王子昂，詹良通，劉超洋，黃勤，堯俊，劉茹

(1.浙江大學 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點實驗室，浙江 杭州，310058；2.深圳市特區(qū)建設(shè)發(fā)展集團有限公司，廣東 深圳，518048；3.深圳市住房和建設(shè)局，廣東 深圳，518031)

脫水泥餅是采用板框壓濾機等機械設(shè)備對工程泥漿進行壓濾脫水后形成的塊狀產(chǎn)物，含水率通常介于35%～50%之間，且細粒含量較多[1]。隨著我國對城市地下空間建設(shè)的大力推進，工程泥漿產(chǎn)量急劇上升，可預見在未來幾年內(nèi)脫水泥餅產(chǎn)量將繼續(xù)增加。由于目前對脫水泥餅的處置方式以堆填為主，而堆填體的穩(wěn)定安全性主要受其力學特性影響，通常其含水率越高，粗粒含量越少，抗剪強度越低。因此，為提升脫水泥餅的堆填高度，避免性質(zhì)較差的泥餅在堆填體內(nèi)部形成軟弱夾層造成的安全隱患，選取適當材料作為摻合料，對高含水率泥餅的力學特性進行研究，具有十分重要的工程意義。

大尺寸直剪試驗由于具有弱化試樣尺寸效應(yīng)[2]、貼近工程實際[3]、可靠性高[4]等優(yōu)點，得到了國內(nèi)外眾多學者[5-7]的關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于試樣剪切強度特性的研究，但目前對脫水泥餅力學特性的系統(tǒng)研究很少，較多研究集中在土石混填體方面。例如，徐文杰等[8]通過對虎跳峽地區(qū)土石混合體進行大型原位水平推剪試驗，分析了試樣強度參數(shù)在浸水前后的變化規(guī)律。李維樹等[9]以三峽庫區(qū)滑坡體為研究對象，基于直剪試驗結(jié)果建立了試樣抗剪強度參數(shù)與含水率的關(guān)系。楊繼紅等[10]通過對堆積體邊坡開展大型直剪試驗，發(fā)現(xiàn)試樣剪切面形態(tài)及剪切強度與試樣含石量密切相關(guān)。董云[11]基于大型直剪試驗系統(tǒng)，研究了含水率、含石量和母巖性質(zhì)等因素對試樣抗剪強度的影響。趙明華等[12]通過控制單一變量，研究了試樣級配參數(shù)及壓實度對其抗剪強度的影響。楊繼紅等[13]則研究了含石量對試樣抗剪強度和剪應(yīng)力-剪切位移曲線的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著含石量的增加，試樣剪應(yīng)力-剪切位移曲線將呈現(xiàn)出3 種不同模式。上述研究表明，適當?shù)暮磕軌蝻@著提高土體材料的抗剪強度[13-15]。但若通過增加含石量以提升脫水泥餅堆填體的抗剪強度，不僅會造成建材資源浪費，而且會使泥餅消納成本大大增加。

近年來，我國城市建筑固廢產(chǎn)量急劇增加[16-17]。相比于純土體，建筑固廢含水率通常較低，而強度較高，按照適當比例將其與脫水泥餅進行混合堆填，不僅可以改善泥餅力學性能，而且可以在一定程度上解決建筑垃圾的處置問題。目前，已有較多學者[18-20]對磚混材料的再利用進行了研究，通過將破碎、分選后的磚混材料和土體混合，使得土體成為了類似土石混填體的材料，大大增加了其抗剪強度，證實了將其作為土體改性材料的可行性。然而，隨著建筑材料向輕質(zhì)、節(jié)能方向發(fā)展，工程建設(shè)中越來越多地將加氣混凝土用作新型墻體材料[21]，建筑垃圾中加氣混凝土材料的占比逐年增加，相關(guān)處置需求越發(fā)迫切。相較于磚混材料，加氣混凝土密度更低，表面孔隙更多，吸水性更強，但由于對其抗剪強度特性的認識和研究仍明顯不足，目前尚未發(fā)現(xiàn)將其作為土體改性材料進行利用的相關(guān)報道。

