鄭 潔，李行祖，王菁莪*

(1.武漢工程科技學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430200；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)湖北巴東地質(zhì)災(zāi)害國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，湖北 武漢 430074)

淤泥及淤泥質(zhì)土是我國(guó)東南沿海地區(qū)與內(nèi)陸江、河、湖周邊地區(qū)常見(jiàn)的軟土，具有低強(qiáng)度、高壓縮性、高流變性、低滲透性和觸變性等不良工程性質(zhì)，不宜直接作為建筑物地基。淤泥地基處理是工業(yè)民用建筑及道路、港口等工程所面臨的重要課題[1-3]。目前工程實(shí)踐中常用的淤泥及其他高含水率軟土地基處理方法主要可分為3類(lèi)[4-5]：第一類(lèi)為排水固結(jié)法，或稱(chēng)預(yù)壓法，包括堆載預(yù)壓法和真空預(yù)壓法兩種，其目的是加速排出軟土內(nèi)的孔隙水，使地基沉降固結(jié)，從而提高地基承載力和地基土強(qiáng)度；第二類(lèi)為物理擠密法，主要通過(guò)碎石樁、灰土樁或水泥粉煤灰碎石樁等將地基土擠密，進(jìn)而提高地基承載力，減少地基沉降量；第三類(lèi)為化學(xué)加固法，通過(guò)拌和或灌漿等方式將石灰、水泥或其他高分子材料注入地基土，使軟土固化。

物理擠密和化學(xué)加固地基處理方法涉及大量的加固材料，往往造價(jià)較高，各類(lèi)無(wú)機(jī)或有機(jī)固化材料的大量使用也可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的影響。排水固結(jié)法則因其成本低，對(duì)環(huán)境無(wú)污染而在淤泥地基處理工程中被廣泛使用。對(duì)河道和湖泊等沉積物進(jìn)行疏浚作業(yè)而產(chǎn)生的疏浚淤泥的固化處理也常使用堆載預(yù)壓或真空預(yù)壓等排水固結(jié)方法[6-7]。然而，由于淤泥往往含有較多的黏土礦物和有機(jī)質(zhì)，具有較強(qiáng)的親水性且滲透性較低，造成其排水過(guò)程十分緩慢，使排水固結(jié)作業(yè)過(guò)程時(shí)間成本較大。堆載真空聯(lián)合預(yù)壓、設(shè)置排水砂井及排水板，以及電滲等方法雖然可以一定程度加快淤泥排水速度，提高排水固結(jié)效率，但仍無(wú)法解決淤泥地基土低滲透性的問(wèn)題[8-9]。

離子型土壤固化劑(ionic soil stabilizer，簡(jiǎn)稱(chēng)ISS)是一種溶于水后解離出大量陽(yáng)離子，可與土顆粒之間發(fā)生離子交換作用，改變土壤礦物表面水化性質(zhì)，進(jìn)而提高土體水穩(wěn)性與強(qiáng)度的土壤加固材料，因其成本低、施工方便、環(huán)境污染小已被廣泛應(yīng)用于路基加固工程中[10-12]。關(guān)于ISS與紅黏土和膨脹土之間相互作用的研究成果表明，經(jīng)過(guò)ISS改性后，黏土礦物表面結(jié)合水膜厚度明顯減小，土顆粒親水性顯著降低，孔隙結(jié)構(gòu)趨于密實(shí)，宏觀表現(xiàn)為紅黏土和膨脹土塑性指數(shù)降低，脹縮性減弱，強(qiáng)度與抗變形能力增大[13-15]。

基于ISS改性黏性土的機(jī)理，相關(guān)學(xué)者嘗試將其應(yīng)用于處理淤泥及淤泥質(zhì)土，以改善其工程性質(zhì)[16-17]?，F(xiàn)有關(guān)于ISS改性淤泥及淤泥質(zhì)土的研究主要測(cè)試了樣品改性前后的成分與微觀結(jié)構(gòu)變化以及穩(wěn)定性等，尚未系統(tǒng)開(kāi)展ISS改性淤泥及淤泥質(zhì)土的加速排水固結(jié)過(guò)程試驗(yàn)研究。鑒于此，本文通過(guò)開(kāi)展真空預(yù)壓與堆載預(yù)壓模擬試驗(yàn)，測(cè)試了ISS改性淤泥的排水固結(jié)規(guī)律，分析了不同濃度ISS溶液對(duì)淤泥的改性效果，并結(jié)合改性前后淤泥土樣品的陽(yáng)離子交換量、塑性指數(shù)和滲透性等測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)ISS改性淤泥加速排水固結(jié)過(guò)程的機(jī)理進(jìn)行探討，旨在為加速淤泥地基排水固結(jié)方法的研究提供參考。

