林泓民，白蘭蘭，彭 劼*，王成俊，李 剛

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 江蘇省 巖土工程技術(shù)工程研究中心，江蘇 南京 210098；3.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210019; 4.南京市水利建筑工程檢測(cè)中心有限公司，江蘇 南京 210028)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，越來(lái)越多的高速公路、鐵路、地鐵等交通項(xiàng)目投入建設(shè)[1-2]，因而產(chǎn)生大量的開(kāi)挖土方。開(kāi)挖土的閑置不僅會(huì)影響施工現(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)度與安全，同時(shí)也對(duì)城市容貌造成一定程度的損害。傳統(tǒng)棄土的做法存在造價(jià)較高、占用土地資源、環(huán)境污染等問(wèn)題。廢棄開(kāi)挖土的處理，是南京江北新區(qū)大面積開(kāi)發(fā)建設(shè)所面臨的重要的實(shí)際工程難題之一。南京江北新區(qū)地處長(zhǎng)三角地區(qū)，開(kāi)挖土中有較多粉土質(zhì)細(xì)砂，對(duì)其進(jìn)行資源化利用具有一定的緊迫性和重要性。

近年來(lái)，將固化劑和高含水率開(kāi)挖土混合處理的方法逐漸得到應(yīng)用。由于含水率較高，固化劑和開(kāi)挖土混合后具有較好的流動(dòng)性，因此稱(chēng)之為流態(tài)固化土[3-5]。顧歡達(dá)等[6]對(duì)水泥、含水率引起待處理淤泥土的工程性質(zhì)變化進(jìn)行了研究，并通過(guò)流動(dòng)性測(cè)試和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出經(jīng)過(guò)流動(dòng)化處理后的河道淤泥具有一定的強(qiáng)度和剛度，而且處理土的強(qiáng)度可以根據(jù)工程的實(shí)際要求進(jìn)行調(diào)整；丁建文等[7]提出了將高含水率疏浚淤泥進(jìn)行流態(tài)固化處理，并進(jìn)行了流動(dòng)性試驗(yàn)研究。他們基于影響流動(dòng)性的兩個(gè)重要因素，即初始含水率和固化材料摻量，提出了廣義水灰比的概念，建立了流動(dòng)值的預(yù)測(cè)方法，并對(duì)預(yù)測(cè)公式進(jìn)行了驗(yàn)證；黃英豪等[8]分別采用截錐圓模和旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)研究了兩種淤泥和新攪拌固化淤泥的流動(dòng)性和黏滯性，推導(dǎo)了屈服應(yīng)力和流動(dòng)度之間的關(guān)系；陳錫[9]通過(guò)研究石粉顆粒特性對(duì)水泥砂漿流動(dòng)性的影響規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同顆粒級(jí)配的石粉對(duì)水泥凈漿和砂漿流動(dòng)性的影響程度不同，石粉顆粒越小，對(duì)漿體流動(dòng)度、塑性黏度及屈服應(yīng)力的影響越顯著；以上研究大多基于淤泥土的流態(tài)固化處理，關(guān)于砂性開(kāi)挖土的流態(tài)固化應(yīng)用少見(jiàn)報(bào)道。眾所周知，土的粒度成分是影響土體工程性質(zhì)的主要因素之一，其粒徑越小，比表面積也就越大，從而單位重量的吸水率也隨之增加。砂性土中含有一定量的泥，即粒徑小于0.075 mm的細(xì)顆粒，該類(lèi)細(xì)顆粒的存在，對(duì)水泥和土拌合后的效果具有不可忽略的影響。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文結(jié)合南京橫江大道工程中的開(kāi)挖土特性，通過(guò)流動(dòng)度測(cè)試、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)比了含泥量對(duì)流態(tài)固化處理效果的影響，研究了該方法在砂性土中應(yīng)用的機(jī)理、效果，對(duì)該方法的進(jìn)一步推廣提供新思路、新方法。

1 開(kāi)挖土特性及處理方法的室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及流態(tài)固化方案

本項(xiàng)目中的開(kāi)挖土取自于南京橫江大道，其基礎(chǔ)物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示；對(duì)于小于0.075 mm的土樣，粒度分析結(jié)果如圖1所示；土樣的粒徑分布圖如圖2所示。

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)中對(duì)土工程分類(lèi)的規(guī)定，初步判定本次試驗(yàn)土為粉土質(zhì)細(xì)砂。由于該土含泥量較高(15.9%)、膠結(jié)性狀差，既不能直接作為填筑材料，也無(wú)法作為細(xì)骨料使用。為了探討將其流態(tài)固化后回收利用的可行性，針對(duì)該開(kāi)挖土，本文研究了含泥量對(duì)流態(tài)固化效果的影響。

首先將開(kāi)挖土烘干敲碎后過(guò)篩，使得粒徑小于0.075 mm的細(xì)粒土通過(guò)振篩機(jī)分離出來(lái)；其次將細(xì)粒土摻入到分離出來(lái)的粗粒土中，細(xì)粒土的摻入量為0%、3%、6%、9%、12%。

