固化轻质吹填土配合比优化及工程特性研究

贺小青

(西安交通工程学院土木工程学院，陕西 西安 710300)

1 概述

随着港口城市经济贸易的繁荣发展，其基建项目日益增多，土地资源远远不足，需要依靠围海造陆来增加可利用土地面积和提高港口贸易的吞吐能力。吹填土由此而来，但其含水量高、压缩性大、抗剪强度低的特性导致其无法满足工程实践所需[1]，必须经过处理才能满足施工强度。传统处理吹填土的方法如真空预压法，在排水之前需要在泥浆表层根据软土层厚度和施工要求再次吹填0.5 m以上厚度的细砂或中砂来满足插板机等施工机械所需基本承载力要求，所用砂量巨大，人工砂费用昂贵，天然砂的开采还极大的破坏环境；饱和的砂土还易发生振动液化，喷砂冒水现象，严重影响施工环境和施工安全。对于吹填土固化技术，目前已有一些研究成果，如沈宇鹏等[2]对天津曹妃甸含氯盐吹填土采用S95级粒化高炉矿渣粉为主固化剂，添加硅酸钠、石膏粉和生石灰进行固化，研究固化剂和添加剂的配合比例以及养护龄期对固化土的强度影响，得出矿粉必须与添加剂配合使用才有效，添加剂中生石灰作用最明显。最新研究[3-6]表明对吹填土进行固化，并且加入发泡剂减轻吹填土质量，经过处理后的吹填土具有密度低、强度高、生态环保等优点，可以满足工程要求，而且预制固化轻质吹填土可以作为路基等常规地基土材料使用。

2 固化轻质土配合比优化

2.1 原样土基本物理性质分析

本文以连云港吹填土为基本材料，静水沉降法分析土样粒度成分如图1所示，在未加分散剂时，土体的固体颗粒粒径主要集中在0.005～0.075范围内，占 65%左右，加入分散剂以后，颗粒粒径仍主要集中在0.005～0.075范围内，含粉粒的量降低到55%左右，含黏粒的量达到40%左右，可将土样定名为粉质轻黏土。通过加分散剂前后试验结果对比，连云港吹填土具有一定的团聚性，这种团粒组成的土体强度不高，分散性较大。两组土样的不均匀系数Cu均大于5，曲率系数Cc均小于1，连云港滨海区吹填土为不良级配的土，不均粒土。

本次采用X射线衍射分析法，对连云港吹填土原样进行矿物成分全分析，含黏土矿物的量较高，其中含伊蒙混层和伊利石的量相对较高，是黏粒的组成矿物，因此该吹填土具有较强的亲水性，压缩性高，抗剪强度低。塑性指数18.5>17，且土中含有较多的黏粒和有机质，土的孔隙比较大，在物质成分和结构上决定了该软土具有高压缩性，高灵敏度；由于试验结果液性指数1.16>1.0，土体处于流塑状态，土体密实度较低，决定了土的强度较低，其矿物成分和物理性质指标如表1，表2所示。

表1 连云港吹填土矿物成分表

表2 连云港吹填土基本物理性质指标

2.2 固化轻质土配合比优化设计

根据经验选用含水泥固化剂的量为8%，粉煤灰固化剂A和发泡剂B，在室内做无侧限轴向抗压试验，通过变化发泡剂和粉煤灰的比例，得到不同含水量(55%，65%，75%)下的抗压强度值，如图2～图4所示。通过对比图2～图4可以发现，在其他条件保持不变的情况下，随着含水量的增加，抗压强度值总体呈现逐渐减小的趋势。在同一含水量下，含粉煤灰的量从2%增加到4%，抗压强度值先增加后减小，因此3%的粉煤灰较为合适。在3%的粉煤灰掺合下，含0.1%发泡剂的量得到的抗压强度最高，也可以从其他水的质量分数结果图观察到当A为3%，B为0.1%时其抗压强度最高，因此通过抗压强度值的变化趋势，得到最优配合比粉煤灰A∶发泡剂B=3∶0.1。

3 固化轻质吹填土工程特性研究

本文采用固化轻质吹填土与未固化同密度的轻质吹填土做物理力学性质对比试验来进行研究该配合比下吹填土的工程性质。未固化轻质吹填土是用聚苯乙烯材料填充在吹填土中，反复调整比例，达到与固化土体相同的密度和含水量。

