南沙港淤泥固化前后物理力學性能和微觀結(jié)構(gòu)變化

張麗娟，劉仁釗

(廣東工業(yè)大學土木與交通工程學院，廣東廣州510006)

摘要：為找出廣州南沙港某油罐倉儲區(qū)工程淤泥加固時固化劑的最優(yōu)配比，取該工程區(qū)典型淤泥，以水泥、石灰、石膏、水玻璃和減水劑作為固化劑，對淤泥進行加固試驗研究，以無側(cè)限抗壓強度來檢驗加固效果，找到最佳的固化劑摻量，并進行固化淤泥與原狀淤泥力學性能和微觀結(jié)構(gòu)變化的對比研究。試驗結(jié)果表明，水泥、減水劑、水玻璃、石膏和石灰摻量分別為20%, 1.5%,10%, 6%和16%時淤泥的固化效果最佳; 影響固化土強度的5個因素中，水泥摻量影響最大，石膏摻量影響最小。相比原狀土樣，最優(yōu)配比固化淤泥試樣的滲透系數(shù)和孔隙率分別減小81.0%和59.8%，三軸不固結(jié)不排水試驗的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別是原狀土樣的3.8和4.9倍，固化淤泥的物理力學性能得到明顯改善。

關(guān)鍵詞：淤泥改良； 固化劑； 物理力學性能; 微觀結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TU47

文獻標志碼：A

文章編號：1009-640X(2015)03-0031-06

Abstract：In order to find out the best additive portion of soft foundation treatment for a petroleum storage project located in Guangzhou Nansha harbor area, the typical soft sludge was selected and solidified experiment was conducted with the additive agent of cement, lime, gypsum, sodium silicate and water-reducer, and the treatment result and the best additive portion were got, the changes of the mechanical properties and microstructure of the soft sludge before and after consolidated were compared and studied based on the unconfined compressive strength. Test results show that 20%, 1.5%, 10%, 6% and 16% of cement, lime, gypsum sodium silicate and water-reducer are the best proportion, and among these 5 factors affecting the strength of the solidified soft sludge, the cement addition has become a most important influence factor and the gypsum addition is the minimum. Comparing with unconsolidated sludge soft sample, the penetration coefficients and void ratio of the best additive portion solidified sample are reduced by 81.0% and 59.8%, and C and φ of UU shear tests are of 3.8 and 4.9 times. The physico-mechanical properties of the solidified soft sludge are enhanced obviously.

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2015.03.006

收稿日期：2014-10-16

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51278081)； 交通運輸部資助項目“強震區(qū)港口工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計研究”(JTSBD 2013 02 130)

作者簡介：高樹飛(1989—)， 男， 安徽蚌埠人， 博士研究生， 主要從事港口工程結(jié)構(gòu)設(shè)計與抗震研究。

利用固化劑對土體進行加固是目前軟基處理中常用的一種方法。根據(jù)固化機理，土體固化劑可分為有機化合物類、無機化合物類、生物酶類及復合型固化劑等。其中水泥、石膏、石灰、各類礦渣以及粉煤灰等無機化合物類固化劑具有材料成本低，易于就地取材，性能穩(wěn)定等優(yōu)點，目前在軟土地基加固中應用廣泛，對此開展的相關(guān)研究也很多。黃新等[1-2]針對軟土在固化機理方面開展了研究；在固化土的強度和變形等宏觀方面，王振軍等[3-5]通過試驗對不同類型固化劑加固土的力學性能進行了探討分析；唐朝生等[6-11]開展了加固軟土微細觀結(jié)構(gòu)變化、 變形計算模型等方面的研究。由于淤泥不同的沉積環(huán)境造成其物質(zhì)成分及含量不同，結(jié)構(gòu)構(gòu)造差異明顯，固化加固時適宜的固化劑類型、摻量、處理效果等也存在顯著差別，采用傳統(tǒng)的單一固化劑，固化效果不佳，因此有必要針對工程現(xiàn)場淤泥的特點，開展不同固化劑共同作用下固化淤泥的物理力學性能研究。

