堿渣物理力學特性及動強度試驗研究

謝 濤，袁春坤，龔曉龍，李青美，陳 通，王元戰(zhàn)

(1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072；2.中國路橋工程有限責任公司，北京 100011；3.天津港(集團)有限公司，天津 300461；4.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙 410007)

文章編號：1005-8443(2020)06-0707-06

堿渣是利用氨堿法制堿過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，平均每生產(chǎn)1 t純堿，將會產(chǎn)生300～600 kg堿渣[1]。山東?；瘔A廠儲存超過2 000萬t的廢渣[2]，排放的堿渣堆積成山，污染了周邊地區(qū)的大氣環(huán)境和水環(huán)境[3]。連云港堿廠堆放的堿渣占地數(shù)十平方公里[4]，阻礙了土地資源的利用和開發(fā)，對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展造成了嚴重的不良影響[3]。自20世紀20年代以來，天津堿廠通過氨堿法大規(guī)模生產(chǎn)純堿[5]，由此產(chǎn)生并排放了大量堿渣，嚴重影響了天津港及其周邊地區(qū)的環(huán)境和安全。因此，對堿渣進行綜合利用，并解決其堆積占地和環(huán)境污染問題，是一個重要研究課題。將堿渣作為工程地基使用，用量大且施工工藝簡單，能有效解決堿渣堆積占地和環(huán)境污染問題。田學偉[6]和李顯忠[7]分別利用唐山堿廠和天津堿廠堿渣混合粉煤灰制成工程填墊土，經(jīng)室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗證明了堿渣用于地基填墊的可行性。于水軍等[8]研究了堿渣中游離氯離子對周圍土壤和地下水質(zhì)的影響，指出堿渣作為路基材料使用，符合公路建設標準和環(huán)保要求。

要將堿渣填埋作為地基大量應用于工程實際，首先要解決堿渣相關物理力學特性和承載力問題。由于堿渣與天然土類似，均為三相體系[9]，因而可借用土工試驗方法對其物理力學特性和承載力問題進行研究。嚴馳、李琳[10-11]等通過擊實試驗和壓縮試驗研究了堿渣在不同含水量下的壓縮特性，發(fā)現(xiàn)擊實堿渣與超固結(jié)黏土的壓縮變形特性相似。嚴馳等[12]通過室內(nèi)靜三軸試驗研究了堿渣在不同含水量、干密度和齡期下的強度，發(fā)現(xiàn)這些因素的改變會對堿渣的抗剪強度產(chǎn)生顯著影響，堿渣在最優(yōu)含水率狀態(tài)下的抗剪能力并非最高。而且堿渣在填筑施工中往往會受到相當大的壓實荷載作用，這使得堿渣填埋作為地基時往往處于超固結(jié)狀態(tài)。閆澍旺等[13]將堿渣與增鈣灰、粉煤灰、水泥等材料拌合后形成了堿渣拌合土，通過試驗驗證了堿渣拌合土可以用于構(gòu)筑房屋地基、路基等對變形和承載力要求較高的場地。

綜上，前人對堿渣的研究主要基于基本物理性質(zhì)試驗以及靜三軸試驗，對堿渣的基本物理性質(zhì)以及靜強度進行了研究。然而由于試驗土樣土質(zhì)以及試驗方法的不一致，導致對堿渣基本物理性質(zhì)的認識結(jié)論存在一定的出入。且現(xiàn)有的研究均是針對正常固結(jié)狀態(tài)的堿渣，而實際工程中的堿渣一般處于超固結(jié)狀態(tài)。另外，堿渣作為地基服役時往往會承受車輛等流動機械荷載的作用，前人得到的靜力作用下的堿渣強度不能反應動荷載作用下堿渣的強度變化規(guī)律。為此，本文擬針對天津港原狀堿渣，開展基本物理力學特性試驗和動三軸試驗，研究了堿渣的基本物理力學指標和循環(huán)荷載作用下超固結(jié)堿渣的強度變化規(guī)律，為堿渣應用于工程實際提供指導。

1 堿渣物理力學特性試驗

表1 試樣基本物理性質(zhì)指標

1.1 試驗材料及基本物理性質(zhì)

