丁建文 洪振舜 劉松玉

(東南大學(xué)交通學(xué)院，南京210096)(東南大學(xué)巖土工程研究所，南京210096)

為了改善河流湖泊的水質(zhì)、保證河道正常的輸水能力和內(nèi)陸航道的暢通，我國每年均要進行大規(guī)模的河湖清淤工程，從而產(chǎn)生大量的疏浚淤泥.固化方法是目前國內(nèi)外處理疏浚淤泥常用的一種方法，但對于高含水率疏浚淤泥進行固化處理時，一般需要進行含水率降低的預(yù)處理，從而導(dǎo)致施工成本高、效率低.針對我國絞吸式疏浚施工產(chǎn)生的疏浚淤泥含水率很高的特點，為了達到高效處理疏浚淤泥的目的，提出了流動固化方法［1］.疏浚淤泥流動固化處理的目的是將其作為土工材料進行使用，作為工程用土必須考慮其力學(xué)特性.土的強度和變形歷來是巖土工程中最為關(guān)心的兩大問題［2-3］，本文通過三軸固結(jié)不排水試驗對疏浚淤泥流動固化土的抗剪強度進行了研究.

1 三軸試驗方案

1.1 試驗方案設(shè)計

本文三軸試驗的研究對象是疏浚淤泥流動固化土［1］，在滿足流動固化施工的前提下，考慮到固化土的強度和工程經(jīng)濟性，三軸剪切試驗方案如表1所示，共計6組配比.配比3.0W+C200+P50表示淤泥初始含水率為3.0倍液限(液限為66.1%)、水泥摻量為200 kg/m3、專用固化材料［1］摻量為水泥質(zhì)量的50%，其余配比以此類推.

表1 三軸剪切試驗方案

1.2 試驗方法及儀器

試驗制樣模具為專門訂做的圓柱形銅質(zhì)模具，模具內(nèi)徑3.91 cm、高8 cm.制樣前在模具內(nèi)壁均勻涂一層薄機油，以方便脫模.共分3層裝入，每層經(jīng)振動排出氣泡，并將表面刮平.一般靜置24 h后脫模，脫模后的試樣用塑料袋密封后立即放入溫度為(20±2)℃、濕度為95%以上的養(yǎng)護室進行養(yǎng)護，到設(shè)定齡期時(28，240 d)進行三軸剪切試驗.制成的三軸試樣(φ3.91 cm×8 cm)如圖1所示.

試驗方法為固結(jié)不排水試驗(CU試驗).試驗前先將試樣進行飽和處理，采用抽氣飽和與反壓飽和2種方法相結(jié)合.先對試樣進行抽氣飽和，抽氣時間6 h以上，然后在水中靜置12 h以上;抽氣飽和結(jié)束后進行上樣，開始固結(jié)前在壓力室內(nèi)再對試樣進行反壓飽和，反壓力為100～200 kPa，以使試樣充分飽和;等壓固結(jié)后再進行不排水剪切，剪切速率為0.073 mm/min;并在不排水剪切過程中進行孔隙水壓力(U)測試.試驗采用SJ-1A型三軸壓縮儀(南京電力自動化設(shè)備總廠)，如圖2所示.

圖1 三軸試樣

圖2 固化土三軸剪切試驗

2 三軸試驗結(jié)果及分析

由圖3可知，隨著圍壓增加，固化土的偏應(yīng)力峰值顯著增加，表明圍壓的存在有利于提高固化土的強度;同時其破壞應(yīng)變亦隨圍壓增加而相應(yīng)增加，達到峰值強度后曲線的下降相對比較平緩，這一點與通常無側(cè)限抗壓試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有很大不同.

由圖4可知，在低圍壓時，起初孔隙水壓力隨著圍壓增加而增加，但是超過一定值后，孔隙水壓力開始減小，有一個明顯的峰值;但是當圍壓較高時，孔隙水壓力起初隨著圍壓增加而增加，當超過一定的值后，逐漸趨近于穩(wěn)定值，峰值不甚明顯，這與文獻［4］用上海黏土和湛江黏土進行的三軸固結(jié)不排水試驗結(jié)果完全一致.由圖3和圖4比較發(fā)現(xiàn)，一般圍壓在400或600 kPa以前，強度變化不甚顯著，即當圍壓小于屈服應(yīng)力時，偏應(yīng)力峰值變化很小，此時強度基本不受圍壓影響，但孔隙水壓力變化顯著，這與文獻［5］的水泥固化土試驗結(jié)果一致，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于固化土的強結(jié)構(gòu)性，在低圍壓時固結(jié)作用不明顯.

土的結(jié)構(gòu)性是指土結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)，即受力時土的結(jié)構(gòu)對力學(xué)行為的影響.在自重作用下不能自立的流態(tài)淤泥，經(jīng)過固化處理后形成了一定的結(jié)構(gòu)強度，固化土具有強結(jié)構(gòu)性土的一些特征.由固結(jié)不排水強度包線(見圖5)可見，固化土的強度包線由雙折線組成，而且當正應(yīng)力σ較低時強度包線與水平軸夾角很小，幾乎平行;當正應(yīng)力較高時，強度包線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折.本文流動固化土的抗剪強度性狀與天然結(jié)構(gòu)性黏土是比較一致的［6-10］.文獻［7，9-11］對日本2種天然沉積軟黏土(Kitakyushu clays和Ariake clays)不擾動土樣和日本大分縣天然沉積硅藻土進行三軸不排水剪切試驗所得到的強度線均由雙折線組成.文獻［12］通過對人造結(jié)構(gòu)性土的常規(guī)三軸試驗亦表明，結(jié)構(gòu)性土在等向壓縮條件下的e-lgp曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折.

