謝 濤，袁春坤，龔曉龍，李青美，陳 通，王元戰(zhàn)

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072；2.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011；3.天津港(集團(tuán))有限公司，天津 300461；4.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，長沙 410007)

文章編號(hào)：1005-8443(2020)06-0707-06

堿渣是利用氨堿法制堿過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，平均每生產(chǎn)1 t純堿，將會(huì)產(chǎn)生300～600 kg堿渣[1]。山東海化堿廠儲(chǔ)存超過2 000萬t的廢渣[2]，排放的堿渣堆積成山，污染了周邊地區(qū)的大氣環(huán)境和水環(huán)境[3]。連云港堿廠堆放的堿渣占地?cái)?shù)十平方公里[4]，阻礙了土地資源的利用和開發(fā)，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重的不良影響[3]。自20世紀(jì)20年代以來，天津堿廠通過氨堿法大規(guī)模生產(chǎn)純堿[5]，由此產(chǎn)生并排放了大量堿渣，嚴(yán)重影響了天津港及其周邊地區(qū)的環(huán)境和安全。因此，對(duì)堿渣進(jìn)行綜合利用，并解決其堆積占地和環(huán)境污染問題，是一個(gè)重要研究課題。將堿渣作為工程地基使用，用量大且施工工藝簡單，能有效解決堿渣堆積占地和環(huán)境污染問題。田學(xué)偉[6]和李顯忠[7]分別利用唐山堿廠和天津堿廠堿渣混合粉煤灰制成工程填墊土，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)證明了堿渣用于地基填墊的可行性。于水軍等[8]研究了堿渣中游離氯離子對(duì)周圍土壤和地下水質(zhì)的影響，指出堿渣作為路基材料使用，符合公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)保要求。

要將堿渣填埋作為地基大量應(yīng)用于工程實(shí)際，首先要解決堿渣相關(guān)物理力學(xué)特性和承載力問題。由于堿渣與天然土類似，均為三相體系[9]，因而可借用土工試驗(yàn)方法對(duì)其物理力學(xué)特性和承載力問題進(jìn)行研究。嚴(yán)馳、李琳[10-11]等通過擊實(shí)試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)研究了堿渣在不同含水量下的壓縮特性，發(fā)現(xiàn)擊實(shí)堿渣與超固結(jié)黏土的壓縮變形特性相似。嚴(yán)馳等[12]通過室內(nèi)靜三軸試驗(yàn)研究了堿渣在不同含水量、干密度和齡期下的強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)這些因素的改變會(huì)對(duì)堿渣的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響，堿渣在最優(yōu)含水率狀態(tài)下的抗剪能力并非最高。而且堿渣在填筑施工中往往會(huì)受到相當(dāng)大的壓實(shí)荷載作用，這使得堿渣填埋作為地基時(shí)往往處于超固結(jié)狀態(tài)。閆澍旺等[13]將堿渣與增鈣灰、粉煤灰、水泥等材料拌合后形成了堿渣拌合土，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了堿渣拌合土可以用于構(gòu)筑房屋地基、路基等對(duì)變形和承載力要求較高的場地。

綜上，前人對(duì)堿渣的研究主要基于基本物理性質(zhì)試驗(yàn)以及靜三軸試驗(yàn)，對(duì)堿渣的基本物理性質(zhì)以及靜強(qiáng)度進(jìn)行了研究。然而由于試驗(yàn)土樣土質(zhì)以及試驗(yàn)方法的不一致，導(dǎo)致對(duì)堿渣基本物理性質(zhì)的認(rèn)識(shí)結(jié)論存在一定的出入。且現(xiàn)有的研究均是針對(duì)正常固結(jié)狀態(tài)的堿渣，而實(shí)際工程中的堿渣一般處于超固結(jié)狀態(tài)。另外，堿渣作為地基服役時(shí)往往會(huì)承受車輛等流動(dòng)機(jī)械荷載的作用，前人得到的靜力作用下的堿渣強(qiáng)度不能反應(yīng)動(dòng)荷載作用下堿渣的強(qiáng)度變化規(guī)律。為此，本文擬針對(duì)天津港原狀堿渣，開展基本物理力學(xué)特性試驗(yàn)和動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了堿渣的基本物理力學(xué)指標(biāo)和循環(huán)荷載作用下超固結(jié)堿渣的強(qiáng)度變化規(guī)律，為堿渣應(yīng)用于工程實(shí)際提供指導(dǎo)。