試驗所用堿渣為天津港原狀堿渣，取樣地點位于天津港北港池納渣坑，取樣深度為地下2～4 m。堿渣試樣呈白色，以粉粒為主，試樣表面濕滑、稍粘，觸摸之后有明顯澀感。根據(jù)土工試驗規(guī)程[13]，分別采用烘干法、環(huán)刀法、比重瓶法、液塑限聯(lián)合測定儀法對堿渣的含水率、天然密度、比重、孔隙比、液塑限進行測量，材料的基本物理性質(zhì)指標具體見表1。

1.2 直剪試驗

抗剪強度是材料剪斷時產(chǎn)生的極限強度，反映材料抵抗剪切滑動的能力。直剪試驗是測定材料抗剪強度指標最簡便快捷的方法，通過該實驗能夠在短期內(nèi)測得材料的抗剪強度指標。采用ZJ型應變控制式直剪儀對堿渣進行固結(jié)快剪試驗，固結(jié)垂直壓力分別取50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa。

試樣初始高度為2 cm，底面積為30 cm2。試驗開始前，先將試樣的上下底面貼上濾紙和透水石，并置于直剪儀的剪切盒中；試樣安裝完成后，按試驗需要在加壓杠桿上加砝碼盤和砝碼，通過加壓框架、傳壓蓋和透水石將垂向壓力依次傳遞給土樣；待土樣固結(jié)24 h后，開啟變速箱電機，以0.8 mm/min的速率對試樣進行快速剪切；剪切過程中記錄測力環(huán)百分表的指針示數(shù)，當示數(shù)保持不變或明顯后退時，停止試驗。

不同固結(jié)垂直壓力下堿渣的剪切應力與位移的關系如圖1所示，堿渣在各級垂直壓力作用下的剪切應力與位移的關系都為單峰曲線，峰值點對應的剪切應力即為堿渣在該垂直壓力下的抗剪強度。由圖1可得，堿渣的抗剪強度隨著垂直壓力的增大而增大，但增大趨勢逐漸減少。以垂向壓力P為橫坐標，抗剪強度τ為縱坐標，繪制得到堿渣抗剪強度與垂向壓力的關系曲線如圖2所示。擬合曲線與水平線的夾角即為堿渣的內(nèi)摩擦角φcu，與縱軸的交點即為堿渣的黏聚力ccu，由圖可得堿渣的抗剪強度指標：內(nèi)摩擦角φcu=9.8°，黏聚力ccu=36.9 kPa。

圖1 堿渣的剪切應力與位移關系圖

1.3 固結(jié)試驗

堿渣的壓縮特性是指堿渣受壓時體積壓縮變小的性質(zhì)，將直接影響堿渣地基的變形值。固結(jié)試驗是用于測定試樣壓縮特性最常用的方法，通過該試驗能夠得到試樣的壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)等參數(shù)。采用WG型單杠桿固結(jié)儀，選取3個不同深度處的(淺層：2～3 m、中淺層：6～7 m、深層：9～10 m)堿渣試樣進行標準固結(jié)試驗，獲得堿渣在不同埋深下的壓縮-回彈-再壓縮關系曲線。試驗的加壓等級p，共七級分別取12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。

試樣的初始高度為2 cm，底面積為30 cm2。試驗開始前，先將試樣的上下底面貼上濾紙和透水石，再放入固結(jié)容器中，并蓋好上部加壓蓋板；試樣安裝完成后，先施加1 kPa預壓荷載使各組件之間接觸良好，再將位移百分表讀數(shù)清零。然后分級施加荷載，每加一級荷載，按照一定的時間間隔記下位移百分表示數(shù)，直至試樣每小時變形量不超過0.005 mm。讀取最后一級荷載加載穩(wěn)定后的位移百分表示數(shù)后，開始回彈試驗，按前面分級加載的反向順序，逐級卸去荷載，并按照一定的時間間隔記下位移百分表示數(shù)，直至試樣每小時變形量不超過0.005 mm?；貜椩囼灲Y(jié)束后，重復上述壓縮試驗的步驟開始再壓縮試驗，整理數(shù)據(jù)即可得到堿渣試樣的壓縮-回彈-再壓縮曲線。

