离子型土壤固化剂改性淤泥排水固结试验研究_郑洁.pdf

引用格式：郑洁，李行祖，王菁莪离子型土壤固化剂改性淤泥排水固结试验研究安全与环境工程，（）：，（）：离子型土壤固化剂改性淤泥排水固结试验研究郑洁，李行祖，王菁莪（武汉工程科技学院信息工程学院，湖北 武汉 ；中国地质大学（武汉）湖北巴东地质灾害国家野外科学观测研究站，湖北 武汉 ）摘要：通过自主研制的真空预压与堆载预压模拟试验装置，对原状淤泥土样品与不同浓度离子型土壤固化剂（）改性淤泥土样品开展了排水固结模拟试验，结合改性前后淤泥土样品的阳离子交换量、塑性指数和渗透系数变化数据，探讨了 改性淤泥加速排水固结过程的机理。试验结果表明：与原状淤泥土样品相比，经 改性后淤泥土样品的排水固结速度加快 ，最终固结沉降量增大 ，阳离子交换量降低，塑性指数下降，渗透系数提高个数量级；改性淤泥加速排水固结过程的机理包括两个方面，一是 的作用使土颗粒表面结合水量降低，黏滞性水膜减薄，转换为更容易排出土体的毛细水及自由水；二是土颗粒表面结合水膜减薄使大部分封闭的无效孔隙开放连通，成为有效的渗流通道，显著提高了土体的渗透性。关键词：改性淤泥；离子型土壤固化剂；真空预压；堆载预压；排水固结试验中图分类号：；文章编号：（）收稿日期：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：国家自然科学基金项目（、）；中国博士后科学基金项目（）作者简介：郑洁（），女，硕士，讲师，主要从事岩土体工程性质方面的研究。：通讯作者：王菁莪（），男，博士，助理研究员，主要从事岩土工程测试与地质灾害防治等方面的研究。：，（，；，（），）：（），：；第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 淤泥及淤泥质土是我国东南沿海地区与内陆江、河、湖周边地区常见的软土，具有低强度、高压缩性、高流变性、低渗透性和触变性等不良工程性质，不宜直接作为建筑物地基。淤泥地基处理是工业民用建筑及道路、港口等工程所面临的重要课题。目前工程实践中常用的淤泥及其他高含水率软土地基处理方法主要可分为类：第一类为排水固结法，或称预压法，包括堆载预压法和真空预压法两种，其目的是加速排出软土内的孔隙水，使地基沉降固结，从而提高地基承载力和地基土强度；第二类为物理挤密法，主要通过碎石桩、灰土桩或水泥粉煤灰碎石桩等将地基土挤密，进而提高地基承载力，减少地基沉降量；第三类为化学加固法，通过拌和或灌浆等方式将石灰、水泥或其他高分子材料注入地基土，使软土固化。物理挤密和化学加固地基处理方法涉及大量的加固材料，往往造价较高，各类无机或有机固化材料的大量使用也可能会对环境造成一定的影响。排水固结法则因其成本低，对环境无污染而在淤泥地基处理工程中被广泛使用。对河道和湖泊等沉积物进行疏浚作业而产生的疏浚淤泥的固化处理也常使用堆载预压或真空预压等排水固结方法。然而，由于淤泥往往含有较多的黏土矿物和有机质，具有较强的亲水性且渗透性较低，造成其排水过程十分缓慢，使排水固结作业过程时间成本较大。堆载真空联合预压、设置排水砂井及排水板，以及电渗等方法虽然可以一定程度加快淤泥排水速度，提高排水固结效率，但仍无法解决淤泥地基土低渗透性的问题。离子型土壤固化剂（，简称 ）是一种溶于水后解离出大量阳离子，可与土颗粒之间发生离子交换作用，改变土壤矿物表面水化性质，进而提高土体水稳性与强度的土壤加固材料，因其成本低、施工方便、环境污染小已被广泛应用于路基加固工程中 。关于 与红黏土和膨胀土之间相互作用的研究成果表明，经过 改性后，黏土矿物表面结合水膜厚度明显减小，土颗粒亲水性显著降低，孔隙结构趋于密实，宏观表现为红黏土和膨胀土塑性指数降低，胀缩性减弱，强度与抗变形能力增大 。基于 改性黏性土的机理，相关学者尝试将其应用于处理淤泥及淤泥质土，以改善其工程性质 。现有关于 改性淤泥及淤泥质土的研究主要测试了样品改性前后的成分与微观结构变化以及稳定性等，尚未系统开展 改性淤泥及淤泥质土的加速排水固结过程试验研究。鉴于此，本文通过开展真空预压与堆载预压模拟试验，测试了 改性淤泥的排水固结规律，分析了不同浓度 溶液对淤泥的改性效果，并结合改性前后淤泥土样品的阳离子交换量、塑性指数和渗透性等测试数据，对 改性淤泥加速排水固结过程的机理进行探讨，旨在为加速淤泥地基排水固结方法的研究提供参考。