1 試驗(yàn)材料

1. 1 淤泥土樣品

淤泥及淤泥質(zhì)土廣泛分布于我國(guó)東南沿海及內(nèi)陸大型河流湖泊周邊地區(qū)。湖北省武漢市地處長(zhǎng)江中游，水系發(fā)達(dá)，河流湖泊眾多，淤泥土分布廣泛，區(qū)內(nèi)大量工業(yè)及民用建筑，包括道路、港口、碼頭等基礎(chǔ)設(shè)施均需興建在淤泥及淤泥質(zhì)土等軟土地基上，這是該區(qū)域工程建設(shè)面臨的主要巖土工程問(wèn)題之一[18]。

本次試驗(yàn)研究的淤泥土樣品取自武漢市洪山區(qū)某建筑地基，取樣深度為地表以下1 m，淤泥土樣品顏色為灰-灰褐色，呈流塑狀態(tài)，含腐殖質(zhì)及少量貝殼碎片，均一性較好。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)，測(cè)得淤泥土樣品的基本性質(zhì)參數(shù)和顆粒級(jí)配曲線(xiàn)，見(jiàn)表1和圖1。

表1 原狀淤泥土樣品的基本性質(zhì)參數(shù)

圖1 原狀淤泥土樣品的顆粒級(jí)配曲線(xiàn)

1.2 離子型土壤固化劑(ISS)

土壤固化劑大多為膠凝材料，主要作用原理是基于材料自身的黏結(jié)性使土顆粒膠結(jié)固化。與此不同的是，ISS加固機(jī)理則是通過(guò)離子交換作用，使黏土礦物表面結(jié)合水厚度和親水性顯著降低，然后通過(guò)機(jī)械壓實(shí)提高土體密實(shí)度，從而提高其承載力和強(qiáng)度。目前國(guó)內(nèi)外使用較成熟的代表性ISS產(chǎn)品主要有美國(guó)Fort Distributors公司生產(chǎn)的 Roadbond EN-1固化劑，澳大利亞Road Packer Group公司生產(chǎn)的Road Packer Plus固化劑，美國(guó)CBR Plus North America公司生產(chǎn)的 CON-AID/CBR Plus固化劑，以及中國(guó)香港Terra Smart公司生產(chǎn)的Road Shield固化劑等。本次試驗(yàn)所使用的ISS為自主研制的棉籽油基型ISS，其主要活性成分為棉籽油基磺化油，通過(guò)將棉籽油、濃硫酸和添加劑按照特定的體積比例，并控制混合速度、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行制備[19]。

相較于水泥、石灰、粉煤灰等傳統(tǒng)固化材料，采用ISS處理土體時(shí)，通常只需將原液稀釋至1%以下的濃度狀態(tài)即可，材料用量較少。此外，由于ISS可充分溶于水，開(kāi)展固化作業(yè)時(shí)易于使用噴灑、滲入等工藝，而無(wú)需使用重型機(jī)械開(kāi)展深層攪拌或高壓灌漿等高能耗作業(yè)，其施工成本也相對(duì)較低，適合大面積使用。

土體固化材料的環(huán)境無(wú)害化要求如今越來(lái)越受到重視。棉籽油基型ISS主要成分為棉籽油基磺化油，是一種長(zhǎng)碳鏈有機(jī)物，通常被作為表面活性劑在紡織、造紙等行業(yè)廣泛使用，其溶于水后離散為大量包含磺酸基與有機(jī)烴鏈的高分子化合物，可與土體內(nèi)的陽(yáng)離子發(fā)生交換吸附，附著于土顆粒表面，該反應(yīng)過(guò)程具有不可逆性。棉籽油基型ISS的主要成分及其與土體反應(yīng)后的產(chǎn)物均不會(huì)生成新的有害物質(zhì)，具有較好的環(huán)境穩(wěn)定性，比傳統(tǒng)膠凝性固化材料更加環(huán)保。

