□文/杜衍慶 王新岐

工程中會(huì)遇到含水量較土體液限大很多、處于流動(dòng)狀態(tài)的廢棄泥漿，如吹填工程、地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、非開挖水平定向鉆孔、泥水平衡式頂管、泥水加壓式盾構(gòu)等工程施工過(guò)程中產(chǎn)生的泥漿。如果能將這些廢棄泥漿就地固化利用，對(duì)土地、環(huán)境、生態(tài)的保護(hù)起到至關(guān)重要的作用。目前，工程上常采用石灰、水泥、粉煤灰等無(wú)機(jī)結(jié)合料改良泥漿并對(duì)作用機(jī)制和改良效果開展了較多的試驗(yàn)研究[1～3]。然而，鮮有采用高效土壤固化劑固化處理工程廢棄泥漿并對(duì)其力學(xué)性質(zhì)開展研究的成果。

1 工程廢棄泥漿固化試驗(yàn)驗(yàn)證

高效土壤固化劑采用臺(tái)灣世盟國(guó)際股份有限公司提供的GURS-501固化劑，其主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO2[4]。

地下連續(xù)墻施工現(xiàn)場(chǎng)所取泥漿，含水量為150%～200%，對(duì)泥漿進(jìn)行攪拌并摻加3%（固化劑摻量為固化劑與泥漿重量之比）的固化劑，24 h后即凝結(jié)硬化為固體，固化土強(qiáng)度可達(dá)0.2 MPa以上，見圖1。

圖1 地下連續(xù)墻廢棄泥漿快速固化

天津?yàn)I海臨港工業(yè)區(qū)的吹填泥漿摻加GURS固化劑后利用電子顯微鏡進(jìn)行掃描，見圖2。

圖2 電子顯微鏡掃描原漿及摻加固化劑后泥漿

由圖2可看出，隨著固化劑摻量的增加，泥漿固化土顆粒逐漸增大并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。圖1和圖2表明，固化劑可以對(duì)泥漿起到固化作用。

選取臨港工業(yè)區(qū)吹填場(chǎng)地經(jīng)過(guò)真空預(yù)壓處理的吹填軟土作為固化處理對(duì)象，其基本物理性質(zhì)見表1。

表1 吹填土基本物理性質(zhì)

根據(jù)GURS固化劑作用機(jī)理[5]，須對(duì)原材摻水重新配制為一定含水率的泥漿，加入固化劑攪拌均勻進(jìn)行固化試驗(yàn)，對(duì)固化土的物理力學(xué)性能開展深入研究。

2 泥漿固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)儀器采用南京土壤儀器有限公司生產(chǎn)的承載比試驗(yàn)儀，泥漿固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試件的成型條件：固化劑摻量2%、3%、4%、5%、6%、7%；養(yǎng)生齡期 7、14、28、60 d；含水率 120%、140%、160%。

2.1 固化劑摻量的影響

泥漿固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與固化劑摻量關(guān)系曲線，在含水率為120%、140%、160%時(shí)特征相似，限于篇幅，僅以含水率為140%為例。各齡期下泥漿固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨固化劑摻量變化曲線見圖3。

圖3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與固化劑摻量關(guān)系曲線

由圖3可看出，隨固化劑摻量的增加，各齡期下泥漿固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈線性增長(zhǎng)。當(dāng)固化劑摻量為2%時(shí)，試樣并未很好的成型，強(qiáng)度較弱，而在固化劑摻量達(dá)到3%～4%時(shí)，其強(qiáng)度明顯增加，試樣成型較好；當(dāng)固化劑摻量達(dá)5%～7%時(shí)，泥漿固化土28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.25～0.45 MPa，已達(dá)到壓實(shí)后工程土的強(qiáng)度。

2.2 齡期的影響

泥漿固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)生齡期關(guān)系曲線，在含水率為120%、140%、160%時(shí)特征相似，限于篇幅，僅以含水率為140%為例。各固化劑摻量下泥漿固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線見圖4。

