下，HW-CSC 試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律。圖1（c）給出了在水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%條件下，HW-CSC 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化情況。

綜合分析4 種水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的情況下試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律，可以得出在相同的水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長，HW-CSC 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)先增長后趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)了下降的情況。而齡期為70 d為HW-CSC 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)：70 d前，強(qiáng)度隨齡期增加而增長，而且增長的速率較快；70 d 后，強(qiáng)度隨齡期增長速率較慢并且趨于穩(wěn)定，部分配合比試樣的強(qiáng)度隨齡期增長略微減小。因此，HW-CSC 的最佳養(yǎng)護(hù)齡期為70 d。

3 影響HW-CSC試樣極限應(yīng)變的因素

3.1 容許極限應(yīng)變定義

每組數(shù)據(jù)中出現(xiàn)極限應(yīng)力時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值即為極限應(yīng)變，在實(shí)際工程中，需確保地基及基礎(chǔ)有足夠的整體穩(wěn)定性。為防止地基發(fā)生失穩(wěn)破壞，規(guī)定了地基容許極限應(yīng)變，容許極限應(yīng)變的計(jì)算方法見式（1）。

其中：εf為極限應(yīng)變；K 為安全系數(shù)（安全系數(shù)設(shè)為2.0）；［ε］為容許極限應(yīng)變。

以各影響因素為橫坐標(biāo)，極限應(yīng)變值為縱坐標(biāo)，繪制折線圖和散點(diǎn)圖，通過折線圖的起伏狀況和散點(diǎn)圖離散程度直觀地分析各影響因素對(duì)HWCSC 極限應(yīng)變的影響，總結(jié)出HW-CSC 極限應(yīng)變的標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間，相應(yīng)地得到容許極限應(yīng)變的區(qū)間。

3.2 試樣應(yīng)變總體分布情況

針對(duì)前文引用的80 組壓縮數(shù)據(jù)，將其繪制成散點(diǎn)圖，其概率分布情況見圖2（a）。

由圖2（a）可知，試樣的極限應(yīng)變值大多分布于0.8%～2.5%之間，由式（1）可得容許極限應(yīng)變值分布于0.40%～1.25%之間。

利用統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)HW-CSC 試樣極限應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，得到HW-CSC 試樣極限應(yīng)變的頻率分布直方圖，如圖2（b）所示。由圖2（b）可知，極限應(yīng)變值集中分布于1.0%～2.5%之間，由式（1）可得HW-CSC 容許極限應(yīng)變分布區(qū)間為0.50%～1.25%。

圖2 HW-CSC 試樣：（a）極限應(yīng)變散點(diǎn)圖，（b）極限應(yīng)變分布頻率直方圖Fig.2 HW-CSC samples：（a）scatter plot of ultimate strain，（b）frequency histogram of ultimate strain

3.3 水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)極限應(yīng)變的影響

考察養(yǎng)護(hù)齡期分別為14、28、49、70 和126 d 情況下，不同水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下HW-CSC 極限應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。圖3（a）給出了在養(yǎng)護(hù)齡期為14 d 的情況下，HW-CSC 極限應(yīng)變隨水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況。

綜合分析了齡期為14、28、49、70 和126 d 情況下試樣的極限應(yīng)變隨水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律，可以分析得出：在相同養(yǎng)護(hù)齡期下，水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)HW-CSC 極限應(yīng)變普遍最小，隨著水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，HW-CSC 極限應(yīng)變相應(yīng)增大，當(dāng)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到18%時(shí)，HW-CSC極限應(yīng)變最大。

3.4 含水率對(duì)極限應(yīng)變的影響

考察養(yǎng)護(hù)齡期分別為14、28、49、70、126 d 情況下，不同含水率對(duì)HW-CSC 極限應(yīng)變的影響，圖3（b）給出了在養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 的情況下，HW-CSC 極限應(yīng)變隨含水率的變化情況。