圖3 主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的關(guān)系

圖4 孔壓與軸向應(yīng)變的關(guān)系

3 流動固化土的抗剪強度表達式

文獻［2-4，6，10-12］通過三軸試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)性土的強度包線并非一條直線.為表述方便，將固化土抗剪強度包線的前段直線對應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)稱為屈服前階段，反之稱為屈服后階段，則對應(yīng)的轉(zhuǎn)折點(屈服點)稱為三軸屈服應(yīng)力.由圖5可知，雙折線強度包線說明固化土具有很強的結(jié)構(gòu)性，屈服前的強度與應(yīng)力水平關(guān)系不大而主要取決于土結(jié)構(gòu)性影響所產(chǎn)生的抵抗力;屈服后的強度性狀與一般黏性土相近，其大小主要取決于有效圍壓的大小.這與日本Kitakyushu clays，Ariake clays［9-11］以及天然沉積硅藻土的三軸CU強度線很近似，具有較強的結(jié)構(gòu)性.

圖5 固結(jié)不排水強度包線

本文6組三軸剪切試驗的抗剪強度指標統(tǒng)計如表2所示，強度包線如圖6所示.由表2和圖6可知:①屈服前固化土抗剪強度包線與水平軸夾角較小，6組試驗的平均夾角為4.8°;② 屈服后固化土抗剪強度包線與水平軸夾角增大，6組試驗的平均夾角為18.1°，而且集中分布在區(qū)間16.2°～19.4°;③將屈服后的強度包線向原點方向延長，在垂直軸上的截距基本分布在原點附近，即屈服后的抗剪強度包線幾乎是一條過原點的直線，說明屈服后固化土的抗剪強度主要由圍壓和內(nèi)摩擦角決定.

表2 抗剪強度指標統(tǒng)計

由表2可知，φ1隨著固化材料摻量的增加相對變小，即屈服前強度包線的水平趨勢更為明顯.如配比3.0W+C200+P50，摻量相對最高，其φ1=3.4°在6組試驗中夾角是最小的;而配比3.0W+C100+P70，摻量和齡期(28 d)均較低，其 φ1=6.5°在6組試驗中夾角最大.

圖6 6組試驗的抗剪強度包線

由表2和圖6可見，屈服前固化土不排水強度主要是由土的結(jié)構(gòu)性影響所產(chǎn)生的，法向應(yīng)力影響甚微;屈服后(當法向應(yīng)力達到三軸屈服應(yīng)力時)，土的結(jié)構(gòu)性影響基本消失，土的抗剪強度主要取決于法向應(yīng)力.根據(jù)以上分析并基于傳統(tǒng)的土的抗剪強度理論，可以將固化土的抗剪強度與法向壓應(yīng)力之間的關(guān)系用圖7表示.

圖7 抗剪強度與法向壓應(yīng)力的關(guān)系

由圖7可以將固化土的抗剪強度與法向壓應(yīng)力之間關(guān)系用數(shù)學(xué)表達式描述如下:

式中，τf為固化土的抗剪強度;σ為剪切面上的法向應(yīng)力;σy為固化土的三軸屈服應(yīng)力.

由式(1)和圖7可知，固化土抗剪強度的2個分量雖由黏聚力和摩擦力2部分組成，但其黏聚分量與摩擦分量并不是同時發(fā)揮最大作用的.屈服前主要是黏聚力發(fā)揮作用，內(nèi)摩擦角的貢獻較小;屈服后，主要是內(nèi)摩擦角發(fā)揮作用，強度包線過原點附近.由此可見，式(1)簡單明了，物理意義明確.根據(jù)圖5可以確定6組三軸試驗的強度包線轉(zhuǎn)折點的正應(yīng)力σy(三軸屈服應(yīng)力)和抗剪強度τf，結(jié)果如表3所示.因此根據(jù)一定數(shù)量的三軸試驗，就可以簡單方便地確定σy，并可通過式(1)給出任意法向應(yīng)力下固化土的抗剪強度.

表3 屈服點強度

4 結(jié)論

1)通過大量的三軸CU試驗，明確了疏浚淤泥流動固化土的抗剪強度性狀.

2)揭示了主應(yīng)力差和孔隙水壓力隨圍壓變化的規(guī)律，解釋了不同圍壓條件下孔隙水壓力變化規(guī)律不同的機理.

3)固化土的抗剪強度包線由雙折線組成，屈服前的強度包線與水平軸近似平行，屈服后的強度包線與水平軸夾角增加了許多.屈服后的抗剪強度包線幾乎是一條過原點的直線，從而進一步說明了屈服后固化土的抗剪強度主要取決于圍壓和內(nèi)摩擦角的大小.

4)基于三軸剪切試驗結(jié)果和傳統(tǒng)的土的抗剪強度理論，給出了流動固化土的抗剪強度表達式.

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