圖4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線

由圖4可看出，各固化劑摻量下，泥漿固化土無(wú)側(cè)限強(qiáng)度均隨齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，增幅與固化劑摻量有關(guān)。固化劑摻量為2%時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯；固化劑摻量為3%～5%時(shí)，7～28 d強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯，近似于線性增長(zhǎng)，之后逐漸趨緩；固化劑摻量為6%～7%時(shí)，7～14 d強(qiáng)度增幅最大，14～28 d次之，28～60 d最小，說(shuō)明固化劑的作用在28 d時(shí)已經(jīng)接近最大，所以養(yǎng)護(hù)周期可為28 d。

2.3 含水率的影響

泥漿固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水率關(guān)系曲線，在各養(yǎng)護(hù)齡期下特征相似，限于篇幅，僅以14 d齡期為例。各固化劑摻量下泥漿固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率變化曲線見圖5。

圖5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率變化曲線

由圖5可看出，泥漿固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨泥漿含水率的增加而減小，減幅與固化劑摻量有關(guān)。當(dāng)固化劑摻量為2%時(shí)，減幅較小，但強(qiáng)度很低；固化劑摻量為3%時(shí)，減幅較小，曲線平緩；固化劑摻量＞4%時(shí)，曲線斜率明顯增大，說(shuō)明固化劑＞4%時(shí)對(duì)含水率變化敏感，強(qiáng)度減幅大。

綜上所述，當(dāng)固化劑摻量為3%時(shí)，其強(qiáng)度在各個(gè)含水率下均比較穩(wěn)定，強(qiáng)度值均能達(dá)到經(jīng)過(guò)自然沉積的海積軟土抗壓強(qiáng)度值（25 kPa左右）且泥漿含水率為140%時(shí)，其強(qiáng)度衰減也并不明顯，所以后續(xù)力學(xué)特性試驗(yàn)均以140%、160%含水率，3%摻比試樣來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。

3 泥漿固化土壓縮性能分析

土的壓縮是孔隙減小以及排水的過(guò)程，可以反映土中孔隙變化的規(guī)律，土的壓縮特性與土體本身結(jié)構(gòu)組成以及受力狀態(tài)有關(guān)，可采用壓縮系數(shù)表征。

泥漿固化土屬于偏脆性材料，在無(wú)側(cè)限抗壓的情況下會(huì)產(chǎn)生裂紋破壞，而在有側(cè)限的壓縮試驗(yàn)中，其結(jié)構(gòu)性對(duì)壓縮曲線的影響不容忽視。為研究其壓縮特性，采用含水率140%、160%泥漿，固化劑摻量3%，進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，研究泥漿固化土的壓縮特性。試驗(yàn)采用25、50、75、100、200、400、600、800、1 200、1 600 kPa 偏應(yīng)力分級(jí)加載，齡期 7、14、28 d。試驗(yàn)結(jié)果見圖 6。

圖6 泥漿固化土e-log p曲線

由圖6可看出，泥漿固化土壓縮曲線呈明顯的結(jié)構(gòu)性土特點(diǎn)且具有結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，在小應(yīng)力下孔隙比減幅不明顯，初始階段曲線較為平緩，土體尚處于彈性狀態(tài)，此時(shí)土的結(jié)構(gòu)基本保持完好，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能抵消一部分壓力，變形較小。當(dāng)超過(guò)結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力后，曲線有明顯的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)橫坐標(biāo)值即為結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，在齡期相同情況下隨著含水率的增加其結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力有所減小；在含水率相同時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增大，說(shuō)明在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中固化土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。在屈服點(diǎn)之前，曲線斜率較小，反映出孔隙比變化不大，在屈服點(diǎn)之后，曲線斜率明顯降低，說(shuō)明結(jié)構(gòu)破損導(dǎo)致孔隙比加速減小。

根據(jù)泥漿固化土試驗(yàn)結(jié)果，可得到壓縮系數(shù)，見表2。

表2 泥漿固化土壓縮系數(shù)

