謝祖芬

（壘智設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司福州分公司 福建福州 350001）

0 引言

淤泥質(zhì)土在我國(guó)東南沿海及內(nèi)陸湖泊、河流沿岸多有分布，具有含水率高、孔隙率大、有機(jī)質(zhì)含量高、壓縮性大、強(qiáng)度低的特點(diǎn)，是工程建設(shè)中常見(jiàn)的不良土質(zhì)，處理難度大、成本高、周期長(zhǎng)［1-2］。諸多學(xué)者對(duì)淤泥質(zhì)土的研究中取得了較多成果，對(duì)淤泥質(zhì)土的強(qiáng)度、變形、電導(dǎo)率、滲透性等有了較為全面的認(rèn)識(shí)。為了減少淤泥質(zhì)土的工程危害，提升我國(guó)建設(shè)工程的技術(shù)水平，對(duì)于淤泥質(zhì)土的加固研究就成為熱點(diǎn)［3-5］。

淤泥質(zhì)土的加固措施主要分為2 種：①不在土中添加任何化學(xué)物質(zhì)，采用拋填砂石、真空預(yù)壓、排水固結(jié)等措施加固土體；②在土中加入生物酶、液態(tài)固化劑和固體膠凝材料等措施，利用化學(xué)反應(yīng)生成的凝膠物質(zhì)加固土體。這兩種措施對(duì)于固化淤泥質(zhì)土起到了積極作用，有各自的優(yōu)勢(shì)和短板［6-9］。為了更好地解決福州某工地淤泥質(zhì)土引起的工程問(wèn)題，本文選用水泥作為加固材料，從強(qiáng)度和壓縮特性分析水泥固化淤泥質(zhì)土的作用效果，并利用掃描電鏡試驗(yàn)從微觀分析水泥固化淤泥質(zhì)土的機(jī)理，為更好進(jìn)行下步工序提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用土取自福州某項(xiàng)目基坑開(kāi)挖工地，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1。試驗(yàn)過(guò)程中將淤泥質(zhì)土在105 ℃～120 ℃的烘箱內(nèi)烘烤8 h，去除淤泥質(zhì)土中的水分，隨后用橡膠錘將淤泥質(zhì)土敲碎并過(guò)2 mm 篩，去掉土中貝殼、砂礫等雜質(zhì)。

表1 淤泥質(zhì)土的物理指標(biāo)

按照水泥與干土的質(zhì)量比重定義水泥含量，水泥含量分別按照6%、12%、18%、24%和30%添加，試驗(yàn)用普通硅酸鹽水泥P32.5，試樣含水率為天然含水率，制樣完成后用保鮮膜密封。為了探究不同養(yǎng)護(hù)齡期下水泥固化淤泥質(zhì)土的效果，將試樣養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、14 d 和28 d 后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析

本次試驗(yàn)選用的是SJ-1A 型應(yīng)變控制三軸試驗(yàn)機(jī)，在不施加軸向圍壓時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)變控制速度為0.2 mm/min，每變形0.2 mm 讀取數(shù)據(jù)1 次，繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線，對(duì)于有明顯峰值點(diǎn)的取峰值為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值qu，對(duì)于沒(méi)有明顯峰值點(diǎn)的取應(yīng)變?yōu)?0%對(duì)應(yīng)的值為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值qu。繪制出5種不同水泥摻量，在不同養(yǎng)護(hù)齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度發(fā)展曲線如圖1。

圖1 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由圖1 可知，水泥固化淤泥質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)，前14 d 強(qiáng)度增長(zhǎng)量在162 kPa～292 kPa 之間，而后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)14 d 至齡期28 d 時(shí)強(qiáng)度增長(zhǎng)量在55 kPa 左右，前14 d 強(qiáng)度增長(zhǎng)值占總強(qiáng)度發(fā)展值的78%～85%之間，水泥對(duì)于淤泥質(zhì)土的固化作用主要集中在養(yǎng)護(hù)齡期14 d 以前；隨著摻入水泥含量的增大淤泥質(zhì)土的強(qiáng)度也逐步提高，5 種水泥含量的淤泥質(zhì)土在不同養(yǎng)護(hù)齡期下的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度表現(xiàn)出一定差異，即制樣完成后直接進(jìn)行試驗(yàn)的土體強(qiáng)度基本沒(méi)有差異，養(yǎng)護(hù)齡期分別為3 d、7 d、14 d 和28 d 的5 種水泥含量試樣強(qiáng)度最大差值為37 kPa、109 kPa、136 kPa 和138 kPa，總體呈現(xiàn)養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)不同水泥含量的固化土強(qiáng)度差異越明顯的趨勢(shì)；水泥含量為24%和30%的固化淤泥質(zhì)土在各齡期下的強(qiáng)度值較為接近，其試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線也基本一致，試樣破壞形態(tài)近似。