廣州南沙港位于珠江口伶仃洋喇叭灣灣頂，龍穴島內(nèi)東南側(cè)，土質(zhì)為第四紀河相和海相交錯沉積軟土層[12]，地下水位高，整個場地地表以下均分布有淤泥層，平均厚度約10 m，孔隙比最大達3.0，含水量超過75%，全部需要加固處理。軟基處理與基礎(chǔ)工程問題已成為該區(qū)域土建中最關(guān)鍵的技術(shù)問題。某油罐倉儲區(qū)位于南沙港區(qū)內(nèi)東南側(cè)，倉儲區(qū)總面積約67.2萬m2，其中一期工程需要處理的軟基面積為14.9萬m2。該工程區(qū)原為濱海水塘，軟基處理范圍內(nèi)地質(zhì)條件很差，整個處理場地為淤泥層，不排水抗剪強度低至7.5 kPa。擬采用水泥為主的多種固化劑對淤泥進行加固改良，為了保證加固質(zhì)量，在大面積地基處理前，取現(xiàn)場典型土樣進行室內(nèi)試驗研究，通過加固土體強度研究不同固化劑摻量對淤泥的加固效果，找到最佳的固化劑摻量，并通過對加固土及原狀土加固前后力學性能和微觀結(jié)構(gòu)變化的對比研究，了解土體加固效果，作為現(xiàn)場大面積加固施工時固化劑摻量調(diào)整的依據(jù)。

1試驗材料和方案

1.1試驗材料

1.1.1淤泥土樣本試驗土樣取自油罐倉儲區(qū)。根據(jù)室內(nèi)試驗測定結(jié)果，土樣物理力學指標見表1。

表1　淤泥土樣的物理力學指標

1.1.2固化劑試驗所用5種固化劑有水泥、石灰、石膏、水玻璃和減水劑。其中主固化劑為南京江南水泥廠的32.5#普通型硅酸鹽水泥；其余為上海海易建筑裝飾材料廠的生石膏粉和提純的生石灰塊，長沙江山建材外加劑廠的 “江山牌”FDN-1型早強高效減水劑，天津北辰方正試劑廠的分析純硅酸鈉。

1.2試樣的制備和養(yǎng)護

將充分攪拌的固化土分層裝入到三瓣模并擊實，制作成直徑40 mm，高80 mm的試樣，將三瓣模連同試樣放在溫度18 ℃，相對濕度50%的恒溫箱中養(yǎng)護24 h然后脫模，將脫模后的試樣用塑料保鮮袋密封并編號記錄后置于水槽中養(yǎng)護至齡期，養(yǎng)護溫度控制在20 ℃，相對濕度為90%。

1.3試驗方案

1.3.1單摻試驗為了初步確定水泥、石灰、石膏、減水劑和水玻璃對固化效果的影響規(guī)律和摻量范圍，進行了不同摻量單摻配比的7 d無側(cè)限抗壓強度試驗。單摻試驗配比方案見表2。

表2　單摻試驗配比方案

1.3.2正交試驗為了最優(yōu)選擇配方中各固化劑的摻量水平，進行了5因素4水平試驗。所選用的因素及其摻量水平和齡期為7 d和14 d試樣的試驗方案見表3，試驗各16組，總計32組，每組試驗制備3個平行試樣，結(jié)果取3個平行試樣的平均值，共需要 96個試樣。

表3齡期7 d和14 d試樣的正交試驗方案

Tab.3　Test plan of samples of 7 days and 14 days

1.3.3物理力學性質(zhì)試驗取最優(yōu)和次優(yōu)配比的固化淤泥試樣及原狀淤泥試樣，對加固前后的試樣進行變水頭滲透試驗、三軸不固結(jié)不排水剪試驗、直剪與快剪試驗，進一步研究優(yōu)化配比固化淤泥土的加固效果。

1.3.4微觀試驗隨著微觀電子技術(shù)的發(fā)展，如掃描電鏡等技術(shù)被陸續(xù)引入到土的微觀結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域，使得開展土體微觀結(jié)構(gòu)特征與工程特性之間關(guān)系的研究成為可能[6-7]。為了進一步研究固化淤泥的性質(zhì)，揭示土體微觀結(jié)構(gòu)變化和宏觀力學響應之間的關(guān)系，取最優(yōu)和次優(yōu)配合比的固化淤泥試樣和淤泥原狀試樣進行電鏡掃描試驗，以對比研究固化淤泥與原狀淤泥微觀結(jié)構(gòu)。

2試驗結(jié)果分析

2. 1單摻和正交試驗結(jié)果

圖1　單摻試驗7 d無側(cè)限抗壓強度 Fig.1 Unconfined strength of single additive test for 7 days