由表2可看出，泥漿固化土為高孔隙比土，孔隙比最高達(dá)2.26、最低為1.91，明顯高于一般軟土，說(shuō)明了固化土在受力過(guò)程中主要由內(nèi)部“骨架”承受。再者，壓縮系數(shù)隨著齡期的增長(zhǎng)逐漸降低，140%含水率情況下，7 d為高壓縮性土，14、28 d為中壓縮性。說(shuō)明隨著齡期的增長(zhǎng)，固化土的壓縮性能逐漸減弱、抵抗變形的能力加強(qiáng)。而隨著含水率的增加壓縮系數(shù)也有所增加，在160%含水率情況下7、14 d為高壓縮性土，在28 d時(shí)為中壓縮土。壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明齡期對(duì)固化土影響較大，在28 d時(shí)抗壓縮能力基本達(dá)到最高值，但抗壓縮能力隨著齡期還在逐漸增長(zhǎng)。

4 泥漿固化土應(yīng)力-應(yīng)變特性分析

土的抗剪強(qiáng)度是指土體抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度，固化土與軟粘土相似，抗剪強(qiáng)度可分為兩個(gè)部分：一部分為土顆粒之間或者小型組織結(jié)構(gòu)的相互摩擦產(chǎn)生的摩擦力，另一部分則是土體內(nèi)顆粒或者小型組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的化學(xué)、物理膠結(jié)從而形成的粘聚力。對(duì)土抗剪強(qiáng)度的研究至關(guān)重要，其強(qiáng)度指標(biāo)取值準(zhǔn)確，關(guān)乎工程質(zhì)量及安全。

基于固化土性質(zhì)，固結(jié)能力較弱無(wú)法排水，所以選擇不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)。分析泥漿固化土在三軸應(yīng)力狀態(tài)下偏應(yīng)力及圍壓對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響。試驗(yàn)采用含水率140%的泥漿，固化劑摻量3%，圍壓25、50、75、100、200、300 kPa，齡期 7、28 d。

試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

圖7 泥漿固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖7可看出，泥漿固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系屬于典型的彈塑性關(guān)系，在應(yīng)力較小時(shí)表現(xiàn)為彈性材料的特性，其剛度和彈性模量不變；在彈性變形結(jié)束后，隨著應(yīng)力的增加，結(jié)構(gòu)開始破損，由彈性向塑性材料轉(zhuǎn)變，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到土體結(jié)構(gòu)的屈服極限以后，應(yīng)力不變的情況下應(yīng)變持續(xù)增加，進(jìn)入塑性變形階段，說(shuō)明固化土是一種強(qiáng)結(jié)構(gòu)性土。

泥漿固化土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為應(yīng)變硬化型和應(yīng)變軟化型。當(dāng)圍壓小于固結(jié)屈服應(yīng)力時(shí)，曲線呈軟化型，當(dāng)圍壓大于固結(jié)結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)，由于圍壓抑制變形的作用超出了結(jié)構(gòu)提供的作用，曲線呈硬化型。曲線隨著圍壓的增大，由應(yīng)變軟化型逐漸向應(yīng)變硬化型曲線轉(zhuǎn)化。在7 d齡期時(shí)，固結(jié)屈服應(yīng)力較弱，只有在圍壓為25、50 kPa時(shí)為軟化型曲線，而28 d齡期時(shí)，泥漿固化土養(yǎng)護(hù)充分，結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，在25～100 kPa4個(gè)圍壓下均為軟化型曲線，說(shuō)明結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力值更大，需要更大的圍壓才能得到應(yīng)變硬化型曲線。

5 結(jié)論

1）GURS-501固化劑對(duì)含水率120%～160%的泥漿具有很好的固化效果，當(dāng)固化劑摻量為2%時(shí)，其強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)幅度相對(duì)較低，當(dāng)摻量為3%～4%時(shí)，其強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯；當(dāng)摻量達(dá)5%～7%時(shí)，固化土28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)0.25～0.45 MPa，達(dá)到壓實(shí)后工程土的強(qiáng)度。

2）泥漿固化土是一種強(qiáng)結(jié)構(gòu)性土，在應(yīng)力較小時(shí)表現(xiàn)為彈性特性，在彈性變形結(jié)束之后，隨著應(yīng)力的增加，結(jié)構(gòu)開始破損，土體由彈性材料向塑性材料轉(zhuǎn)變，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到土體結(jié)構(gòu)屈服極限以后，應(yīng)力不增加的情況下應(yīng)變不斷增加，進(jìn)入塑性變形階段。

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