本研究中由于開(kāi)挖土為粉土質(zhì)細(xì)砂，跟水泥拌和后有離析分層現(xiàn)象，將土、水泥、水混合后放入杯中，土中水析出很明顯，水的析出不利于連續(xù)施工和處理質(zhì)量，因此需要適當(dāng)添加保水劑以防止該現(xiàn)象[10]，本試驗(yàn)采用了10萬(wàn)粘度的纖維素醚。

表1 土樣基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Basic physical and mechanical properties of soil samples

圖1 粒度分析結(jié)果Fig.1 Grain size analysis results

圖2 原狀土粒徑分布圖Fig.2 Size distribution map of undisturbed soil

參考原狀土，將混合后的土含水率均設(shè)置為28%。本文中的流態(tài)固化處理添加材料為水泥、水、保水劑。試驗(yàn)所用的PO42.5水泥的物理性能如表2所示，其摻量與干土的質(zhì)量比分別為12%、14%、16%、18%、20%，除了土中的初始含水外，另外添加了水泥質(zhì)量的2、3倍水。每種含泥量的試樣，均進(jìn)行10組試驗(yàn)，其材料配比如表3所示，保水劑均為0.1%，含泥量設(shè)置了5組(0%、3%、6%、9%、12%)，因此總的試驗(yàn)數(shù)為50組。

1.2 室內(nèi)試驗(yàn)

按照表3的配置方案將原狀土、水泥、水加入攪拌鍋中，隨后用水泥凈漿攪拌機(jī)攪拌，為增加混合樣均勻性，最后用攪拌刀攪拌至均勻，以備流動(dòng)性測(cè)試和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

表3 各含泥量條件下的流態(tài)固化室內(nèi)試驗(yàn)配合比方案表Tab.3 Table of proportioning scheme for laboratory test of fluidic solidification under various mud content conditions

1.2.1 流動(dòng)性測(cè)試

處理后的流態(tài)固化土必須具備一定的流動(dòng)性，目前并無(wú)衡量流態(tài)固化土流動(dòng)性的規(guī)范方法，有人采用混凝土坍落度或砂漿的流動(dòng)度測(cè)試方法，但考慮到流態(tài)固化土的性質(zhì)與混凝土或砂漿差異較大，更多研究采用美國(guó)、日本的平板圓筒法[11]。將內(nèi)徑和高度為8 cm的空心亞克力玻璃圓筒澆滿(mǎn)流態(tài)固化土，向上提起圓筒，待其穩(wěn)定后，測(cè)量坍塌體在帶刻度光滑平板上形成的最大直徑與最小直徑的平均值，如圖3、圖4(a)所示。

1.2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

上述混合樣在攪拌后1 h內(nèi)，控制干密度一定，倒入模具內(nèi)，底部涂上凡士林，頂部用砝碼進(jìn)行預(yù)壓，制成無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣，如圖4(b)所示。試樣為直徑50 mm、高度100 mm的圓柱樣，制樣后放入恒溫恒濕箱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度(20±3)℃，相對(duì)濕度大于95%，養(yǎng)護(hù)7 d并分別進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)均有3個(gè)平行樣，采用南京泰克奧無(wú)側(cè)限抗壓儀進(jìn)行測(cè)試，荷載精度為±0.5%，加載板的速度為1.5 mm/min，可得到改良后的土體強(qiáng)度平均值。

表2 水泥的物理性能Tab.2 Physical properties of cement

圖3 平板圓筒法示意圖Fig.3 Diagram of flat cylinder method

圖4 試驗(yàn)示意圖Fig.4 Test diagram

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 含泥量對(duì)流動(dòng)性影響

圖5、圖6是上述混合樣的水灰比同為2∶1、3∶1時(shí)，不同水泥摻量下五種含泥量的流動(dòng)度變化情況?？傮w來(lái)看，相同配比下水灰比為2∶1的混合樣與水灰比為3∶1的試樣相比，流動(dòng)度較低，且不同灰土比的流動(dòng)度在含泥量為6%附近存在峰值。當(dāng)含泥量從0%增加到6%時(shí)，不同灰土比的流動(dòng)度增加幅度均在10%～20%之間。在實(shí)際工程中，若開(kāi)挖粉砂土流動(dòng)度偏低不易回填時(shí)，可適當(dāng)增加細(xì)顆粒以增加其流動(dòng)性[12]。

圖5 含泥量-流動(dòng)度變化(水灰比2∶1)Fig.5 Change of mud content versus fluidity (water cement ratio 2∶1)

圖6 含泥量-流動(dòng)度變化(水灰比3∶1)Fig.6 Change of mud content versus fluidity (water cement ratio 3∶1)