因此，針對上述問題，本文作者通過開展室內(nèi)脫水泥餅與加氣混凝土粉混合料大尺寸直剪試驗，對純泥餅和混合料試樣的剪應(yīng)力-位移關(guān)系進行研究；分析加氣混凝土粉摻量、含水率和壓實度等因素對試樣不排水抗剪強度的影響規(guī)律，并揭示其變化機理；提出適宜深圳市高含水率泥餅的加氣混凝土粉料摻量。通過本文研究，以期能為脫水泥餅的抗剪強度特性試驗研究以及工程建設(shè)提供一定啟示和參考。

1 試驗設(shè)備、材料和方法

1.1 試驗設(shè)備

采用浙江大學建工學院的Geotest S2450 大型直剪儀進行直剪試驗，該儀器主要由剪切盒、加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。在試驗過程中，固定直剪儀上剪切盒并利用水平加載系統(tǒng)勻速推動下剪切盒，使試樣在均勻受力的條件下進行剪切。剪切盒內(nèi)部長×寬×高為300 mm×300 mm×150 mm；加載系統(tǒng)包括水平加載系統(tǒng)和垂直加載系統(tǒng)，可實現(xiàn)加壓、保壓等功能；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以在剪切過程中實現(xiàn)對試樣豎向壓力、剪應(yīng)力、剪切位移和豎向位移的采集記錄。

1.2 試驗材料

本文試驗所用泥餅取自深圳市某脫水泥餅生產(chǎn)現(xiàn)場，是利用板框壓濾機對工程渣土洗砂后的泥漿壓濾脫水形成(見圖1(a))。該脫水泥餅的相對密度、界限含水率、含水率等基本物理性質(zhì)如表1所示。由于泥餅為塊狀結(jié)構(gòu)，直接進行擊實試驗所得的試驗結(jié)果離散性較大，因此，本文參照GB/T 50123—2019“土工試驗方法標準”[22]首先將塊狀泥餅過5 mm篩碾碎，然后對過篩樣品含水率進行調(diào)配，并對不同含水率下的樣品在室內(nèi)進行輕型擊實試驗，進而確定其最大干密度和最優(yōu)含水率。

圖1 試驗材料Fig.1 Test materials

根據(jù)表1 可知，泥餅顆粒組成中細粒含量較高，砂粒含量較少。按照液塑限分類[23]，泥餅試樣屬于粉質(zhì)黏土。本試驗所用建筑固廢材料為深圳市破碎、分選后的加氣混凝土粉料(見圖1(b))，相對密度為2.63，其顆粒級配曲線如圖2所示。

表1 試驗所用泥餅試樣的基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of dewatered slurry cake

圖2 試驗材料原始級配曲線Fig.2 Original grain-size distribution curves of test materials

由圖2 可知，加氣混凝土粉料粒徑相對較大，但最大粒徑仍在1 cm 之內(nèi)。通過輕型擊實試驗得到不同加氣混凝土粉摻量下泥餅試樣的最優(yōu)含水率wop和最大干密度ρdmax的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知：隨著加氣混凝土粉摻量增加，混合料試樣最優(yōu)含水率逐漸增大，最大干密度逐漸減小。這是由于加氣混凝土粉顆粒內(nèi)部及表面富含大量微細孔通道，隨著其在混合料中占比增加，樣品吸水性逐漸增大，導致試樣最優(yōu)含水率的升高[24]；又由于其密度和相對密度較低，導致試樣最大干密度逐漸減小。

圖3 不同加氣混凝土粉摻量下試樣的擊實試驗結(jié)果Fig.3 Compaction test results of samples with different autoclaved aerated concrete powder contents

