李光耀，張 振，葉觀寶，單衛(wèi)良，舒 歡

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系, 上海 200092；2.上海寶粉材料科技有限公司,上海 200000；3.金茂蘇皖企業(yè)管理（天津）有限公司, 江蘇 南京 210003）

將化學(xué)固化劑與土體進(jìn)行原位或異位攪拌形成固化土可有效改善土體工程性質(zhì)，如提高土體的強(qiáng)度和抗?jié)B性能、減少土體變形[1-2]。迄今為止，水泥仍是最常用的土體固化劑[3-4]。然而，水泥工業(yè)不僅需要消耗大量石灰石和黏土等自然資源，而且生成過程中排放的粉塵和廢氣嚴(yán)重影響環(huán)境和健康。因此，研發(fā)新型固化劑以減少或替代水泥一直是研究的熱點(diǎn)，具有重要的工程價(jià)值和社會意義。

近年來，眾多學(xué)者將土體固化劑的研發(fā)思路投向了以工業(yè)固廢為主的原料，這是將工業(yè)固廢充分資源化利用的有效途徑[5-6]。方祥位等[7]研究了GT 型土體固化劑在加固土體時(shí)的工程性質(zhì)。Sun 等[5]通過混合一定比例的脫硫石膏、鋼渣和爐渣形成一種新型固化劑。王子帥等[8]通過相關(guān)試驗(yàn)對工業(yè)廢渣協(xié)同水泥加固土體的抗硫酸鹽侵蝕性能進(jìn)行了研究。張小芳等[9]研究揭示了水泥-礦渣-粉煤灰的固化機(jī)理。

GS 固化劑是一種以煉鋼產(chǎn)生的工業(yè)廢渣為主要原料（固廢質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)70%以上）、采用碾磨工藝、經(jīng)過材料適應(yīng)性試驗(yàn)而研制的應(yīng)用于軟土加固的綠色固化材料，并已成功應(yīng)用于工程實(shí)踐中[10-11]。葉觀寶等[12]、Ye 等[13]研究了GS 固化劑加固上海第③層、第④層軟土的工程力學(xué)特性，研究表明，在相同摻量和齡期下，GS 固化土的室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是水泥土的1.3～2.1 倍，現(xiàn)場標(biāo)貫擊數(shù)是水泥土的1.8～2.3 倍。隨著我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也向海洋進(jìn)軍。海底淤泥具有特殊的土性特點(diǎn)，其固化研究尚處于起步階段。

本文開展了GS 固化劑加固海底淤泥的應(yīng)用研究。以香港某工程海底淤泥為加固對象，對比分析了GS 固化劑和水泥的摻量、齡期對固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，并建立了回歸模型，提出了GS 固化劑加固海底淤泥的強(qiáng)度預(yù)測方法。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自香港某工程海相沉積土（海底淤泥），現(xiàn)場取土、密封管密封后運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室。土樣呈流塑狀態(tài)，含水量高，灰黑色，含有很少量的細(xì)砂并夾雜著一些貝殼碎片，有異味。其主要物理力學(xué)和化學(xué)參數(shù)指標(biāo)見表1。試驗(yàn)采用GS 固化劑和P·O42.5 水泥作為土體固化劑，兩者的主要性能指標(biāo)見表2。

表1 海底淤泥土性指標(biāo)Table 1 Soil properties of submarine soft soil

表2 GS 固化劑與水泥性能指標(biāo)Table 2 Performance indices of GS agent and cement

1.2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)步驟

采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究固化劑摻量和齡期對固化土加固效果的影響。依據(jù)《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ/T 233—2011)[14]，一般工程中固化劑的摻量在10%～20%，因此試驗(yàn)中GS 固化劑和水泥的摻量選擇10%、15%、20%，試驗(yàn)齡期選擇14，28，56，90 d。參考工程實(shí)踐，并通過室內(nèi)流動(dòng)度試驗(yàn)，水灰比確定為1.0。