2.2 含泥量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響

圖7、圖8是混合樣的水灰比同為2∶1時(shí)，不同水泥摻量下5種含泥量的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化情況?？傮w來(lái)看，相同配比下水灰比為2∶1的混合樣與水灰比為3∶1的試樣相比，強(qiáng)度較高，且不同灰土比的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在含泥量區(qū)間內(nèi)先增加后減小。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在相同含泥量下隨著灰土比增大而增大，其中水泥水化的產(chǎn)物對(duì)7 d強(qiáng)度貢獻(xiàn)很大[13]。當(dāng)含泥量從0%增加到6%時(shí)，不同灰土比的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加幅度均在20%～40%之間。在實(shí)際工程中，若想提高回填粉質(zhì)砂土強(qiáng)度，可適當(dāng)增加細(xì)顆粒，提高其工程性質(zhì)。

圖7 含泥量-無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化(水灰比2∶1)Fig.7 Mud content versus unconfined compressive strength change (water cement ratio 2∶1)

2.3 基于響應(yīng)面法的影響因素分析

響應(yīng)面法是一種能夠同時(shí)考慮多因素尋求最優(yōu)響應(yīng)值的研究方法。它不僅可以建立影響因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，還可考察不同影響因素之間的交互作用規(guī)律[14-17]。本文以水灰比為2∶1時(shí)，含泥量和灰土比分別對(duì)流動(dòng)度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響為例，建立其關(guān)系模型。

2.3.1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸擬合，二次回歸方程如下，其各項(xiàng)的方差分析結(jié)果見(jiàn)表4，其中有效位數(shù)若一致數(shù)字較冗雜，表內(nèi)空格是該數(shù)據(jù)不存在。

由方差分析可知，模型1的P值<0.000 1，模型是顯著的；回歸模型相關(guān)系數(shù)R2為0.954 1；模型2的P值<0.000 1，模型是顯著的；回歸模型相關(guān)系數(shù)R2為0.947 2。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得多元二次回歸方程模型。

Y=-84.325 71+7.763 33×A+1 959.928 57×B-

2.083 33×AB-0.694 444×A2-

1 285.714 29×B2

(1)

Z=-124.04+24.741 9×A+4 024.285 71×B-

21.833 33×AB-2.074 60×A2-

8 107.142 86×B2

(2)

式中A—含泥量，%；B—灰土比 ，Y—流動(dòng)度，mm；Z—無(wú)側(cè)限抗壓度，kPa。

2.3.2 響應(yīng)曲面分析

對(duì)模型中交互效應(yīng)達(dá)到顯著水平的一組因子進(jìn)行分析，可得到含泥量和灰土比對(duì)流態(tài)固化土流動(dòng)度影響的響應(yīng)面圖(二次回歸擬合圖)及等高線圖。由圖9可知，當(dāng)細(xì)顆粒摻量為0%～6%時(shí)，隨著含泥量A的增加，流動(dòng)度Y增大；隨著細(xì)顆粒摻量的增加，流動(dòng)度降低，即在摻泥量為6%時(shí)，流動(dòng)度存在最大值。在五種水泥含量中，當(dāng)摻泥量較低時(shí)，混合樣的流動(dòng)度會(huì)有小幅的上升，這主要是因?yàn)?.075 mm的細(xì)顆?？商钛a(bǔ)砂土與水泥之間的級(jí)配空隙，提高混合樣的密實(shí)度，釋放出部分顆粒間包裹的水分，增加自由水量，因此對(duì)混合樣的流動(dòng)度有一定的提升作用；而當(dāng)摻泥量較高時(shí)，由于外摻泥的存在可增大混合樣中砂顆粒的總表面積[18]，此時(shí)混合樣的流動(dòng)度會(huì)有所降低。

圖9 含泥量對(duì)流動(dòng)度的影響曲面圖(水灰比2∶1)Fig.9 Surface diagram of influence of mud content on fluidity (water-cement ratio 2∶1)

表4 方差分析表Tab.4 Table of variance analysis

相同方法可得到含泥量和灰土比對(duì)流態(tài)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響的響應(yīng)面圖及等高線圖。由圖10可知，隨著細(xì)顆粒摻量的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先上升后下降，同樣在摻泥量為6%時(shí)達(dá)到峰值。在適量加入細(xì)顆粒的時(shí)候，細(xì)顆?？商畛浠旌蠘涌紫?，密實(shí)度增加，提高無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。但過(guò)多細(xì)顆粒的加入，使得混合樣的級(jí)配不合理，粗顆粒的含量相對(duì)減少，骨架作用減弱[19]，從而導(dǎo)致混合樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降。

圖10 含泥量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響曲面圖(水灰比2∶1)Fig.10 Surface diagram of influence of mud content on unconfined compressive strength (water-cement ratio 2∶1)

3 結(jié)論

1)在水灰比、灰土比相同的情況下，流動(dòng)度隨著含泥量的增加，先上升后下降，且摻泥量為6%時(shí)達(dá)到峰值。

2)在水灰比、灰土比相同的情況下，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著含泥量的增加，先上升后下降，且達(dá)到最大值時(shí)含泥量為6%。

3)當(dāng)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)度過(guò)低時(shí)，低含泥量土可以通過(guò)適當(dāng)加入細(xì)顆粒來(lái)提升強(qiáng)度和流動(dòng)性。