2.1.1單摻試驗7 d無側(cè)限抗壓強度試驗根據(jù)表2方案，不同種類及不同摻量的固化劑共分40組來進行試驗，每組平行3次試驗， 7 d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見圖1。由圖可見，不同種類固化劑的摻量不同，對7 d無側(cè)限抗壓強度的影響不同。隨著水泥摻量的增加，抗壓強度幾乎呈線性增大。減水劑摻量較小時，強度隨摻量增加而增大，當摻量達0.8%時強度達最大值432 kPa，而后隨著摻量增大,強度有所降低。石膏和水玻璃摻量較小時，隨著摻量增大，強度增加較快；當摻量較大時，強度增加緩慢。石灰摻量由0.8%增大到5%時，強度增加很快，后隨摻量增大，強度變化緩慢，當摻量達7.5%時，強度比摻量為5%時降低。根據(jù)單摻試驗結(jié)果可見，主固化劑水泥摻量越大，對提高強度越有利，但考慮到經(jīng)濟因素，在固化劑摻量的正交試驗中，水泥摻量選取了如表3所示的4個含量指標。同時根據(jù)其他幾種固化劑對強度影響的分析，最終選取如表3所示的各個固化劑的摻量作為正交試驗的配合比。

圖2　正交試驗7 d和28 d無側(cè)限抗壓強度 Fig.2 Unconfined strength of orthogonal test for 7 and 28 days

2.1.2正交試驗7 d和28 d無側(cè)限抗壓強度試驗根據(jù)表3方案，試樣7 d和14 d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見圖2?？梢?4號試驗的7 d和28 d無側(cè)限抗壓強度均為最高，其試驗條件為A4B2C3D1E4,即配比為：水泥摻量20%，減水劑摻量0.8%,水玻璃摻量為10%，石膏摻量為6%，石灰摻量為15%；13號試樣的28 d無側(cè)限抗壓強度為次高，其試驗條件為A4B1C4D2E3,即配比為：水泥摻量20%，減水劑摻量0.5%,水玻璃摻量為12%，石膏摻量為10%，石灰摻量為12%。根據(jù)各試樣無側(cè)限抗壓強度的實測結(jié)果，可得5種固化劑4個不同摻量水平下的7 d和28 d平均無側(cè)限抗壓強度見圖3。同樣可以看出，試驗條件為A4B2C3D1E4時7 d和28 d無側(cè)限抗壓強度均為最高。試驗中可以用各因素極差的大小來衡量試驗中相應因素作用的大小，極差大，說明它的不同摻量水平對強度所造成的影響大，往往是重要的因素，反之，極差小的通常是次要因素。對于7 d無側(cè)限抗壓強度而言，5個因素的極差分別為：水泥495 kPa，減水劑240 kPa，水玻璃193 kPa，石膏125 kPa，石灰195 kPa。按照極差的大小可知，在本次試驗中，影響固化土7 d強度因素的主次順序為：水泥摻量是影響強度的主要因素，減水劑摻量和石灰摻量是重要因素，水玻璃摻量的影響次之，石膏影響則最小。根據(jù)14 d無側(cè)限抗壓強度結(jié)果可以得到同樣的結(jié)論。

圖3　各因素四水平摻量7 d和28 d平均無側(cè)限抗壓強度 Fig.3 Average unconfined strength of 4 different mixing proportions for 7 and 28 days

2.2物理力學試驗結(jié)果

根據(jù)固化土7 d和14 d無側(cè)限抗壓強度測試結(jié)果可知，當水泥、減水劑、水玻璃、石膏和石灰摻量分別為20%, 0.8%, 10%, 6%和15%時強度最高、配比最優(yōu)，摻量為20%, 0.5%, 12%, 10%和12%時配比次優(yōu)。據(jù)此，本文以最優(yōu)、次優(yōu)配比的固化淤泥試樣和原狀淤泥試樣為研究對象，進行了淤泥加固前后的變水頭滲透試驗、三軸不固結(jié)不排水剪試驗、直剪切快剪試驗對比,試驗結(jié)果見表4。

