水玻璃基淤泥固化土力学性质试验研究

刘洪涛，梧 松，陶东新，陈必权，王利斌，朱钰龙

（1.中煤浙江勘测设计有限公司，浙江杭州 310017； 2.宁波大学科学技术学院，浙江宁波 315300； 3.中国煤炭地质总局浙江煤炭地质局，浙江杭州 310017）

0 引言

宁波软土主要是由淤泥质粉质黏土和淤泥质黏土组成，具有典型的海绵结构和层理结构。近些年，由于建设和环境需求，对这些新近沉积的淤泥质土进行疏挖，导致淤泥的体量变得巨大。长期以来，近海抛填和陆地堆放一直是处理淤泥的主要方法，但这些方法的使用不但占用了大量土地资源，耗费了大量资金，还严重污染了环境。这与我国绿色发展的道路不符，引起了人们的强烈反对。因此，迫切需要采取方法进行淤泥固化［1］。

淤泥固化处理的原理是将固化材料与淤泥混合，通过充分搅拌使固化材料与淤泥中的水分和其他物质发生反应，以使土颗粒之间的连接更加紧密，提高土体强度。对于固化材料的选择和配比要因地制宜，这对于固化效果和处理成本起到了决定性的作用。近20年来，土壤固化技术得到了快速的发展，固化材料从最初单一的水泥、石灰、粉煤灰发展到了专门用于固结土壤的新材料，即土壤固化剂。

根据物质组成的不同，土壤固化剂可以分为钙基固化剂和非钙基固化剂［2］。目前，我国自主研制和开发的土壤固化剂主要以钙基固化剂为主。钙基固化剂在生产和使用过程中会产生大量温室气体［3］，造成严重的大气污染，并容易引发土壤板结、盐碱化等问题，导致植物难以存活。因此，在生态固化方面，其应用受到限制，更多用于道路、水利、建筑等非生态固化的领域。

非钙基固化剂指的是不含钙基的无机化合物、聚合物类、酶类、离子类等一种或几种物质组成的固化剂，生态性能较好。然而，国内在非钙基土壤固化剂的研发方面起步较晚，与国外相比，国内在非钙基土壤固化剂领域还存在一定的差距。

离子型土壤固化剂在我国的引进和应用也已经有数十年历史，取得了良好的应用效果。目前，离子型土壤固化剂已经广泛应用于隧道工程、道路工程、机场跑道和停车场等土壤工程领域，得到了很好的经济效益和社会效益［4-5］。张丽娟等对广州吉山地区的粉土质砂进行了击实和无侧限抗压强度试验，并探讨了离子土壤固化剂在该实验中的应用效果及其对土壤的压实性能和强度变化规律的研究［6］；罗小花对红黏土进行研究，认为石灰和水泥的掺入可以改善离子固化土的性能［7］。吴雪婷等联合离子土壤固化剂（ISS）和水泥进行了淤泥固化土的力学性质分析，认为水泥的掺入对离子固化土产生了负面影响［8］。

通过淤泥固化室内试验研究，了解固化剂掺量及土性成分对固化土的工程力学性质的影响，国内外对这方面的研究开展较多［9-12］。但是，由于室内试验不能够充分模拟现场实际的复杂状况，具有一定的局限性。国内外学者也开展了淤泥固化现场试验研究，但由于现场情况的复杂性和试验费用方面的原因，这方面的研究报道得不多。曾科林等探讨了现场水下浇筑对淤泥固化效果的影响［13］；张春雷等结合无锡五里湖疏浚泥的处理问题，利用湖泊疏浚泥固化筑堤，进行现场试验研究［14-15］；胡中威开展了武汉东湖淤泥前期固化土用水泥改性后的路用性质及其现场试验研究［16］。