2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

2. 1 淤泥土真空預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)裝置

如圖2和圖3所示，為自主研制的淤泥土真空預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)裝置，主要由排水固結(jié)組件、真空抽氣組件和數(shù)據(jù)采集組件構(gòu)成。其中，排水固結(jié)組件包括固結(jié)室、活塞板、導(dǎo)向桿和透水石及濾紙等，固結(jié)室為內(nèi)徑15 cm、高20 cm的密封圓柱缸，頂部設(shè)有排氣孔與大氣連通，底面設(shè)有排水孔，淤泥土樣品置于固結(jié)室內(nèi)的活塞板之下、透水石及濾紙之上，導(dǎo)向桿可使活塞板在固結(jié)室內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持水平；真空抽氣組件包括緩沖缸、真空表和真空泵，緩沖缸頂面與固結(jié)室底面通過(guò)管路連通，用于盛放試驗(yàn)過(guò)程中從土樣中排出的水；數(shù)據(jù)采集組件包括位移百分表、表座和計(jì)算機(jī)，位移百分表固定在表座上，測(cè)頭與活塞板頂面接觸，通過(guò)數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)時(shí)記錄活塞板的位移。

圖2 淤泥土真空預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)裝置示意圖

圖3 淤泥土真空預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)裝置照片

2. 2 淤泥土堆載預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)裝置

如圖4和圖5所示，為自主研制的淤泥土堆載預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)裝置，主要由反力框架、加載組件、排水固結(jié)組件和位移測(cè)量組件構(gòu)成。其中，反力框架包括底盤(pán)、反力橫梁和立柱；加載組件包括空壓機(jī)、調(diào)壓閥、氣壓千斤頂、壓力傳感器和傳力筒等；排水固結(jié)組件設(shè)于加載組件下方的底盤(pán)上，包括頂面敞開(kāi)的半封閉式的固結(jié)筒(內(nèi)徑為46 cm，高為40 cm)，淤泥土樣品置于固結(jié)筒內(nèi)、壓板之下，采用13根有機(jī)玻璃材質(zhì)多孔管均布插入樣品中模擬排水砂井，多孔管外徑為20 mm，管側(cè)壁間隔10 mm鉆直徑6 mm的圓孔，使管內(nèi)外連通，多孔管內(nèi)裝有細(xì)石英砂，并通過(guò)圓筒形濾紙包裹，阻擋排水過(guò)程中土顆粒穿過(guò)；位移測(cè)量組件包括位移百分表、表座和計(jì)算機(jī)，位移百分表固定在表座上，測(cè)頭與蓋板頂面接觸，通過(guò)數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)時(shí)記錄蓋板的位移。

圖4 淤泥土堆載預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)裝置示意圖

圖5 淤泥土堆載預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)裝置照片

2. 3 淤泥土真空預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)方法

ISS原液需加水稀釋至一定的濃度后才能充分解離活性物質(zhì)，使其與土顆粒間相互作用達(dá)到最佳的效果。由于不同種類(lèi)淤泥的粒度組成和礦物化學(xué)成分存在差異，針對(duì)不同的處理對(duì)象需要進(jìn)行最優(yōu)ISS濃度測(cè)試。為了研究不同濃度ISS溶液對(duì)淤泥土樣品排水固結(jié)過(guò)程的改性效果，分別將ISS原液稀釋為與水的體積比分別為1∶50、1∶100、1∶150、1∶200、1∶250的5種配比濃度溶液與土樣進(jìn)行充分混合反應(yīng)，加水量根據(jù)淤泥土樣品實(shí)際含水率與設(shè)計(jì)含水率計(jì)算，具體操作方法如下：①取足量的原狀淤泥土樣品，測(cè)量其總質(zhì)量與實(shí)際含水率，并計(jì)算樣品中含水總體積；②根據(jù)設(shè)計(jì)的ISS濃度配比與待測(cè)淤泥土樣品設(shè)計(jì)含水率，以及淤泥土樣品中已含水量，計(jì)算ISS原液用量與附加水量；③按上述計(jì)算用量將土樣、ISS原液與附加水量拌和均勻，并靜置48 h，待ISS與土樣充分反應(yīng)后備用。為了測(cè)試更大含水率范圍內(nèi)淤泥土樣品的固結(jié)排水過(guò)程，參考淤泥土樣品天然含水率，本次試驗(yàn)將淤泥土樣品的初始含水率設(shè)置為120%。