水泥對(duì)于淤泥質(zhì)土的固化作用取決于水泥水化產(chǎn)物對(duì)土中顆粒的膠結(jié)作用，在前14 d 絕大部分活性水泥已經(jīng)水化，生成的水化產(chǎn)物也較多，凝結(jié)硬化后強(qiáng)度提高顯著，而后時(shí)段內(nèi)的少量惰性水泥才逐步水化，使水泥對(duì)于淤泥質(zhì)土的固化作用主要集中在前14 d，施工過(guò)程中可以根據(jù)水泥固化土的這一特性結(jié)合工程需要適當(dāng)提前進(jìn)行下部工序做業(yè)。水泥含量的增加有助于固化土強(qiáng)度的增長(zhǎng)，試驗(yàn)中30%與24%水泥含量的固化淤泥質(zhì)土性質(zhì)接近，分析認(rèn)為是在有限含水量的情況下水泥含量的增加會(huì)使部分水泥無(wú)法充分進(jìn)行水化反應(yīng)，多余的水泥以顆粒形式存在于土體之間，對(duì)于土體強(qiáng)度的增長(zhǎng)沒(méi)有明顯作用。因此，在施工過(guò)程中需要根據(jù)試驗(yàn)科學(xué)確定淤泥質(zhì)土的水泥添加量，減少材料浪費(fèi)。

2.2 側(cè)限壓縮試驗(yàn)分析

側(cè)限壓縮試驗(yàn)選用的是三聯(lián)固結(jié)壓縮儀，試驗(yàn)壓力從25 kPa～1 600 kPa，共8 個(gè)壓力值，每級(jí)壓力下2 h 沉降變形小于0.01 mm 時(shí)即認(rèn)為變形穩(wěn)定，記錄每級(jí)壓力下試樣的最終沉降量（s），并開(kāi)始下級(jí)荷載施壓，繪制出養(yǎng)護(hù)7 d 和14 d 齡期下不同水泥含量的淤泥質(zhì)土在各級(jí)壓力下的沉降量曲線，如圖2。

由圖2 可知，土體沉降量隨著上覆壓力的增加逐漸增大，水泥對(duì)抑制土體沉降具有一定作用，從整體的壓力—沉降變化曲線上看，壓力是影響沉降的主要因素；各水泥含量下的壓力-沉降曲線變化趨勢(shì)一致，但存在一定差別，水泥含量為24%和30%的固化淤泥質(zhì)土壓縮曲線較為接近，且在壓力小于300 kPa 時(shí)沉降曲線較為平緩，在隨后壓力下沉降曲線變陡，其余水泥含量的土體沉降曲線沒(méi)有明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d和14 d 的各水泥含量下土體沉降曲線組成分別呈條帶狀和月牙形分布。

圖2 各水泥含量下的沉降曲線

淤泥質(zhì)土的含水率和孔隙率較一般土大，壓縮過(guò)程就是排除土中空氣和水的過(guò)程。水泥的加入會(huì)與土中的水發(fā)生水化反應(yīng)，水泥漿包裹在土顆粒周圍，凝結(jié)硬化后增強(qiáng)土顆粒之間的膠結(jié)作用，并形成土體骨架。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，這種固化作用逐漸增強(qiáng)，對(duì)于外界荷載作用下的變形有一定抑制作用，當(dāng)上部覆加壓力大于土體所能承受的壓力后，土體結(jié)構(gòu)破壞，其變形速率增大。24%和30%水泥含量的固化淤泥質(zhì)土在養(yǎng)護(hù)齡期7 d 時(shí)沉降曲線還有一定差異，養(yǎng)護(hù)至14 d 后兩者的沉降曲線基本一致。分析認(rèn)為隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，24%的水泥量已完全與土中水發(fā)生水化反應(yīng)，增加的6%水泥量已經(jīng)沒(méi)有可供水化反應(yīng)所需的水，使得此部分水泥只能以固體顆粒形式存在于土體之中，對(duì)于土體的固化作用已不明顯，在采用水泥加固淤泥質(zhì)土地基過(guò)程中需要根據(jù)土中含水量情況，綜合考慮水膠比與變形沉降要求等確定最優(yōu)水泥添加量。