利用非钙基固化剂加固土体的一些室内试验研究主要侧重于实践应用方面，而对非钙基固化剂加固土体的机理研究开展得较少，吴雪婷等利用扫描电镜拍摄和观测固化剂加固淤泥案例，研究土壤微观结构特征，揭示固化剂加固淤泥得机理［17］；崔德山利用电位试验研究离子固化剂改变土壤结合水膜厚度，揭示离子固化剂的离子交换和颗粒团聚作用等［18］。

非钙基固化剂加固土体的研究已成为当前土壤固化的研究热点，新型的非钙基固化剂的研制加固土体的研究并不多见；淤泥固化是解决环境污染和淤泥资源化利用的重要手段，目前这方面的研究多停留在室内试验研究，现场试验研究开展得不多；非钙基固化剂加固土体的工程实践研究开展得较多，而揭示加固机理得研究开展得不多。综上所述，非钙基土壤固化剂研发、淤泥固化室内外试验研究以及非钙基固化剂的加固机理研究成为目前研究发展的重要趋势。

本文以宁波地区工程疏挖淤泥为研究对象，利用自行研制的一种非钙基固化剂-水玻璃基淤泥固化剂制备固化土，通过室内土工试验研究固化土的力学性质；通过扫描电镜试验、压汞试验和界限含水量试验揭示其固化机理；并在此基础上通过某在建项目作为试验场地进行现场试验研究以评估固化效果和完善固化工艺。

1 室内试验

1.1 试验区工程地质条件及试验材料

试验原料土取自宁波鄞州区宁波惠力诚仪表有限公司（潘火路南）附近在建项目，项目场地处于浙东平原区，地貌类型属于海相沉积平原，地形平坦开阔。参照宁波市分层标准划分，试验区主要地层自上而下分布如下。

1）1-1 层。素填土。杂色，湿，松散，稍密。层厚0.3～1.0m。

2）1-2 层。黏土。灰色，软塑，高压缩性，层厚0.8～2.7m。

3）2 层。淤泥质黏土。灰色，流塑，高压缩性。层厚11.10～20.20m。

试验原料土来自2 层工程疏挖淤泥，呈现出淤泥的典型特征，含水量高、孔隙比大、高液限等（表1）。

表1 原料土物理性质指标Table 1 Physical property indicators of raw soil

1.2 固化土制备

固化剂采用自行研制的水玻璃基淤泥固化剂，为一种非钙基固化剂，固化剂配比采用水玻璃+表面活性剂+外掺剂的方式。按照固化剂和风干原料土的一定比例制备固化土，掺入比分别为0%，3%，5%，7%和9%。具体制备过程如下：原土风干碾碎后，将固化剂溶于一定质量的水后充分搅拌混合摇匀后撒入其中，拌合均匀；通过轻型击实试验确定固化土最大干密度和最优掺水量。最优掺水量指风干原料土的含水量加制备固化土土样时添入水量，不包含固化剂中水玻璃的水含量。最优掺水量和最大干密度随着固化剂掺量的增加，先逐步下降，当固化剂掺量为5%时，最优掺水量和最大干密度达到一谷值；当固化剂掺量为7%时，达到一峰值后又缓慢下降（图1）。

图1 最优掺水量和最大干密度与固化剂掺量关系Figure 1 Relationship between optimal water content，maximum dry density，and dosage of solidified agent

1.3 无侧限抗压强度试验

根据固化剂掺入比以及对应的最优掺水量和土样密度，进行静压制样。试样尺寸采用标准尺寸，长为8cm，直径为3.91cm 的柱状试样；制样完成，进行恒温恒湿标准养护（20±2℃，湿度大于95%）；将固化土进行标准养护6、13 和27d 后进行1d 浸水试验后，对固化土试样进行无侧限抗压强度试验，分析固化土无侧限抗压强度变化特征。