1 堿渣物理力學(xué)特性試驗(yàn)

表1 試樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.1 試驗(yàn)材料及基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)所用堿渣為天津港原狀堿渣，取樣地點(diǎn)位于天津港北港池納渣坑，取樣深度為地下2～4 m。堿渣試樣呈白色，以粉粒為主，試樣表面濕滑、稍粘，觸摸之后有明顯澀感。根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程[13]，分別采用烘干法、環(huán)刀法、比重瓶法、液塑限聯(lián)合測定儀法對(duì)堿渣的含水率、天然密度、比重、孔隙比、液塑限進(jìn)行測量，材料的基本物理性質(zhì)指標(biāo)具體見表1。

1.2 直剪試驗(yàn)

抗剪強(qiáng)度是材料剪斷時(shí)產(chǎn)生的極限強(qiáng)度，反映材料抵抗剪切滑動(dòng)的能力。直剪試驗(yàn)是測定材料抗剪強(qiáng)度指標(biāo)最簡便快捷的方法，通過該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟诙唐趦?nèi)測得材料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀對(duì)堿渣進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)，固結(jié)垂直壓力分別取50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa。

試樣初始高度為2 cm，底面積為30 cm2。試驗(yàn)開始前，先將試樣的上下底面貼上濾紙和透水石，并置于直剪儀的剪切盒中；試樣安裝完成后，按試驗(yàn)需要在加壓杠桿上加砝碼盤和砝碼，通過加壓框架、傳壓蓋和透水石將垂向壓力依次傳遞給土樣；待土樣固結(jié)24 h后，開啟變速箱電機(jī)，以0.8 mm/min的速率對(duì)試樣進(jìn)行快速剪切；剪切過程中記錄測力環(huán)百分表的指針示數(shù)，當(dāng)示數(shù)保持不變或明顯后退時(shí)，停止試驗(yàn)。

不同固結(jié)垂直壓力下堿渣的剪切應(yīng)力與位移的關(guān)系如圖1所示，堿渣在各級(jí)垂直壓力作用下的剪切應(yīng)力與位移的關(guān)系都為單峰曲線，峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力即為堿渣在該垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度。由圖1可得，堿渣的抗剪強(qiáng)度隨著垂直壓力的增大而增大，但增大趨勢逐漸減少。以垂向壓力P為橫坐標(biāo)，抗剪強(qiáng)度τ為縱坐標(biāo)，繪制得到堿渣抗剪強(qiáng)度與垂向壓力的關(guān)系曲線如圖2所示。擬合曲線與水平線的夾角即為堿渣的內(nèi)摩擦角φcu，與縱軸的交點(diǎn)即為堿渣的黏聚力ccu，由圖可得堿渣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：內(nèi)摩擦角φcu=9.8°，黏聚力ccu=36.9 kPa。

圖1 堿渣的剪切應(yīng)力與位移關(guān)系圖

1.3 固結(jié)試驗(yàn)

堿渣的壓縮特性是指堿渣受壓時(shí)體積壓縮變小的性質(zhì)，將直接影響堿渣地基的變形值。固結(jié)試驗(yàn)是用于測定試樣壓縮特性最常用的方法，通過該試驗(yàn)?zāi)軌虻玫皆嚇拥膲嚎s系數(shù)、壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)等參數(shù)。采用WG型單杠桿固結(jié)儀，選取3個(gè)不同深度處的(淺層：2～3 m、中淺層：6～7 m、深層：9～10 m)堿渣試樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)，獲得堿渣在不同埋深下的壓縮-回彈-再壓縮關(guān)系曲線。試驗(yàn)的加壓等級(jí)p，共七級(jí)分別取12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。