綜合考慮了5 種齡期下試樣的極限應(yīng)變隨含水率的變化規(guī)律，可以分析得出：在相同養(yǎng)護(hù)齡期下，含水率為100%時(shí)HW-CSC 極限應(yīng)變較大，HW-CSC 極限應(yīng)變隨含水率的增加而減小，當(dāng)含水率達(dá)到175%時(shí)，HW-CSC 極限應(yīng)變最小。

圖3 影響HW-CSC 試樣極限應(yīng)變的因素：（a）水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)（t=14 d），（b）含水率（t=28 d），（c）養(yǎng)護(hù)齡期（t=49 d）Fig.3 Effect of factors on ultimate strain of HW-CSC samples：（a）cement mass fraction（t=14 d），（b）water content（t=28 d），（c）curing age（t=49 d）

3.5 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)極限應(yīng)變的影響

為了研究養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)HW-CSC 極限應(yīng)變的影響規(guī)律，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出散點(diǎn)分布圖，考察14、28、49、70、和126 d 養(yǎng)護(hù)齡期下極限應(yīng)變的分布規(guī)律，圖3（c）給出了在養(yǎng)護(hù)齡期為49 d 的情況下，極限應(yīng)變的散點(diǎn)分布圖。

綜合分析5 種齡期下試樣的極限應(yīng)變散點(diǎn)分布圖可以得出：

養(yǎng)護(hù)齡期為14 d 和28 d 時(shí)HW-CSC 極限應(yīng)變主要分布于0.40%～1.15%之間，養(yǎng)護(hù)49 d 時(shí)極限應(yīng)變分布于0.4%～1.0% 之間，養(yǎng)護(hù)70 d 后HWCSC 極限應(yīng)變主要分布于0.65%～1.20%之間，養(yǎng)護(hù)126 d 后極限應(yīng)變主要分布于0.70%～1.15%之間。因此可以看出，HW-CSC 試樣的極限應(yīng)變離散程度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而逐漸減小。

4 結(jié) 論

本文基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，分析了水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)、含水率和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)HW-CSC 強(qiáng)度的影響，討論了試樣極限應(yīng)變及容許極限應(yīng)變的取值范圍和水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)、含水率和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)HW-CSC 極限應(yīng)變的影響。

1）水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)、含水率、養(yǎng)護(hù)齡期都對(duì)HWCSC 強(qiáng)度有顯著的影響：HW-CSC 試樣強(qiáng)度隨水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大；隨含水率的增加而減小，但減小的速率逐漸變慢；隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增大，但增加的速率為先慢后快，最終趨于穩(wěn)定，約70 d 齡期時(shí)達(dá)到峰值。

2）對(duì)于含水率為100%的試樣，存在一個(gè)最佳的水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)（16%～18%）。而對(duì)于含水率大于等于125%的試樣，水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12%～18%之間并不能有效地增大其固化強(qiáng)度，因此，應(yīng)該進(jìn)一步增大水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)以促進(jìn)其固化強(qiáng)度。

3）養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)于HW-CSC 試樣強(qiáng)度的影響表現(xiàn)出3 個(gè)階段：從14 d 到28 d 為緩慢增長階段，從28 d 到70 d 為快速 增長階段，從70 d 到126 d 為穩(wěn)定階段，因此，在實(shí)際工程中，建議將70 d 作為HW-CSC 最佳的養(yǎng)護(hù)齡期。

4）HW-CSC 極限應(yīng)變隨水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，隨含水率的增加而減小，隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而趨于集中。

5）HW-CSC 的極限應(yīng)變?chǔ)?主要集中在1.0%～2.5%范圍內(nèi)，安全系數(shù)為2.0 的容許極限應(yīng)變［ε］在0.50%～1.25%之間，而延長養(yǎng)護(hù)齡期有利于降低HW-CSC 極限應(yīng)變的離散性。