2.3 掃描電鏡試驗(yàn)分析

掃描電鏡試驗(yàn)是從微觀角度分析土體性質(zhì)變化的常用手段。為了更好地探究水泥固化淤泥質(zhì)土其強(qiáng)度和壓縮特性的變化機(jī)理，對(duì)不同水泥含量、不同養(yǎng)護(hù)齡期下的試樣進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)，對(duì)比不同試驗(yàn)條件下試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異，掃描圖片見(jiàn)圖3。

圖3 掃描電鏡圖像

由圖3 可知，掃描過(guò)程中抓取放大2 000 倍的照片，對(duì)比3 種情況下的掃描圖像可知：土顆粒表面均有水泥凝結(jié)硬化后的產(chǎn)物，與土中原有的膠結(jié)物質(zhì)共同組成了膠結(jié)材料，強(qiáng)化了土體骨架，24%水泥含量的固化淤泥質(zhì)土較6%水泥含量的固化淤泥質(zhì)土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，土顆粒表面附著的水化產(chǎn)物更多、土中孔隙更少，部分水化產(chǎn)物單獨(dú)凝結(jié)成細(xì)小顆粒；24%水泥含量的固化淤泥質(zhì)土養(yǎng)護(hù)齡期為14 d 相比養(yǎng)護(hù)齡期為7 d 的試樣表面水化產(chǎn)物多，有更多的水化產(chǎn)物聚集在土顆粒之間，使得土顆粒表面更圓潤(rùn)。正是由于水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用，使得土顆粒之間的粘結(jié)力更強(qiáng)，土骨架承受外荷載和抵御變形的能力增強(qiáng)，同時(shí)水化反應(yīng)還消耗了土體中的原有水分，減少了水在土顆粒之間的潤(rùn)滑作用，間接增大了土顆粒之間的咬合力。水化產(chǎn)物的凝結(jié)加固作用與水泥水化減少水分對(duì)土顆粒的潤(rùn)滑作用是水泥加固淤泥質(zhì)土的主要作用機(jī)理，在淤泥質(zhì)土地基處理過(guò)程中，一方面可以從增強(qiáng)土顆粒之間的膠結(jié)力考慮，另一方面可以從加速土中水分消耗、排泄入手，采用多種途徑協(xié)同提高淤泥質(zhì)土的強(qiáng)度和抵抗變形的能力。

3 結(jié)論

水泥作為水硬性的凝膠材料，對(duì)于固化地基土具有一定優(yōu)勢(shì)。通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、壓縮固結(jié)試驗(yàn)以及掃描電鏡試驗(yàn)從不同層面考慮水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥固化淤泥質(zhì)土的效果和機(jī)理進(jìn)行分析，得到以下5 點(diǎn)結(jié)論。

（1）水泥對(duì)于淤泥質(zhì)土的強(qiáng)度提升具有顯著效果。隨著水泥含量的增大無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大，當(dāng)水泥含量為30%時(shí)土體強(qiáng)度增長(zhǎng)情況與24%水泥含量的土體強(qiáng)度基本一致，養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)水泥對(duì)淤泥質(zhì)土的固化作用越顯著，且主要發(fā)生在前14 d 的養(yǎng)護(hù)中。

（2）水泥的加入能有效減少淤泥質(zhì)土的沉降變形。隨著水泥含量的提高，固化淤泥質(zhì)土在各級(jí)壓力下沉降變形逐漸減少，24%和30%水泥含量的淤泥質(zhì)土的壓縮曲線在300 kPa 處有明顯轉(zhuǎn)折，此時(shí)土的結(jié)構(gòu)在上覆壓力作用下破壞。

（3）掃描電鏡中發(fā)現(xiàn)水泥含量的提高能減少土中孔隙、增加土顆粒之間的膠結(jié)作用，并隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)這種作用更明顯。

（4）水泥加固淤泥土的作用機(jī)理主要表現(xiàn)在2 個(gè)方面：①水泥水化產(chǎn)物增強(qiáng)了土顆粒之間的膠結(jié)作用、減少了土中孔隙；②水泥水化消耗了土中原有水分，減少水對(duì)土顆粒之間的潤(rùn)滑作用。

（5）淤泥質(zhì)土加固過(guò)程中水泥添加量、養(yǎng)護(hù)齡期及含水率是影響其加固效果的主要因素。施工中需要根據(jù)土中水含量通過(guò)試驗(yàn)確定出最優(yōu)的水泥添加量，本試驗(yàn)的水泥最優(yōu)添加量為24%。