試樣的初始高度為2 cm，底面積為30 cm2。試驗(yàn)開始前，先將試樣的上下底面貼上濾紙和透水石，再放入固結(jié)容器中，并蓋好上部加壓蓋板；試樣安裝完成后，先施加1 kPa預(yù)壓荷載使各組件之間接觸良好，再將位移百分表讀數(shù)清零。然后分級(jí)施加荷載，每加一級(jí)荷載，按照一定的時(shí)間間隔記下位移百分表示數(shù)，直至試樣每小時(shí)變形量不超過0.005 mm。讀取最后一級(jí)荷載加載穩(wěn)定后的位移百分表示數(shù)后，開始回彈試驗(yàn)，按前面分級(jí)加載的反向順序，逐級(jí)卸去荷載，并按照一定的時(shí)間間隔記下位移百分表示數(shù)，直至試樣每小時(shí)變形量不超過0.005 mm?；貜椩囼?yàn)結(jié)束后，重復(fù)上述壓縮試驗(yàn)的步驟開始再壓縮試驗(yàn)，整理數(shù)據(jù)即可得到堿渣試樣的壓縮-回彈-再壓縮曲線。

不同埋深下堿渣的壓縮-回彈-再壓縮曲線如圖3所示。由壓縮曲線可知，當(dāng)固結(jié)壓力較小時(shí)，堿渣的孔隙比隨著固結(jié)壓力的增大而快速減小；當(dāng)固結(jié)壓力較大時(shí)，相同荷載增量引起的孔隙比變化逐漸減小。在400 kPa的固結(jié)壓力作用下，堿渣的孔隙比能夠減小至初始孔隙比的2/3。將試樣從400 kPa的固結(jié)壓力下逐級(jí)卸荷回彈，其回彈變形速率呈先慢后快趨勢，試樣最終的回彈量僅占初次壓縮量的5%～10%。另外，試樣的再壓縮曲線基本呈直線形態(tài)，在300 kPa之前始終位于回彈曲線之上。但當(dāng)固結(jié)壓力重新達(dá)到400 kPa后，試樣的孔隙比與初次壓縮時(shí)幾乎一致，試樣的再壓縮變形略微超過回彈變形。

3-a 淺層3-b 中層3-c 深層

表2 不同埋深下堿渣的壓縮特性指標(biāo)

堿渣試樣在不同埋深下的壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)等壓縮特性指標(biāo)見表2。根據(jù)土體壓縮性的劃分標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)壓縮系數(shù)av≥0.5 MPa-1時(shí)為高壓縮性土。由表2可知，不同埋深下的堿渣的壓縮系數(shù)均遠(yuǎn)大于0.5 MPa-1，這表明堿渣具有高壓縮性。與堿渣的壓縮指標(biāo)相比，其回彈指數(shù)和再壓縮系數(shù)均相對(duì)較小，這表明堿渣經(jīng)預(yù)壓后的可壓縮性會(huì)顯著減小。因此，在實(shí)際工程中，可以采用堆載預(yù)壓的地基處理方法對(duì)堿渣地基進(jìn)行處理。

2 堿渣動(dòng)三軸試驗(yàn)

2.1 三軸試驗(yàn)方案

為了研究堿渣在循環(huán)荷載作用下的強(qiáng)度變化規(guī)律，解決堿渣的動(dòng)承載力問題，擬對(duì)天津港原狀堿渣開展室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)。所用儀器為英國VJ-Tech公司生產(chǎn)的DSC3000M全自動(dòng)動(dòng)三軸儀，該儀器操作簡便、精度高，能夠?qū)崟r(shí)了解試驗(yàn)過程中各物理量的變化，性能可靠。