不同埋深下堿渣的壓縮-回彈-再壓縮曲線如圖3所示。由壓縮曲線可知，當固結(jié)壓力較小時，堿渣的孔隙比隨著固結(jié)壓力的增大而快速減??；當固結(jié)壓力較大時，相同荷載增量引起的孔隙比變化逐漸減小。在400 kPa的固結(jié)壓力作用下，堿渣的孔隙比能夠減小至初始孔隙比的2/3。將試樣從400 kPa的固結(jié)壓力下逐級卸荷回彈，其回彈變形速率呈先慢后快趨勢，試樣最終的回彈量僅占初次壓縮量的5%～10%。另外，試樣的再壓縮曲線基本呈直線形態(tài)，在300 kPa之前始終位于回彈曲線之上。但當固結(jié)壓力重新達到400 kPa后，試樣的孔隙比與初次壓縮時幾乎一致，試樣的再壓縮變形略微超過回彈變形。

3-a 淺層3-b 中層3-c 深層

表2 不同埋深下堿渣的壓縮特性指標

堿渣試樣在不同埋深下的壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)等壓縮特性指標見表2。根據(jù)土體壓縮性的劃分標準，當壓縮系數(shù)av≥0.5 MPa-1時為高壓縮性土。由表2可知，不同埋深下的堿渣的壓縮系數(shù)均遠大于0.5 MPa-1，這表明堿渣具有高壓縮性。與堿渣的壓縮指標相比，其回彈指數(shù)和再壓縮系數(shù)均相對較小，這表明堿渣經(jīng)預壓后的可壓縮性會顯著減小。因此，在實際工程中，可以采用堆載預壓的地基處理方法對堿渣地基進行處理。

2 堿渣動三軸試驗

2.1 三軸試驗方案

為了研究堿渣在循環(huán)荷載作用下的強度變化規(guī)律，解決堿渣的動承載力問題，擬對天津港原狀堿渣開展室內(nèi)動三軸試驗。所用儀器為英國VJ-Tech公司生產(chǎn)的DSC3000M全自動動三軸儀，該儀器操作簡便、精度高，能夠?qū)崟r了解試驗過程中各物理量的變化，性能可靠。

圖4 試驗的加載過程

試驗所用材料與前文一致，并將試樣制成直徑39.1 mm、高度80 mm的圓柱型試樣。試驗開始前，采用真空抽氣飽和法對試樣進行飽和，使堿渣試樣飽和度達到98%以上，飽和完成后將試樣裝入動三軸儀中。試樣安裝完成后，首先在圍壓σc下對試樣進行24 h的等向固結(jié)，對于正常固結(jié)試樣，試樣固結(jié)之后直接進入循環(huán)階段；對于超固結(jié)試樣，試樣須經(jīng)過回彈后再進入循環(huán)階段。循環(huán)過程為應力控制，循環(huán)前首先在極短時間內(nèi)施加與動偏應力σd等值的靜偏應力，再設定好循環(huán)荷載的頻率和循環(huán)次數(shù)，開始循環(huán)。循環(huán)結(jié)束后在剪切圍壓σs下進行不排水剪切，選取軸向累積應變達到15%作為堿渣不排水剪切試驗的停止條件。試驗的具體加載過程見圖4。

試驗主要分為2個部分，具體方案見表3。其中圍壓是指試樣所承受的周圍壓力，動應力比是指試樣循環(huán)過程中動偏應力與圍壓的比值，即CSR=σd/σc。超固結(jié)比是指試樣先期所承受的最大軸向荷載與目前所承受的最大軸向荷載之比。當比值大于1時，稱試樣處于超固結(jié)狀態(tài)；比值等于1時，稱試樣處于正常固結(jié)狀態(tài)。在試驗中一般都是利用固結(jié)圍壓與剪切圍壓的比值來作為試樣的超固結(jié)比[14]，即OCR=σc/σs。