1.3 試驗方法

在快速堆填條件下，脫水泥餅堆填體內(nèi)的孔隙水不能及時排出，外界豎向壓力增加而孔隙水壓力來不及消散。因此，本文利用大尺寸直剪儀進行快剪試驗，模擬泥餅堆填體在快速堆填條件下的抗剪強度特性。本文共進行15 組直剪試驗，主要用于探究加氣混凝土粉、含水率及壓實度對試樣抗剪強度的影響，各試驗工況見表2，其中，Z-1 為現(xiàn)場含水率試樣；Z-2～Z-5，Z-10 和Z-13～Z-15 為按設(shè)計比例將加氣混凝土粉摻入泥餅，并混合均勻后獲得的試樣；Z-6～Z-9 和Z～11～Z-12 為通過控制相應(yīng)含水率及加氣混凝土粉摻量制得的試樣。試驗設(shè)計了試樣含水率處于最優(yōu)含水率左側(cè)、最優(yōu)含水率以及最優(yōu)含水率右側(cè)3類工況。為保證剪切過程中所用試驗材料的水分均勻分布，在進行剪切試驗前，用防水密封膜將試驗材料進行密封，并悶料24 h[25]。在快剪試驗完成后，對Z-10～Z-12試樣進行篩分析試驗，取剪切面上、下各10 mm 厚試樣，烘干后通過篩分定量統(tǒng)計剪切面的顆粒級配。

表2 直剪試驗試驗工況Table 2 Test conditions of direct shear test

在試樣裝填過程中，為保證試樣壓實度達到設(shè)計要求，本文將相應(yīng)質(zhì)量的試樣分成3 層裝填，并采用控制剪切盒內(nèi)試樣體積的方法[12]達到相應(yīng)壓實度。在試驗過程中，豎向壓力施加完成后馬上進行剪切，試樣剪切速率設(shè)定為4 mm/min。試樣剪切完成后，若剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線存在峰值剪應(yīng)力，則將其作為試樣抗剪強度；若無明顯峰值剪應(yīng)力出現(xiàn)，則將剪切位移為試樣邊長1/10時的剪應(yīng)力作為試樣抗剪強度[22,26]。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 純泥餅的抗剪強度特性

定義試樣壓縮為正，膨脹為負。圖4所示為快剪過程中純泥餅試樣(Z-1)的剪切測試曲線。由圖4可知，純泥餅試樣剪應(yīng)力隨著剪切位移增加逐漸趨于平穩(wěn)，表現(xiàn)為塑性發(fā)展型破壞，且不同豎向壓力下的最大剪應(yīng)力相差不大。

圖4 純泥餅試樣剪切測試曲線Fig.4 Shear test curves of pure dewatered slurry cake

這是由于純泥餅試樣僅在試驗初期(剪切位移15 mm 內(nèi))發(fā)生了剪縮現(xiàn)象，導致試樣剪應(yīng)力在剪切試驗初期逐漸增加，但當其內(nèi)部形成一條貫通的剪切面后便趨于穩(wěn)定。又由于試樣初始飽和度已接近飽和，并且剪切速度較快，在剪切過程中，試樣的孔隙水壓力難以及時消散，外界豎向壓力增加而試樣的有效應(yīng)力基本不變；其不排水抗剪強度主要是細粒間的黏聚力提供，因此，在不同外界豎向壓力下差別不大。

2.2 混合料的抗剪強度特性

2.2.1 破壞模式分析

從含有加氣混凝土粉料的14 組試驗中選出2組具有代表性的Z-5 和Z-9 試樣的剪切測試曲線，如圖5 所示。由圖5 可知：在豎向壓力200 kPa 試驗中，Z-5試樣表現(xiàn)為塑性發(fā)展型破壞，其余試驗中均表現(xiàn)為軟化型破壞；而在所有試驗中Z-9試樣均表現(xiàn)為硬化型破壞。這說明當加氣混凝土粉摻量相同時，含水率對混合料的破壞模式有較大影響。

圖5 Z-5和Z-9試樣的剪切測試曲線Fig.5 Shear test curves of Z-5 and Z-9 samples

具體而言，低含水率試樣顆粒間的摩擦較大，咬合作用較強，具有明顯的剪脹趨勢，但隨著剪切的進行，顆粒間的咬合狀態(tài)逐漸被破壞，導致剪應(yīng)力在達到峰值后開始降低，宏觀上表現(xiàn)為軟化型破壞。然而，隨著豎向壓力增加，剪切過程中試樣受到的限制越發(fā)顯著，當豎向壓力達到一定程度(如200 kPa)時，試樣將不再具有明顯剪脹趨勢(與圖4 中純泥餅類似)，這導致軟化破壞現(xiàn)象減弱，宏觀上表現(xiàn)為塑性發(fā)展型破壞。高含水率試樣的壓縮性較大，在試驗過程中持續(xù)剪縮，顆粒間摩擦作用逐漸增強，表現(xiàn)出試樣的壓硬性，故剪應(yīng)力持續(xù)增加，表現(xiàn)為硬化型破壞。