标准养护6d 后进行1d 浸水试验后，各掺入比的试样均被水泡散，无法完成无侧限抗压强度试验，故试样无侧限抗压强度FCu（7d）均为0；标准养护13d 后进行1d 浸水试验后，掺入比为0%和3%的试样被水泡散，之后随着固化剂掺入比的增加，无侧限抗压强度FCu（14d）先增加，掺入比至7%时，达到峰值，掺入比至9%时又开始下降；标准养护27d后进行1d浸水试验后，各掺入比试样的无侧限抗压强度FCu（28d）表现与FCu（14d）基本相同。具体试验结果参见表2。试样破坏时呈典型的脆断破坏特征，试样突然失去负载能力而快速断裂，斜断裂面上可见明显的细小碎片，见图2。

图2 试样破坏Figure 2 Sample failure

表2 无侧限抗压强度Table 2 unconfined compressive strength

在后续的标准固结试验、液塑限试验、扫描电镜试验和压汞试验中，均发现14d 试样和28d 试样各项指标均无明显差异，故认为试样14d 后各项指标基本保持稳定，以下分析均指采用14d 标准养护后试样。固化土的工程特性通常以强度指标为核心指标，掺入比为3%的试样在浸水试验中被水泡散，即水稳性不足，故认为掺入比3%的土样不具备工程应用价值，在后续的试验中不再考虑此掺入比的试样。

1.4 标准固结试验

分别根据固化剂掺入比0%，5%，7%和9%进行静压试样后，完成14d 标准养护。试样尺寸采用标准尺寸，高度为2cm，直径为6.18cm 的环刀试样。采用标准固结试验分析研究固化土的压缩特性。

经换算以后，得到的压缩性指标如表3 所示。由表3可见，掺入固化剂后，试样由高压缩性土向中等压缩性土转变，试样的压缩性先由高变低，掺入比为7%时，压缩性最低，随后至9%，压缩性又有所增高。

表3 压缩性指标Table 3 Compressibility index

2 固化机理分析

2.1 扫描电镜试验

采用扫描电镜可反映固化土某一平面的微结构特点。扫描电镜采用Tescan Vega3型扫描电子显微镜，二次电子分辨率3.0 nm，背散射电子分辨率3.5 nm。分别将原料土和固化土进行击实试验后，按最佳含水量和最大干密度制作圆柱土样。把原料土土样和固化土土样进行标准养护14d 后，收集试块中心的直径5～10mm 的土样，于60°C 左右烘干后，保存于无水乙醇中。采用扫描电子显微镜，选取2 000 倍放大倍数对土样表面进行观察与拍摄。图3（A—D）分别代表固化剂掺入比为0%、5%、7%和9%的击实土样的扫描电镜图。由图3可见，原料土击实土样（掺入比0%）颗粒呈鳞片状或条块状，线接触，架空孔隙结构；固化土颗粒结构呈团块状，随着固化剂掺入比增加，团块体积逐渐呈增大趋势，较大的孔隙被充填，团聚效果明显。

图3 扫描电镜照片Figure 3 Scanning electron microscope images

2.2 压汞试验

利用压汞试验可了解固化土土样孔径分布规律。压汞试验采用AutoPore IV 9500 压汞仪。压汞试验中，制备击实原料土（掺入比0%）样品和固化土样品的方法与扫描电镜试验相同。压汞试验结果如表4所示，可见随着固化剂掺入率增加，土样孔隙率小幅增加，中值孔径也小幅增加。

表4 压汞试验数据Table 4 Mercury intrusion test data

击实原料土（掺入比0%）和固化土的孔径-进汞累计分布曲线基本相似，如图4所示，进汞曲线两端较为平缓、中间陡峭。根据进汞曲线斜率情况将土样孔隙分为4 段：①大孔隙段（D＞2 500nm），曲线平缓，近似一斜直线，说明大孔隙含量很小；②中孔隙段（1 000nm＜D＜2 500nm），该段曲线斜率略小于大孔隙段，孔含量更小；③小孔隙段（50nm＜D＜1 000nm），该段曲线斜率最大，曲线陡峭，此段孔隙含量最大；④微孔隙段（D＜50nm），该段曲线斜率较小，即微孔隙含量很小。