淤泥土樣品真空預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)步驟如下：①在固結(jié)室底部依次放置直徑為15 cm的透水石，并放置相同尺寸的濾紙，在活塞板外沿密封圈涂抹凡士林，以減小活塞板與固結(jié)室內(nèi)壁的摩擦阻力，并保證裝置氣密性；②將制備的淤泥土樣品裝入固結(jié)室至高度為17 cm，依次裝入活塞板與固結(jié)室頂板，開(kāi)啟活塞板排氣孔閥門(mén)，并將其推至與淤泥土樣品頂面完全接觸后關(guān)閉排氣孔；③安裝位移百分表并使其測(cè)頭與活塞板頂面接觸，將位移百分表讀數(shù)歸零；④連接固結(jié)室、緩沖缸與真空泵等其他組件，開(kāi)啟真空泵，使緩沖缸內(nèi)真空度維持在95%，同時(shí)開(kāi)始實(shí)時(shí)記錄位移百分表讀數(shù)，直至位移百分表讀數(shù)每小時(shí)變化量小于0.01 mm時(shí)結(jié)束試驗(yàn)；⑤重復(fù)上述步驟，依次開(kāi)展原狀淤泥土樣品與分別通過(guò)不同濃度ISS改性淤泥土樣品的真空預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)。

2. 4 淤泥土堆載預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)方法

堆載預(yù)壓是地基處理工程常用的另一種排水固結(jié)方法，相比真空預(yù)壓排水固結(jié)方法，該方法可提供更大的固結(jié)壓力，以加速地基土孔隙水排出。為了模擬實(shí)際地基處理工程常用的排水砂井效果，自主研制的堆載預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)裝置設(shè)置了模擬砂井，同時(shí)增大了樣品尺寸，可更好地反映實(shí)際情況。

參考上述真空預(yù)壓排水固結(jié)試驗(yàn)方法，選取代表性的ISS配比濃度改性淤泥土樣品與原狀淤泥土樣品進(jìn)行堆載預(yù)壓排水固結(jié)模擬對(duì)比試驗(yàn)。具體試驗(yàn)步驟如下：①參照真空預(yù)壓排水固結(jié)試驗(yàn)樣品制備方法，配置含水率為55%的原狀淤泥土樣品與ISS改性淤泥土樣品；②在固結(jié)筒插入模擬沙井，并將樣品裝入固結(jié)筒內(nèi)至高度為200 mm(孔隙比為1.43)；③依次安裝活塞板、傳力筒，以及壓力傳感器、位移傳感器和氣壓千斤頂；④按照125 kPa、150 kPa、175 kPa和200 kPa的順序分級(jí)施加活塞板上覆壓力，同時(shí)實(shí)時(shí)采集活塞板沉降位移數(shù)據(jù)，直至位移百分表讀數(shù)每小時(shí)變化量小于0.01 mm時(shí)施加下一級(jí)壓力；⑤重復(fù)上述步驟，依次開(kāi)展原狀淤泥土樣品與代表性濃度ISS改性淤泥土樣品的堆載預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)。

2. 5 樣品親水性試驗(yàn)方法

為了探討不同濃度ISS溶液改性淤泥加速排水固結(jié)過(guò)程的機(jī)理與效果，分別測(cè)試了改性前后淤泥土樣品中液塑限、陽(yáng)離子交換量和滲透系數(shù)，用以分析樣品的親水性變化特征[13-14]。液限和塑限是黏性土的重要物理特性指標(biāo)，可反映其宏觀的親水性與持水性能。塑性指數(shù)為液限與塑限之差，其值越大，表明土體在可塑狀態(tài)的含水量范圍越大，即其親水性更強(qiáng)。陽(yáng)離子交換量(CEC)是單位質(zhì)量土體所能吸附的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等陽(yáng)離子總量，以每千克土體中含有各種陽(yáng)離子的物質(zhì)的量來(lái)表示。由于黏土礦物表面具電負(fù)性，其表面吸附陽(yáng)離子的量是控制顆粒表面吸附水量的主要因素，其值越大說(shuō)明樣品親水性越強(qiáng)。黏性土的排水固結(jié)速度則與其滲透性直接相關(guān)，淤泥等軟土排水固結(jié)速度緩慢的主要原因是其滲透系數(shù)通常極低。上述淤泥土樣品的液塑限、陽(yáng)離子交換量和滲透系數(shù)試驗(yàn)分別按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)規(guī)定的液塑限聯(lián)合測(cè)定儀法、氯化鋇緩沖液滴定法和變水頭法開(kāi)展。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3. 1 淤泥土真空預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖6為原狀淤泥土樣品和不同配比濃度ISS改性淤泥土樣品的真空預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)過(guò)程曲線(xiàn)，顯示了各樣品在真空預(yù)壓條件下頂面沉降量隨固結(jié)時(shí)間的變化規(guī)律。