2.2.2 顆粒破碎分析

圖6 所示為Z-10，Z-11 和Z-12 試樣剪切前后的顆粒級配曲線。由圖6可知：混合料級配曲線在剪切后均有所上移，并且含水率越小、豎向壓力越大，曲線上移幅度越高，說明剪切過程中發(fā)生了顆粒破碎，且破碎程度與豎向壓力和含水率有關(guān)[25]。

圖6 試驗前后混合料的顆粒級配曲線Fig.6 Grain-size distribution curves of test materials before and after shearing

為分析豎向壓力和含水率對顆粒破碎程度的影響規(guī)律，引入相對破碎率(Br)[27]指標對顆粒破碎程度進行表征，其計算公式為

式中，Bpi和Bpf分別為試驗前后的顆粒級配曲線與粒徑為0.074 mm豎線所圍成的面積。

圖7所示為顆粒相對破碎率Br與豎向壓力P和含水率w之間的關(guān)系。

由圖7可知，三者之間滿足如下函數(shù)關(guān)系：

圖7 相對破碎率與豎向壓力和含水率的關(guān)系Fig.7 Relationship among Br,P and w

式中：a，b，c為試驗參數(shù)，本文取值為a=0.002 2 kPa-1，b=0.473 2，c=0.063 7。根據(jù)式(2)可知，含水率越小，豎向壓力越大，在剪切試驗過程中，顆粒破碎程度越高。這是由于豎向壓力越大，其對試樣的約束作用越強，剪切時顆粒更難以通過轉(zhuǎn)動和翻越行為避免其破碎；含水率越小，水對顆粒的潤滑作用越弱，孔隙水壓力越小，因此，在相同條件下也更易產(chǎn)生顆粒破碎現(xiàn)象。本文研究結(jié)論與劉新榮等[25]的研究結(jié)果一致。

2.2.3 抗剪強度變化分析

1) 摻量變化的影響。圖8所示為不同加氣混凝土粉摻量下試樣不排水抗剪強度與豎向壓力的關(guān)系。

圖8 不同混合料試樣的抗剪強度Fig.8 Shear strength of different mixture samples

由圖8 可知，當豎向壓力較低(如小于50 kPa)時，試樣不排水抗剪強度與加氣混凝土粉摻量間并無明顯規(guī)律；但當豎向壓力高于一定程度(如大于100 kPa)后，其隨著加氣混凝土粉摻量的增加而增加。這是因為在較低豎向壓力時，試樣不排水抗剪強度主要由黏聚力cU控制，而試樣黏聚力cU與加氣混凝土粉料摻量間的關(guān)系較為復雜(見圖9)。一方面，隨著加氣混凝土粉摻量增加，試樣顆粒間的嵌擠和咬合作用增強，其中某些嵌擠和咬合作用可導致黏結(jié)力增加；另一方面，隨著加氣混凝土粉摻量增加，試樣細粒含量減少，細粒之間的黏結(jié)力又同時減小[12,28]。因此，當其摻量足夠大時，可能出現(xiàn)摻加了強度較高的加氣混凝土粉料，試樣不排水抗剪強度反而降低的現(xiàn)象。

隨著外界豎向壓力增加，試樣不排水抗剪強度逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕蓛?nèi)摩擦角φ控制，而內(nèi)摩擦主要是由顆粒間滑動摩擦和咬合摩擦組成[28]。隨著加氣混凝土粉的摻入，試樣的粗粒含量逐漸增加，顆粒間的嵌擠和咬合作用逐漸增強；試樣含水率逐漸減小(見表2)，水對顆粒間的潤滑作用減弱，顆粒間的滑動摩擦變大，因此，試樣內(nèi)摩擦角始終隨著加氣混凝土粉摻量增加而增加(見圖9)。