圖4 試驗(yàn)的加載過程

試驗(yàn)所用材料與前文一致，并將試樣制成直徑39.1 mm、高度80 mm的圓柱型試樣。試驗(yàn)開始前，采用真空抽氣飽和法對(duì)試樣進(jìn)行飽和，使堿渣試樣飽和度達(dá)到98%以上，飽和完成后將試樣裝入動(dòng)三軸儀中。試樣安裝完成后，首先在圍壓σc下對(duì)試樣進(jìn)行24 h的等向固結(jié)，對(duì)于正常固結(jié)試樣，試樣固結(jié)之后直接進(jìn)入循環(huán)階段；對(duì)于超固結(jié)試樣，試樣須經(jīng)過回彈后再進(jìn)入循環(huán)階段。循環(huán)過程為應(yīng)力控制，循環(huán)前首先在極短時(shí)間內(nèi)施加與動(dòng)偏應(yīng)力σd等值的靜偏應(yīng)力，再設(shè)定好循環(huán)荷載的頻率和循環(huán)次數(shù)，開始循環(huán)。循環(huán)結(jié)束后在剪切圍壓σs下進(jìn)行不排水剪切，選取軸向累積應(yīng)變達(dá)到15%作為堿渣不排水剪切試驗(yàn)的停止條件。試驗(yàn)的具體加載過程見圖4。

試驗(yàn)主要分為2個(gè)部分，具體方案見表3。其中圍壓是指試樣所承受的周圍壓力，動(dòng)應(yīng)力比是指試樣循環(huán)過程中動(dòng)偏應(yīng)力與圍壓的比值，即CSR=σd/σc。超固結(jié)比是指試樣先期所承受的最大軸向荷載與目前所承受的最大軸向荷載之比。當(dāng)比值大于1時(shí)，稱試樣處于超固結(jié)狀態(tài)；比值等于1時(shí)，稱試樣處于正常固結(jié)狀態(tài)。在試驗(yàn)中一般都是利用固結(jié)圍壓與剪切圍壓的比值來作為試樣的超固結(jié)比[14]，即OCR=σc/σs。

2.2 動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果分析

表3 堿渣三軸試驗(yàn)方案

2.2.1 圍壓的影響

堿渣在不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示。試樣在各圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線均存在峰值，取試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值點(diǎn)作為其破壞點(diǎn)，破壞點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軸向偏應(yīng)力q的一半即為試樣的不排水剪切強(qiáng)度Cu。由圖可得，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力比和超固結(jié)比一定時(shí)，堿渣試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線隨圍壓的增大整體向上移動(dòng)，表明堿渣試樣的強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增大。

堿渣在不同圍壓下的歸一化應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示。從圖中可以看出當(dāng)動(dòng)應(yīng)力比和超固結(jié)比一定時(shí)，不同圍壓下堿渣的應(yīng)力應(yīng)變曲線的發(fā)展趨勢基本相同，即在試樣所處的地下2～4 m范圍內(nèi)，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力比和超固結(jié)比一定時(shí)，圍壓對(duì)堿渣歸一化應(yīng)力應(yīng)變曲線和歸一化不排水剪切強(qiáng)度的影響并不是十分明顯，由此在接下來的研究中主要以150 kPa圍壓來研究不同動(dòng)應(yīng)力比和超固結(jié)比對(duì)堿渣強(qiáng)度的影響。

圖5 堿渣在不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2.2 超固結(jié)比和動(dòng)應(yīng)力比的影響