2.2 動三軸試驗結(jié)果分析

表3 堿渣三軸試驗方案

2.2.1 圍壓的影響

堿渣在不同圍壓下的應力應變曲線如圖5所示。試樣在各圍壓下的應力應變曲線均存在峰值，取試樣應力應變曲線的峰值點作為其破壞點，破壞點對應的軸向偏應力q的一半即為試樣的不排水剪切強度Cu。由圖可得，當動應力比和超固結(jié)比一定時，堿渣試樣的應力應變曲線隨圍壓的增大整體向上移動，表明堿渣試樣的強度隨著圍壓的增大而增大。

堿渣在不同圍壓下的歸一化應力應變曲線如圖6所示。從圖中可以看出當動應力比和超固結(jié)比一定時，不同圍壓下堿渣的應力應變曲線的發(fā)展趨勢基本相同，即在試樣所處的地下2～4 m范圍內(nèi)，當動應力比和超固結(jié)比一定時，圍壓對堿渣歸一化應力應變曲線和歸一化不排水剪切強度的影響并不是十分明顯，由此在接下來的研究中主要以150 kPa圍壓來研究不同動應力比和超固結(jié)比對堿渣強度的影響。

圖5 堿渣在不同圍壓下的應力應變曲線

2.2.2 超固結(jié)比和動應力比的影響

當圍壓一定時，不同超固結(jié)比和動應力比對堿渣強度的影響如圖7所示。在相同的動應力比下，堿渣的強度隨著超固結(jié)比的增大而降低。這是由于在固結(jié)圍壓與動應力比相同時，超固結(jié)比越大，其剪切圍壓越小，意味著試樣在剪切過程中所受周圍荷載的約束減弱，導致堿渣的強度隨著超固結(jié)比的增大而降低。

圖7 超固結(jié)比和動應力比對堿渣強度的影響

在相同超固結(jié)比下，堿渣的強度不隨動應力比的增大而單調(diào)變化。當堿渣處于正常固結(jié)狀態(tài)時，堿渣的強度隨動應力比的增加而逐漸降低，這是因為循環(huán)荷載會使堿渣的孔隙水壓力逐漸增大。根據(jù)有效應力原理，當外力一定時，試樣的孔隙水壓力與試樣的強度成反比。因此，正常固結(jié)堿渣的強度隨動應力比的增加而逐漸降低。而當堿渣處于超固結(jié)狀態(tài)時，在循環(huán)荷載作用下，其強度受到循環(huán)壓縮與剪脹效應的共同影響。剪脹會使試樣的孔隙水壓力逐漸減小，當剪脹效應大于循環(huán)壓縮效應時，即動應力水平較低時，堿渣的強度會逐漸升高。而隨著動應力比的增大，循環(huán)壓縮效應又逐漸占據(jù)主動，堿渣的強度又會逐漸降低。特別當動應力比為0.4時，重超固結(jié)試樣(OCR=4、6)在循環(huán)過程中已發(fā)生破壞，堿渣的強度已大幅度降低。因此，超固結(jié)堿渣的強度隨著動應力比的增大先增加后減小。

3 結(jié)論

針對天津港原狀堿渣開展了基本物理力學特性和動三軸試驗，研究了堿渣的基本物理力學指標和循環(huán)荷載作用下的強度變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

(1)堿渣在各級垂直壓力作用下的剪切應力與位移的關系都為單峰曲線，其剪切應力隨著垂直壓力的增大而增大，但增大趨勢逐漸減少。

(2)堿渣具有高壓縮性，與堿渣的壓縮指標相比，其回彈指數(shù)和再壓縮系數(shù)均相對較小，這表明堿渣經(jīng)預壓后的可壓縮性會顯著減小。在實際工程中，可以采用堆載預壓的地基處理方法對堿渣地基進行處理。

(3)當動應力比和超固結(jié)比一定時，堿渣的強度隨著圍壓的增大而增大；當圍壓和動應力比一定時，堿渣的強度隨超固結(jié)比的增大而逐漸降低。對于正常固結(jié)堿渣(OCR=1)，當圍壓一定時，堿渣的強度隨動應力比的增大而逐漸降低，對于超固結(jié)堿渣(OCR>1)，當圍壓和超固結(jié)比一定時，堿渣的強度隨動應力比的增大先增大后減小。