圖9 粉料摻量與試樣抗剪強度指標的關(guān)系Fig.9 Relationship between autoclaved aerated concrete powder content and shear strength parameters

2) 含水率變化的影響。以壓實度80%下快剪試驗為例，繪制混合料試樣不排水抗剪強度與豎向壓力的關(guān)系，如圖10所示。

圖10 不同含水率下混合料試樣的抗剪強度Fig.10 Shear strength of samples with different water contents

由圖10 可知：隨著含水率增加，混合料不排水抗剪強度逐漸減小，并表現(xiàn)出強度非線性特征。這主要是因為當含水率較高時，受孔隙水壓力影響，外界豎向壓力不能完全轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力；同時，水對顆粒的潤滑作用使得高含水率試樣更不易發(fā)生剪脹(見圖5)、顆粒破碎(見圖7)現(xiàn)象，而剪脹和顆粒破碎均需要剪應(yīng)力做功提供能量[28]，因此，隨著含水率增加，混合料不排水抗剪強度逐漸降低。

為更直觀體現(xiàn)含水率因素對混合料抗剪強度特性的影響，利用圖10 中擬合得到的強度參數(shù)，繪制含水率與試樣抗剪強度指標的關(guān)系曲線，如圖11所示。

圖11 含水率與試樣抗剪強度指標的關(guān)系Fig.11 Relationship between water content and shear strength parameters

由圖11 可知：當試樣含水率低于最優(yōu)含水率時，內(nèi)摩擦角變化較??；當含水率高于最優(yōu)含水率時，內(nèi)摩擦角顯著降低。FERREIRA 等[29]在試驗中也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象。本文認為這可能與壓實土體的微觀結(jié)構(gòu)在最優(yōu)含水率前后存在差異有關(guān)[28]：當含水率低于最優(yōu)含水率時，壓實土體的顆粒排列以絮凝結(jié)構(gòu)為主體，土粒間以角-面、邊-面和邊-邊等方式任意排列，粒間摩阻力較大，試樣內(nèi)摩擦角較高；當含水率高于最優(yōu)含水率時，壓實土體的顆粒排列方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑稚⒔Y(jié)構(gòu)為主體，土粒間以面-面接觸為主，粒間摩阻力較小，試樣內(nèi)摩擦角顯著降低。

3) 壓實度變化的影響。隨著壓實度增加，試樣干密度將逐漸變大，顆粒間的接觸更加充分，導致土體破壞所需的剪應(yīng)力變大。因此，工程中常采用增加壓實度的方法提升土體抗剪強度。圖12所示為不同壓實度下混合料試樣(含水率及粉料摻量相同)不排水抗剪強度與豎向壓力的關(guān)系。

根據(jù)圖12 可知，隨著壓實度增加，混合料不排水抗剪強度逐漸增加；材料內(nèi)摩擦角和黏聚力均呈現(xiàn)增加趨勢，但在壓實度超過90%后，材料內(nèi)摩擦角的增加速率明顯減緩(見圖13)?？紤]到經(jīng)濟性，建議在試樣壓實度超過90%后，不應(yīng)再以增加壓實度的方法提高其抗剪強度。

圖12 不同壓實度下混合料試樣的抗剪強度Fig.12 Shear strength of samples with different compaction degrees

圖13 壓實度與試樣抗剪強度指標的關(guān)系Fig.13 Relationship between compaction degree and shear strength parameters

2.3 抗剪強度影響因子回歸分析

土體抗剪強度往往由多個因素共同影響決定，試驗表明：降低試樣含水率(Z-5和Z-7～Z-9工況間對比)、增加試樣中加氣混凝土粉料摻量(Z-6和Z-7工況對比)和提升試樣壓實度(Z-3和Z-13～Z-15工況間對比)均有利于提高其抗剪強度。為分析上述各因素對泥餅試樣抗剪強度的影響程度，本文以含水率X1、加氣混凝土粉料摻量X2、壓實度X3為自變量，以不排水抗剪強度Y為因變量，在對試驗數(shù)據(jù)進行歸一化處理的基礎(chǔ)上，基于Matlab 進行多元線性回歸分析[12]：