當(dāng)圍壓一定時(shí)，不同超固結(jié)比和動(dòng)應(yīng)力比對(duì)堿渣強(qiáng)度的影響如圖7所示。在相同的動(dòng)應(yīng)力比下，堿渣的強(qiáng)度隨著超固結(jié)比的增大而降低。這是由于在固結(jié)圍壓與動(dòng)應(yīng)力比相同時(shí)，超固結(jié)比越大，其剪切圍壓越小，意味著試樣在剪切過程中所受周圍荷載的約束減弱，導(dǎo)致堿渣的強(qiáng)度隨著超固結(jié)比的增大而降低。

圖7 超固結(jié)比和動(dòng)應(yīng)力比對(duì)堿渣強(qiáng)度的影響

在相同超固結(jié)比下，堿渣的強(qiáng)度不隨動(dòng)應(yīng)力比的增大而單調(diào)變化。當(dāng)堿渣處于正常固結(jié)狀態(tài)時(shí)，堿渣的強(qiáng)度隨動(dòng)應(yīng)力比的增加而逐漸降低，這是因?yàn)檠h(huán)荷載會(huì)使堿渣的孔隙水壓力逐漸增大。根據(jù)有效應(yīng)力原理，當(dāng)外力一定時(shí)，試樣的孔隙水壓力與試樣的強(qiáng)度成反比。因此，正常固結(jié)堿渣的強(qiáng)度隨動(dòng)應(yīng)力比的增加而逐漸降低。而當(dāng)堿渣處于超固結(jié)狀態(tài)時(shí)，在循環(huán)荷載作用下，其強(qiáng)度受到循環(huán)壓縮與剪脹效應(yīng)的共同影響。剪脹會(huì)使試樣的孔隙水壓力逐漸減小，當(dāng)剪脹效應(yīng)大于循環(huán)壓縮效應(yīng)時(shí)，即動(dòng)應(yīng)力水平較低時(shí)，堿渣的強(qiáng)度會(huì)逐漸升高。而隨著動(dòng)應(yīng)力比的增大，循環(huán)壓縮效應(yīng)又逐漸占據(jù)主動(dòng)，堿渣的強(qiáng)度又會(huì)逐漸降低。特別當(dāng)動(dòng)應(yīng)力比為0.4時(shí)，重超固結(jié)試樣(OCR=4、6)在循環(huán)過程中已發(fā)生破壞，堿渣的強(qiáng)度已大幅度降低。因此，超固結(jié)堿渣的強(qiáng)度隨著動(dòng)應(yīng)力比的增大先增加后減小。

3 結(jié)論

針對(duì)天津港原狀堿渣開展了基本物理力學(xué)特性和動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了堿渣的基本物理力學(xué)指標(biāo)和循環(huán)荷載作用下的強(qiáng)度變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

(1)堿渣在各級(jí)垂直壓力作用下的剪切應(yīng)力與位移的關(guān)系都為單峰曲線，其剪切應(yīng)力隨著垂直壓力的增大而增大，但增大趨勢逐漸減少。

(2)堿渣具有高壓縮性，與堿渣的壓縮指標(biāo)相比，其回彈指數(shù)和再壓縮系數(shù)均相對(duì)較小，這表明堿渣經(jīng)預(yù)壓后的可壓縮性會(huì)顯著減小。在實(shí)際工程中，可以采用堆載預(yù)壓的地基處理方法對(duì)堿渣地基進(jìn)行處理。

(3)當(dāng)動(dòng)應(yīng)力比和超固結(jié)比一定時(shí)，堿渣的強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增大；當(dāng)圍壓和動(dòng)應(yīng)力比一定時(shí)，堿渣的強(qiáng)度隨超固結(jié)比的增大而逐漸降低。對(duì)于正常固結(jié)堿渣(OCR=1)，當(dāng)圍壓一定時(shí)，堿渣的強(qiáng)度隨動(dòng)應(yīng)力比的增大而逐漸降低，對(duì)于超固結(jié)堿渣(OCR>1)，當(dāng)圍壓和超固結(jié)比一定時(shí)，堿渣的強(qiáng)度隨動(dòng)應(yīng)力比的增大先增大后減小。