將試驗(yàn)土風(fēng)干、人工搗碎、過5 mm 篩網(wǎng)，使用攪拌棒將過篩后的土粉與指定的固化劑（GS 固化劑或水泥）充分混合，添加所需的水到混合物中并用電動(dòng)攪拌機(jī)快慢交替攪拌10 min 后，將漿液倒入50 mm×50 mm×50 mm 的立方體試件模具中，放在振動(dòng)臺上振動(dòng)密實(shí)去除氣泡和氣穴，振動(dòng)密實(shí)后的固化土混合料應(yīng)高出試模的上部沿口；試模上部沿口多余的固化土用刮刀刮除并抹平，然后蓋上塑料薄膜。試塊應(yīng)在成型24 h 后利用在試模底部留出的氣孔處使用氣槍拆模，放入養(yǎng)護(hù)室（室溫25 °C±1 °C 和濕度大于95%）中養(yǎng)護(hù)到所需要的齡期（14，28，56，90 d）。

借助壓式萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，采用應(yīng)力控制，以0.15 kN/s 的速度均勻連續(xù)施加荷載。每組6 個(gè)試件，取測試強(qiáng)度的算術(shù)平均值作為該組試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。為便于辨識，試驗(yàn)組采用C/GSX-Yd 標(biāo)注，其中C 代表水泥，GS 代表GS 固化劑，X 代表摻量，Yd 代表齡期。例如，GS10-14d 即為GS 固化劑摻量10%、齡期14 d 的試驗(yàn)組。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖1 為不同齡期下固化土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖1 可知，無論何種固化劑及摻量，海底淤泥固化土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要分為3 個(gè)階段：第1 階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變線性增長；第2 階段，隨應(yīng)變增加，應(yīng)力的增長速率逐漸減緩，直至應(yīng)力達(dá)到峰值（抗壓強(qiáng)度）；第3 階段，應(yīng)力隨應(yīng)變增加迅速降低，并漸趨近于穩(wěn)定值（殘余強(qiáng)度）。同時(shí)，在齡期較小時(shí)（14，28 d），固化土需應(yīng)變增至4%～5%達(dá)到峰值應(yīng)力，且峰值后的殘余階段應(yīng)力下降幅度較小且平緩；隨著齡期的增長，固化效果逐漸顯著，試樣在應(yīng)變2%～3%達(dá)到峰值應(yīng)力，且峰值后的殘余階段應(yīng)力大幅快速下降。在相同的固化劑摻量下，隨著齡期增長固化土趨于脆性破壞。從圖中可知，GS 固化土強(qiáng)度明顯高于水泥土。

圖1 不同固化劑摻量下固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.1 Stress-strain curves of the stabilized soil in different binder contents

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖2 為固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期和固化劑摻量的變化曲線。由圖2（a）可知，2 種固化土的強(qiáng)度隨齡期增加變化趨勢基本一致，且呈非線性增長。在固化早期，兩者無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有著顯著的增加，之后強(qiáng)度增加變緩，但是GS 固化土的強(qiáng)度提高相比于水泥土更加明顯。如圖2（b）所示，GS 固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻量的增加逐漸增大，增長趨勢與水泥土類似，但增長速率更大。

圖2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律Fig.2 Changes of the unconfined compressive strength

為進(jìn)一步分析GS 固化劑的加固效果，計(jì)算相同齡期、相同摻量下，GS 固化土與水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比。從表3 可知，強(qiáng)度提高比在2.03～2.91 之間。通過以上分析表明，GS 固化劑加固海底淤泥的早期強(qiáng)度高、強(qiáng)度增長快，達(dá)到相同強(qiáng)度用量更少，其加固效果優(yōu)于水泥。

表3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高比Table 3 Improvement ratio of the unconfined compressive strength