其中，β0、β1、β2、β3為回歸系數(shù)，取值見表3。

表3 多元線性回歸模型參數(shù)Table 3 Parameters of multiple linear regression model

根據(jù)表3中各自變量回歸系數(shù)可知，在豎向壓力較低時(≤150 kPa)，各因素對試樣抗剪強度影響從大到小的順序依次為壓實度、含水率、加氣混凝土粉料摻量；但隨著豎向壓力增加，各因素對試樣抗剪強度影響從大到小變?yōu)楹?、壓實度、加氣混凝土粉料摻量，即在較高外界荷載作用下，降低試樣含水率是提升其不排水抗剪強度的最有效方法。

3 討論

為保證渣土堆體的穩(wěn)定安全，我國相關(guān)規(guī)范明確禁止含水率超過40%的余泥渣土未經(jīng)處理直接進入消納場[30]，而目前實際工程中脫水泥餅含水率多介于35%～50%之間[1]，即在當前壓濾工藝下，相當大部分的脫水泥餅無法滿足進場要求。

此外，在渣土堆填過程中，工程上通常需要進行壓實處理以提升其穩(wěn)定安全性，但在較高或較低含水率下壓實均不利于堆填體的長期穩(wěn)定安全。這是由于當含水率較高時，渣土堆填體通常無法達到設(shè)計壓實度，且試樣抗剪強度較低；若在含水率較低的情況下壓實，則堆填體(高細粒含量)在經(jīng)歷水分浸入后易發(fā)生明顯的體積膨脹，且初始含水率越低，膨脹率越大[31]。為解決上述問題，本文提出將加氣混凝土粉作為摻合料提高高含水率脫水泥餅抗剪強度(同時降低其含水率)的方案。結(jié)合本文試驗，繪制混合料含水率和加氣混凝土粉摻量的關(guān)系曲線，如圖14所示。

圖14 不同加氣混凝土粉摻量下的試樣含水率Fig.14 Water content of sample with different autoclaved aerated concrete powder contents

由圖14 可知，隨著加氣混凝土粉摻量增加，混合料含水率逐漸降低。在滿足泥餅進場要求的基礎(chǔ)上，為進一步保證填土壓實效果，結(jié)合美國相關(guān)規(guī)范建議，確定適宜含水率范圍為(wopt-2%)～(wopt+4%)[32]，對應(yīng)加氣混凝土粉摻量為27%～36%?？紤]到隨著加氣混凝土粉摻量的增加，盡管混合料試樣強度有所提升，但同條件下必然將導致泥餅消納量減少。因此，本文建議加氣混凝土粉摻量為30%。

4 結(jié)論

1) 高含水率脫水泥餅中細粒含量較高(＞75%)，其不排水抗剪強度包絡(luò)線近似為水平直線。加氣混凝土粉料的摻入不僅可增加試樣的粗粒料含量，而且可降低試樣含水率，能夠顯著提升其在較高應(yīng)力下的不排水抗剪強度。

2) 混合料顆粒級配曲線在剪切后有所上移，說明剪切過程中發(fā)生了顆粒破碎現(xiàn)象。顆粒相對破碎率與含水率和豎向壓力間滿足二元函數(shù)關(guān)系，且含水率越小、豎向壓力越大，顆粒破碎程度越高。

3) 水對混合料抗剪強度具有軟化作用，并且在最優(yōu)含水率右側(cè)時，含水率變化對試樣內(nèi)摩擦角的影響更大，該現(xiàn)象與壓實土體的微觀結(jié)構(gòu)在最優(yōu)含水率前后存在差異有關(guān)：在最優(yōu)含水率左側(cè)，壓實土體的顆粒排列以絮凝結(jié)構(gòu)為主；而在最優(yōu)含水率右側(cè)，壓實土體的顆粒排列方式以分散結(jié)構(gòu)為主。

4) 試樣不排水抗剪強度隨著壓實度增加而增加，但在壓實度超過90%后，增加趨勢明顯減緩。對于深圳市含水率約42%的脫水泥餅，建議將加氣混凝土粉摻量設(shè)定為30%，此時，試樣內(nèi)摩擦角約為28°(壓實度為80%)，且試樣含水率處于最優(yōu)含水率附近。