图4 孔径-进汞累计分布曲线Figure 4 Accumulated distribution curve of mercury entering the pore size

固化土孔径-进汞累计分布曲线与原料土分布曲线相比，固化土大孔隙段曲线比原料土更为平缓，但差别很小；中孔隙段的斜率更为陡峭，这表明中孔隙在固化土中含量更高；小孔隙段几乎平行；微孔隙段斜率也更为陡峭。压汞试验表明随着固化剂掺入率增加，固化土孔隙率小幅增大，中值孔径亦小幅增大。

2.3 液塑限试验

淤泥土中黏土矿物含量高，具备很强吸水性，造成淤泥土强度低、含水量高、孔隙比大、渗透性小的特性。掺入固化剂后的固化土可以利用界限含水量测试，并与淤泥土界限含水量进行比对，完成液塑性指标分析。将标准养护14d 后固化土碾碎，利用液塑限联合测定仪，测定固化土液塑限，计算其塑性指数。

对比原料土和固化土的液塑限指标，如表5 所示，可见掺入固化剂后，土样塑限总体增大，液限总体降低，塑性指数总体减小，土样呈粉土化趋势。固化剂掺入量为5%时，塑性指数最低，之后随着掺入量的增加，塑性指数有所升高。

表5 固化土液塑限指标Table 5 Liquid plastic limit index of solidified soil

3 现场试验

场地为宁波鄞州区宁波惠力诚仪表有限公司（潘火路南）附近在建工程项目现场，原料土为2 层的淤泥质黏土。原料土经过7d以上的晾晒和风干，运至方便利用又不影响施工的区域堆放，含水量控制在15%以下。

3.1 基槽开挖、回填与养护

在施工现场划定5m×5m 试验区块，开挖及回填深度1.5m，放坡比1∶1。固化土下入基槽前，先将基槽底部夯打一遍；为防止下雨基槽积水，开挖排水沟和积水池，安排抽水设备。

结合室内试验方案，根据固化土技术要求，确定固化剂掺入比为7%，相应的最优掺水量为21.7%和最大干密度1.55g/cm3；固化土回填施工试验确定淤泥土料粒径要求小于2mm、含水量控制范围±2%、分层铺土厚度50cm，利用挖掘机分层碾压。

对已填筑完成的固化土洒水覆盖保温养护。养护周期为14d。

3.2 回填施工质量检测和控制

在施工质量检测过程中，采用环刀取样的方法；施工过程注意控制压实度指标，确保压实度达到或超过93%；每完成一层土的填筑后，需要进行土工试验，检测土的干密度并计算压实度。填土过程需要进行同步的测量工作，随时检查和控制填土面高程和填土厚度；对固化土层与层之间结合部处理土面过光时，采用锹或铁铲等，对土面进行刨除一层薄土表面的操作，刨除土表面的薄层可以增加土壤的粗糙度和表面积，提高层间的摩擦力和黏结效果。

3.3 竣工验收

竣工验收分为两种方式，一是采用现场取心的方式，利用室内土工试验完成无侧限抗压强度试验和标准固结试验；二是利用浅层平板载荷试验检验填土地基承载力。

现场取心完成回实验室完成制样后，浸水1d后进行无侧限抗压强度试验和标准固结试验，试验结果参见表6。试验结果与取心深度未呈现明显规律，同一掺入比取心样无侧限抗压强度值与的室内试验值相比，前者约为后者的70%。

表6 取心样土工试验指标Table 6 Soil test indicators for core samples

浅层平板载荷试验承压板选用0.5m×0.5m 方板，反力构架利用挖掘机架构组成，载荷则由挖掘机自重提供。

载荷试验加荷方式采用分级维持荷载沉降相对稳定法，加荷等级为10 级，荷载增量为50kPa，绘制p-S曲线如图5 所示。p-S曲线呈渐进破坏状态，曲线无明显转折点，无法确定极限荷载、地基承载力特征值fa可按s/b=0.01～0.015，所对应的特征值取为150～190kPa。而现场淤泥土的承载力特征值为60kPa，承载力提高2.5～3.1倍。