圖6 ISS改性前后淤泥土樣品的真空預(yù)壓排水固結(jié) 模擬試驗(yàn)過(guò)程曲線(xiàn)

由圖6可以看出，淤泥土樣品經(jīng)過(guò)ISS改性后，排水固結(jié)速度顯著加快，且樣品最終固結(jié)沉降量有所增大。

表2列出了ISS改性前后淤泥土樣品的真空預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)。

表2 ISS改性前后淤泥土樣品的真空預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)參數(shù)

由表2可知：

(1) 未經(jīng)ISS改性的原狀淤泥完成固結(jié)累計(jì)用時(shí)為190 h，而經(jīng)ISS改性后，淤泥土樣品完成固結(jié)所需時(shí)間最低減少至67 h，時(shí)長(zhǎng)縮短近64.7%。

(2) 經(jīng)ISS改性淤泥土樣品的最終固結(jié)沉降量也表現(xiàn)出隨ISS濃度增加而增大的現(xiàn)象，其中，經(jīng)過(guò)1∶50配比ISS溶液改性的淤泥土樣品最終固結(jié)沉降量為72.53 mm，相較未經(jīng)改性的原狀淤泥提高了約3 mm，增幅為4.3%;經(jīng)真空預(yù)壓排水固結(jié)后，各ISS改性淤泥土樣品的孔隙比均大幅下降，其由固結(jié)前的3.12降低至1.5以下。根據(jù)相關(guān)規(guī)范(GB 50007—2011)，當(dāng)土樣有機(jī)質(zhì)含量在5%～10%之間、含水率大于液限且孔隙比小于1.5時(shí)，被定義為淤泥質(zhì)土?？梢?jiàn)，經(jīng)過(guò)真空預(yù)壓排水固結(jié)后，原狀淤泥已從淤泥轉(zhuǎn)為淤泥質(zhì)土，工程性質(zhì)得到提高。

3. 2 淤泥土堆載預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)結(jié)果與分析

上述不同濃度ISS改性淤泥真空預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示，淤泥土樣品的排水固結(jié)速度和最終固結(jié)沉降量均隨ISS濃度增加而增大，但考慮到實(shí)際應(yīng)用的成本，ISS濃度并不是越大越好，需要考慮淤泥改性效果與ISS用量的經(jīng)濟(jì)效益平衡。因此，本次堆載預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)選取1∶100的ISS配比濃度改性淤泥土樣品與原狀淤泥土進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，淤泥樣品的初始孔隙比設(shè)置為1.43，與真空預(yù)壓排水固結(jié)穩(wěn)定后的孔隙比一致。

圖7為在不同上覆壓力條件下原狀淤泥土樣品和1∶100 ISS改性淤泥土樣品的堆載預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)過(guò)程。

圖7 ISS改性前后淤泥土樣品的堆載預(yù)壓排水固結(jié)模 擬試驗(yàn)過(guò)程曲線(xiàn)

由圖7可見(jiàn)，經(jīng)ISS改性后淤泥土樣品在各級(jí)壓力狀態(tài)下的排水固結(jié)速度和最終固結(jié)沉降量均明顯增大。

表3列出ISS改性前后淤泥土樣品的堆載預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)參數(shù)。

表3 ISS改性前后淤泥土樣品的堆載預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)參數(shù)

由表3可知：改性淤泥土樣品固結(jié)總時(shí)長(zhǎng)和最終固結(jié)沉降量分別為137 h和40.18 mm，其中固結(jié)總時(shí)長(zhǎng)比原狀淤泥縮短了近64 h，降幅為31.8%，改性淤泥最終固結(jié)沉降量較原狀淤泥增大了4.74 mm，增幅為13.4%；經(jīng)堆載預(yù)壓排水固結(jié)后，淤泥土樣品的孔隙比降低至1以下，工程性質(zhì)得到進(jìn)一步改善。