3.1 无侧限抗压强度分析

试验中两种试样尺寸均为150 mm×150 mm(直径×高度)，密度为1.31 g/cm3,含水量为35%，在标准条件下养护7 d，14 d，28 d，60 d，分别进行无侧限抗压强度试验，所得应力应变曲线如图5，图6所示。从图5可以看出，固化轻质吹填土随着龄期的增加，峰值强度逐渐增大，60 d龄期抗压强度是7 d龄期的3.7倍，应力应变曲线呈现明显的应变软化现象，在应变为1.8%时达到峰值强度，土体开始呈现脆性破坏，土颗粒发生错动，结构重新调整之后又达到稳定应力水平。图6中龄期对未固化土体的强度影响不太明显，60 d龄期抗压强度仅为7 d龄期的1.2倍，应力应变曲线呈现典型的硬化特征，无屈服阶段。试验结果说明固化后的土体在养护龄期为28 d时的强度是未固化土体的7.5倍，养护龄期为60 d时，倍数增加到8.5倍，可知龄期对固化吹填土的强度影响较大。

3.2 压缩特性分析

固化后的吹填土具有脆性材料的特性，在破坏时呈现突然的破裂，对土体结构的扰动较明显，需对土样做侧限压缩试验分析其压缩特性，固化土样和未固化土样仍采用密度1.31 g/cm3,w(水)=35%的条件，固化土在标准条件下养护7 d，14 d，28 d，60 d，未固化土不养护，固化土样采用快速固结的方法，2 h加载一级荷载，未固化土样每级荷载按照24 h加载，得到的e-p曲线如图7所示。未固化吹填土孔隙比随荷载增大变化较大，而随着龄期的增加，固化吹填土的孔隙比变化越来越平缓，压缩特性越来越小。这个过程反映了吹填土与固化剂的水化反应在持续发生，生成的结晶逐渐填充土体孔隙，结构越来越密实，联结越来越强，孔隙内的水越来越少。从e-p曲线的变化趋势对比可以看出，当龄期大于28 d，曲线变化较小，说明28 d时内部反应基本结束，再增加龄期对压缩特性的影响较小。

3.3 渗透性分析

连云港吹填土属于粉质轻黏土，渗透性较小，因此采用变水头法测定其渗透系数，试样为直径61.8 mm、高40 mm的圆柱体，变水头计算公式如式(1)所示：

(1)

其中，a为变水头管截面积，cm2；Δt为时间，s；L为渗流路径，cm；A为试样的断面积，cm2；h1为开始水头，cm；h2为终止水头，cm。

仍然采用上述条件下的固化吹填轻质土和未固化轻质土样，上述结论表明养护28 d 情况下，固化土体的强度、压缩特性都较好，符合工程所需，因此本试验采用养护龄期为28 d。试验结果如表3所示，未固化吹填土的平均渗透系数为1.9×10-7，固化后的轻质吹填土渗透系数除去最大最小值，平均值为4.5×10-5，经固化的土体渗透性能较好，由于土体中的粉粒和黏粒经固化形成结构体系，不再随水流流动，不会再堵塞孔隙通道，因此具有较好的渗透性。

表3 龄期28 d渗透系数对比表

4 结论

1)分析了连云港吹填土的粒度成分、矿物成分和基本物性指标，得出其为粉质轻黏土，级配不良；矿物成分中原生矿物主要以石英为主，黏土矿物以伊利石和蒙脱石为主，吹填土具有较强的亲水性；孔隙比大，天然含水量大，所以压缩性高，抗剪强度低。

2)固化剂采用水泥和粉煤灰，含固定水泥的量为8%，变化含粉煤灰与发泡剂的量，对比各试样不同龄期下无侧限抗压强度，得到固化轻质土的最佳配比为水泥∶粉煤灰∶发泡剂=8∶3∶0.1。

3)养护龄期对固化轻质吹填土的影响较大，对未固化土体影响较小，固化土体应力应变曲线呈现明显应力软化现象，呈现脆性破坏，而未固化土体应力应变曲线具有明显应力硬化特征。

4)压缩试验e-p曲线表明，随着养护龄期增加，固化吹填土的孔隙变化越来越小，压缩性能得到改善，超过28 d影响趋于稳定，固化轻质吹填土的压缩性较未固化土体小很多。

5)渗透试验结果表明固化轻质吹填土的渗透系数较未固化土大2个数量级，经固化土体渗透性增加，具有了预制路基材料的可能性。