图5 p-S曲线Figure 5 p-S curve

4 讨论与分析

在固化土制备过程中，击实试验的指标采用的是最优掺水量，而非常规击实试验所采用的最优含水量。这是因为最优含水量除了风干原料土的含水量加制备固化土土样时添入水量之外，还包含固化剂组分中水玻璃所含水分，容易造成固化土制备时各组分的质量不易确定，所以本文采用了容易区分固化土各组分质量的最优掺水量。固化土的干密度随着固化剂掺量的增加，先降低，再增大，当固化剂掺量达到7%时，固化土干密度达到峰值，之后再有所下降。固化土干密度指标存在一最优掺量7%。影响固化土干密度指标存在两个方面因素，一是随着固化剂掺量增加，土颗粒黏结得更为紧密，固化土的干密度增大，另一方面随着固化剂增加，水玻璃所形成的胶体增多，而水玻璃胶体的密度较小，又会使得固化土的干密度减小，两个因素互相制约，达到一平衡点后，干密度达到峰值，这是使得固化土干密度指标存在最优掺量的原因。

固化土被水浸泡以后，会造成一定程度强度丧失，称之为固化土的水稳性，因此无侧限强度试验采用是养护14d，浸水1d 的测试方案。无侧限强度试验表明，固化剂掺入后，固化土有了较好的水稳性和较高的强度。利用标准固结试验测试固化土的压缩性表明，掺入固化剂后固化土由原来的高压缩性土演变成为中等压缩性土，压缩性有了很大的提高。与固化土的干密度指标存在一最优掺量相同，无侧限抗压强度指标和压缩性指标同样也存在存在一最优掺量7%。

扫描电镜试验表明，随着固化剂掺入比增加，土样颗粒由鳞片状或条块状向团块状演变，团块体积呈增大趋势，说明随着固化剂掺入比增加，颗粒之间黏结加强，团聚作用明显。压汞试验结果表明，固化土与击实原料土（掺入比0%）相比，孔径分布大体相似，其中大孔隙含量稍少，中、小、微孔隙含量稍多，说明随着固化剂掺入比增加，胶结物团聚体增加的同时，较小孔隙也有一定程度增加。液塑限试验表明，固化剂的加入，淤泥原料土有向粉土化转变的趋势，塑性指数明显降低，但随着固化剂掺入比的增加，塑性指数又有所上升，说明随着黏结物胶体的增加，土颗粒吸附结合水的能力有所提高。

与室内实验相比，现场试验取心土样的无侧限抗压强度有所降低，约为前者的70%。究其原因，一则是因为现场固化土搅拌时较室内试验时土颗粒粒径较大，固化剂和土颗粒未能充分混合，造成固结效果不足；二则利用挖掘机分层碾压时压实度只能控制在93%以上，土样干密度低于室内试验。

5 结论

1）室内试验、固化机理分析和现场试验表明水玻璃基淤泥固化剂切实有效，淤泥土料掺入固化剂后，无侧限强度和压缩性明显提高；土颗粒黏结效果增强，团聚作用明显；土性由黏性土向粉土化趋势转变。

2）随着固化剂掺入比的增加，固化土无侧限抗压强度先增加再减小，压缩模量亦先增加再较小，存在最佳掺入比7%。

3）随着固化剂掺入比的增加，土样颗粒由鳞片状或条块状向团块状演变，团块体积呈增大趋势；土样孔隙率小幅增加，中值孔径也小幅增加；塑限降低，液限升高，塑性指数增大。

4）受现场搅拌不均匀和压实度不足的影响，现场试验取心土样无侧限抗压强度有所降低，约为室内试验数值的70%。