2.3 彈性模量

無論是水泥土還是GS 固化土，應(yīng)力-應(yīng)變曲線都表現(xiàn)為非線性，通常取E50，即原點(diǎn)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的一半的連線斜率評價(jià)固化土的彈性模量。已有研究發(fā)現(xiàn)加固土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu與彈性模量E50存在線性相關(guān)關(guān)系[15]。如圖3 所示，2 種不同固化劑加固土的數(shù)據(jù)點(diǎn)大體分布在三角區(qū)域內(nèi)，且上、下限范圍如式（1）（2）所示。GS 固化土E50與qu的關(guān)系與水泥土基本一致。

圖3 彈性模量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.3 Relationship between the elastic modulus and unconfined compressive strength

水泥土：

GS 固化土：

3 力學(xué)性能預(yù)測方法

3.1 方法的建立

已有文獻(xiàn)及經(jīng)驗(yàn)公式表明[16-17]，2 個(gè)不同條件下的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比與其齡期之比和摻量之比呈冪函數(shù)的關(guān)系：

式中：qu—無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；

aw—固化劑摻量；

T—齡期，下標(biāo)1 和2 表示2 種條件；

α，β—待確定的參數(shù)。

由前文可知，GS 固化土和水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線關(guān)系變化趨勢一致，本文通過對式（3）取兩邊的自然對數(shù)轉(zhuǎn)換為線性函數(shù)等式之后，使用線性擬合確定參數(shù)α和β分別為1.08 和0.40，相關(guān)系數(shù)為0.96。圖4 為線性擬合結(jié)果。

圖4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Fig.4 Fitting results of the unconfined compressive strength

為在實(shí)際工程中便于設(shè)計(jì)使用，將式（2）轉(zhuǎn)換為圖5 所示的設(shè)計(jì)圖表。當(dāng)已知某特定摻量和齡期的GS 固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度時(shí)，可根據(jù)以下步驟快速預(yù)測任一摻量和齡期的GS 固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度：

圖5 設(shè)計(jì)圖表Fig.5 Design chart

步驟1：從實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)或先前的研究中獲得GS 固化劑摻量為aw2、齡期為T2的GS 固化土的qu2。

步驟2：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定考查齡期T1，初步確定GS 固化土的設(shè)計(jì)摻量aw1。

步驟3：計(jì)算aw1/aw2和T1/T2。

步驟4：借助設(shè)計(jì)圖表（圖5），計(jì)算qu1。

步驟5：如不滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求，改變固化劑摻量，重復(fù)步驟2～4。

3.2 方法的驗(yàn)證與應(yīng)用

由圖6 可知，預(yù)測的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與試驗(yàn)值均在45°線附近，說明式（3）的預(yù)測結(jié)果具有較好的可靠性。

圖6 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比Fig.6 Comparison of the predicted and measured values

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，已知齡期14d、摻量15%的GS 固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu2為2.41 MPa。如采用設(shè)計(jì)圖法預(yù)測齡期為56d、摻量為15%的GS 固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu1，通過設(shè)計(jì)圖可以得到qu1為4.25 MPa。將aw1=15%、aw1=15%、T1=56 d、T2=14 d、qu1=2.41 MPa代入式（3）中，計(jì)算得到qu1為4.20 MPa。因此，借助設(shè)計(jì)圖可快速地確定GS 固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

4 結(jié)論

（1）GS 固化土表現(xiàn)為應(yīng)變軟化規(guī)律。固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期增加，增長速率逐漸減小，隨摻量增加強(qiáng)度呈線性增加。相同齡期和摻量下，GS 固化土與水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比在2.03～2.91。

（2）加固土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu與彈性模量E50存在線性相關(guān)關(guān)系，GS 固化土E50與qu的關(guān)系與水泥土基本一致。

（3）通過建立回歸模型提出了GS 固化劑加固海底淤泥的強(qiáng)度預(yù)測方法，并繪制了設(shè)計(jì)圖，通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證了方法的可靠性。借助設(shè)計(jì)圖可快速地確定GS 固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。