表4　固化淤泥與原狀淤泥物理力學指標對比

由表4可見，次優(yōu)配比和最優(yōu)配比固化淤泥與原狀淤泥相比，滲透系數(shù)分別減少72.8%和81.0%，而抗剪強度指標大大提高，三軸不固結(jié)不排水剪試驗的內(nèi)聚力c分別為原狀淤泥的3.6和3.8倍，內(nèi)摩擦角φ為3.8和4.9倍，直剪試驗快剪的c分別為原狀淤泥的3.4和4.3倍，φ分別為原狀淤泥的3.5和3.6倍，固化淤泥的物理力學性質(zhì)指標明顯提高。

2.3電鏡掃描微觀試驗結(jié)果

利用環(huán)境電子顯微鏡(ESEM)觀測淤泥固化前后土樣的微觀結(jié)構(gòu)，用顯微照片分析淤泥加固前后的孔隙率等微結(jié)構(gòu)特征及其變化規(guī)律。對最優(yōu)、次優(yōu)配合比的固化試樣和淤泥原狀試樣分別進行電鏡掃描，放大倍數(shù)依次為600,1 000和2 000倍，淤泥原狀樣、最優(yōu)、次優(yōu)配合比固化淤泥試樣的2 000倍的二值處理后的ESEM圖片見圖4。

圖4　二值化處理后的試樣ESEM圖像(2 000倍) Fig.4 ESEM pictures of samples (2 000 times)

有研究[8]表明，珠江三角洲地區(qū)軟土的結(jié)構(gòu)可劃分為蜂窩狀、海綿狀、骨架狀、絮狀和凝塊狀等5種結(jié)構(gòu)類型，通過對以上5種類型軟土微觀結(jié)構(gòu)代表性照片與圖4所示照片的對比分析，結(jié)合相關(guān)研究成果[8,10-11]，本研究選取孔隙率、孔隙平均面積、顆粒個數(shù)、孔隙分布分維和顆粒分布分維5個參數(shù)來定量研究淤泥加固前后微觀結(jié)構(gòu)的變化。淤泥原狀試樣、最優(yōu)和次優(yōu)配合比固化試樣的5個微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)如表5所示。從表5可見，最優(yōu)和次優(yōu)配比固化淤泥的孔隙率分別為原狀淤泥的40.2%和42.4%，而顆粒個數(shù)則分別是原狀淤泥的3.6和2.9倍。由此可見，固化后淤泥內(nèi)部孔隙減少，宏觀上則表現(xiàn)為土體強度的提高。本研究中若最優(yōu)配比固化淤泥較原狀淤泥孔隙率減小一半，則其三軸UU試驗的c和φ相應提高2.3和3.2倍。由于不同地區(qū)淤泥不同的沉積環(huán)境造成其物質(zhì)成分及含量不同，結(jié)構(gòu)構(gòu)造差異明顯，因此建立區(qū)域性土微觀結(jié)構(gòu)變化與宏觀力學表現(xiàn)之間的定量關(guān)系，值得進一步探討和研究。

表5　固化淤泥與原狀淤泥的微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

3結(jié)語

針對廣州南沙港某油罐倉儲區(qū)的典型淤泥，以水泥、石灰、石膏、水玻璃和減水劑為固化劑對淤泥進行了單摻和正交加固試驗研究，結(jié)果表明：

(1)水泥摻量20%，減水劑摻量0.8%,水玻璃摻量為10%，石膏摻量為6%，石灰摻量為15%時的配比為最優(yōu)配比，試樣7 d和28 d的強度均為最高；

(2)影響固化土強度的5個因素中水泥摻量是最主要的，其次分別為減水劑、石灰、水玻璃和石膏摻量；

(3)加固后淤泥試樣在宏觀上表現(xiàn)為滲透系數(shù)減小，強度提高，微觀上表現(xiàn)為孔隙減少。次優(yōu)和最優(yōu)配比固化淤泥滲透系數(shù)分別為原狀淤泥的27%和19%，三軸UU試驗的內(nèi)聚力c分別為原狀淤泥的3.6和3.8倍，內(nèi)摩擦角φ為3.8和4.9倍， ESEM結(jié)果顯示最優(yōu)和次優(yōu)配比固化淤泥孔隙率較原狀淤泥減少了59.8%和57.6%。

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Physico-mechanical properties and changes in microstructure of silt before and after solidification in Nansha port

ZHANG Li-juan, LIU Ren-zhao

(SchoolofCivilandTransportationEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China)

Key words： sludge consolidation; solidified agent; physico-mechanical properties; macrostructures

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