3.3 ISS改性前后淤泥親水性試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了分析不同ISS配比濃度改性淤泥加速排水固結(jié)的機(jī)理，在真空預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)結(jié)束后，將試樣取出，分別開(kāi)展了樣品陽(yáng)離子交換量、液塑限、滲透系數(shù)和有機(jī)質(zhì)含量測(cè)試試驗(yàn)，以測(cè)試淤泥土樣品改性前后的親水性，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 ISS改性前后淤泥土樣品的親水性參數(shù)

由表4可知：

(1) 原狀淤泥土樣品經(jīng)ISS改性后，改性淤泥土樣品中陽(yáng)離子交換量和塑性指數(shù)顯著降低。其中，改性淤泥土樣品中陽(yáng)離子交換量受ISS的影響較為敏感，經(jīng)配比為1∶250的相對(duì)較低濃度ISS改性后，其值即從初始的31.4 cmol/kg大幅降低至10.7 cmol/kg，降幅近66%,且隨著ISS配比濃度增大至1∶50，改性淤泥土樣品中陽(yáng)離子交換量進(jìn)一步降低至6.0 cmol/kg，較初始值降低了81%；改性淤泥土樣品中塑性指數(shù)從原始狀態(tài)的17.4降低至接近10，降幅約38%。陽(yáng)離子交換量和塑性指數(shù)是土體親水性的重要指標(biāo)，其數(shù)值越大，說(shuō)明土體中含有細(xì)顆粒的黏土礦物越多、比表面積越大，其親水性及處在可塑狀態(tài)的土體含水量變化范圍就越大。根據(jù)黏性土的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)ISS改性后的淤泥土樣品已從原來(lái)的黏土性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉圪|(zhì)黏土性質(zhì)。

(2) ISS改性淤泥土樣品親水性的降低同樣表現(xiàn)在滲透性的變化上，從原狀和改性淤泥土樣品的滲透系數(shù)可以看出，ISS的作用使原狀淤泥的滲透系數(shù)最大提高2個(gè)數(shù)量級(jí)，可有效加速排水固結(jié)過(guò)程。

(3) ISS改性前后淤泥土樣品中有機(jī)質(zhì)含量略有降低，但降低幅度較小，說(shuō)明ISS對(duì)淤泥中的有機(jī)質(zhì)基本不產(chǎn)生作用，無(wú)法有效去除有機(jī)質(zhì)。

3.4 ISS改性淤泥排水固結(jié)過(guò)程機(jī)理分析

淤泥及淤泥質(zhì)土中含有較多的親水性黏土礦物和有機(jī)質(zhì)，受黏土礦物表面不平衡電場(chǎng)及有機(jī)質(zhì)親水基團(tuán)的影響，土顆粒表面形成擴(kuò)散雙電層結(jié)構(gòu)，包括吸附層與擴(kuò)散層，見(jiàn)圖8[20]。處于雙電層內(nèi)的水稱(chēng)為結(jié)合水，而處于雙電層外不受影響的水稱(chēng)為毛細(xì)水及自由水[21]。

圖8 ISS改性前后淤泥土顆粒表面形成的擴(kuò)散雙電 層結(jié)構(gòu)示意圖

如圖8(a)所示，由于水分子具有極性，受土顆粒表面電場(chǎng)的影響，位于吸附層的水分子與土顆粒表面緊密吸附，呈定向排列，這部分水基本不能自由流動(dòng)，稱(chēng)作強(qiáng)結(jié)合水。擴(kuò)散層因距離土顆粒表面略遠(yuǎn)，水分子沒(méi)有強(qiáng)烈的定向性，在受到外力時(shí)可發(fā)生少量的蠕動(dòng)，但仍表現(xiàn)出一定的黏滯性，無(wú)法完全自由流動(dòng)，黏性土表現(xiàn)出的可塑性正是由于弱結(jié)合水的黏結(jié)作用。處于擴(kuò)散雙電層之外的毛細(xì)水和自由水則完全不受土顆粒表面電場(chǎng)的影響，可以在水壓作用下自由流動(dòng)。

棉籽油基型ISS的基本單元包含“親水頭”和“疏水尾”兩部分，前者為磺酸基，后者為含多個(gè)碳原子有機(jī)烴鏈的大分子化合物[19]。如圖8(b)所示，經(jīng)ISS改性后，“疏水尾”可將土顆粒表面的吸附陽(yáng)離子覆蓋，使其與水分子及其他可交換陽(yáng)離子隔離，不易產(chǎn)生吸附作用，降低土顆粒表面的陽(yáng)離子交換量和親水性；“親水頭”部分則可與吸附陽(yáng)離子發(fā)生置換，將原交換性陽(yáng)離子擠出，進(jìn)一步降低可水化的陽(yáng)離子數(shù)量。試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)ISS改性后淤泥土樣品的陽(yáng)離子交換量下降可超過(guò)80%。這是由于ISS的作用使土顆粒表面雙電層結(jié)構(gòu)對(duì)水分子的吸附作用減弱，位于吸附層與擴(kuò)散層的結(jié)合水量降低，黏滯性水膜減薄，并轉(zhuǎn)換為可以自由流動(dòng)的毛細(xì)水及自由水，更容易被排出土體。同時(shí)，由于結(jié)合水膜減薄，土顆粒之間黏結(jié)作用降低，改性淤泥的塑性指數(shù)可降低38%，可塑性明顯減弱。

在細(xì)顆粒的黏性土中，孔隙包括有效孔隙和無(wú)效孔隙兩部分。其中，有效孔隙是指相互連通，孔隙水可順利流通的孔隙；而無(wú)效孔隙則是指受結(jié)合水膜相互重疊影響，所形成的相對(duì)封閉的孔隙，孔隙水無(wú)法流通[22]。如圖9所示，原狀淤泥受較厚的結(jié)合水膜影響，存在較多無(wú)效孔隙，使有效滲流通道較少。相關(guān)研究表明，在黏性土中，結(jié)合水影響所造成的土體內(nèi)無(wú)效孔隙體積可占總孔隙體積的85%以上，是造成黏性土滲透性極低的主要因素。經(jīng)過(guò)ISS改性后，如圖9所示，土顆粒表面結(jié)合水膜厚度降低，大部分封閉的無(wú)效孔隙開(kāi)放連通，成為有效的滲流通道，顯著提高了土體的滲透性，同時(shí)使土體在受力壓實(shí)過(guò)程中可達(dá)到更大的密實(shí)度，進(jìn)而提高其強(qiáng)度與承載力。

圖9 ISS改性前后淤泥滲透性變化機(jī)理示意圖

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)自主研制的真空預(yù)壓與堆載預(yù)壓模擬試驗(yàn)裝置對(duì)原狀淤泥土樣品和不同濃度ISS改性淤泥土樣品開(kāi)展了排水固結(jié)模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)ISS改性后，淤泥土樣品排水固結(jié)速度和最終固結(jié)沉降量均明顯增大，且增幅隨ISS溶液濃度的增加而增大。其中，真空預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)中改性淤泥土樣品的孔隙比從3.12下降至1.5以下的時(shí)長(zhǎng)比原狀淤泥土縮短近64.7%，改性淤泥土樣品的最終沉降量較原狀淤泥土提高了約3 mm，增幅為4.3%；加載預(yù)壓排水固結(jié)模擬試驗(yàn)中，改性淤泥土樣品孔隙比從近1.43下降至1以下，固結(jié)時(shí)間比原狀淤泥土樣品縮短了近31.8%，改性淤泥土樣品的最終固結(jié)沉降量較原狀淤泥土樣品增加了4.74 mm，增幅為13.4%。

(2) 經(jīng)ISS改性后，改性淤泥土樣品的陽(yáng)離子交換量由初始的31.4 cmol/kg降低至6.0 cmol/kg，降幅為近66%；改性淤泥土樣品的塑性指數(shù)由初始的17.4降低至接近10，降幅約38%；改性淤泥土樣品的滲透系數(shù)最大提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)。ISS改性淤泥土樣品的親水性降低與滲透性提高是加速其排水固結(jié)過(guò)程的主要原因。

(3) 棉籽油基型ISS改性淤泥加速排水固結(jié)過(guò)程的機(jī)理包括兩個(gè)方面：一是ISS的作用使淤泥土顆粒表面雙電層結(jié)構(gòu)對(duì)水分子的吸附作用減弱，結(jié)合水量降低，黏滯性水膜減薄，并轉(zhuǎn)換為可以自由流動(dòng)的毛細(xì)水及自由水，更容易被排出土體；二是土顆粒表面結(jié)合水膜減薄使大部分封閉的無(wú)效孔隙開(kāi)放連通，成為有效的滲流通道，顯著提高了土體的滲透性。