试验材料 淤泥土样品淤泥及淤泥质土广泛分布于我国东南沿海及内陆大型河流湖泊周边地区。湖北省武汉市地处长江中游，水系发达，河流湖泊众多，淤泥土分布广泛，区内大量工业及民用建筑，包括道路、港口、码头等基础设施均需兴建在淤泥及淤泥质土等软土地基上，这是该区域工程建设面临的主要岩土工程问题之一。本次试验研究的淤泥土样品取自武汉市洪山区某建筑地基，取样深度为地表以下，淤泥土样品颜色为灰灰褐色，呈流塑状态，含腐殖质及少量贝壳碎片，均一性较好。根据 土工试验方法标准（），测得淤泥土样品的基本性质参数和颗粒级配曲线，见表和图。表原状淤泥土样品的基本性质参数 天然含水率天然密度（）颗粒密度（）液限塑限塑性指数有机质含量 图原状淤泥土样品的颗粒级配曲线 离子型土壤固化剂（）土壤固化剂大多为胶凝材料，主要作用原理是基于材料自身的黏结性使土颗粒胶结固化。与此不同的是，加固机理则是通过离子交换作用，使黏第期郑洁等：离子型土壤固化剂改性淤泥排水固结试验研究土矿物表面结合水厚度和亲水性显著降低，然后通过机械压实提高土体密实度，从而提高其承载力和强度。目前国内外使用较成熟的代表性 产品主要有美国 公司生产的 固化剂，澳大利亚 公司生产的 固 化 剂，美 国 公司生 产的 固化 剂，以及中国 香港 公司生 产 的 固化剂等。本次试验所使用的 为自主研制的棉籽油基型 ，其主要活性成分为棉籽油基磺化油，通过将棉籽油、浓硫酸和添加剂按照特定的体积比例，并控制混合速度、反应温度和反应时间进行制备。相较于水泥、石灰、粉煤灰等传统固化材料，采用 处理土体时，通常只需将原液稀释至以下的浓度状态即可，材料用量较少。此外，由于 可充分溶于水，开展固化作业时易于使用喷洒、渗入等工艺，而无需使用重型机械开展深层搅拌或高压灌浆等高能耗作业，其施工成本也相对较低，适合大面积使用。土体固化材料的环境无害化要求如今越来越受到重视。棉籽油基型 主要成分为棉籽油基磺化油，是一种长碳链有机物，通常被作为表面活性剂在纺织、造纸等行业广泛使用，其溶于水后离散为大量包含磺酸基与有机烃链的高分子化合物，可与土体内的阳离子发生交换吸附，附着于土颗粒表面，该反应过程具有不可逆性。棉籽油基型 的主要成分及其与土体反应后的产物均不会生成新的有害物质，具有较好的环境稳定性，比传统胶凝性固化材料更加环保。试验装置与试验方法 淤泥土真空预压排水固结模拟试验装置如图和图所示，为自主研制的淤泥土真空预压排水固结模拟试验装置，主要由排水固结组件、真空抽气组件和数据采集组件构成。其中，排水固结组件包括固结室、活塞板、导向杆和透水石及滤纸等，固结室为内径 、高 的密封圆柱缸，顶部设有排气孔与大气连通，底面设有排水孔，淤泥土样品置于固结室内的活塞板之下、透水石及滤纸之上，导向杆可使活塞板在固结室内上下运动过程中保持水平；真空抽气组件包括缓冲缸、真空表和真空泵，缓冲缸顶面与固结室底面通过管路连通，用于盛放试验过程中从土样中排出的水；数据采集组件包括位移百分表、表座和计算机，位移百分表固定在表座上，测头与活塞板顶面接触，通过数据采集软件实时记录活塞板的位移。图淤泥土真空预压排水固结模拟试验装置示意图 图淤泥土真空预压排水固结模拟试验装置照片 淤泥土堆载预压排水固结模拟试验装置如图和图所示，为自主研制的淤泥土堆载预压排水固结模拟试验装置，主要由反力框架、加载组件、排水固结组件和位移测量组件构成。其中，反力框架包括底盘、反力横梁和立柱；加载组件包括空压机、调压阀、气压千斤顶、压力传感器和传力筒等；排水固结组件设于加载组件下方的底盘上，包括顶面敞开的半封闭式的固结筒（内径为 ，高为 ），淤泥土样品置于固结筒内、压板之下，采用 根有机玻璃材质多孔管均布插入样品中模拟排水砂井，多孔管外径为，管侧壁间隔 钻直径 的圆孔，使管内外连通，多孔管内装有细石英砂，并通过圆筒形滤纸包裹，阻挡排水过程中土颗粒穿过；位移测量组件包括位移百分表、表座和计算机，位移百分表固定在表座上，测头与盖板顶面接触，通过数据采集软件实时记录盖板的位移。淤泥土真空预压排水固结模拟试验方法 原液需加水稀释至一定的浓度后才能充分安全与环境工程 ：第 卷图淤泥土堆载预压排水固结模拟试验装置示意图 图淤泥土堆载预压排水固结模拟试验装置照片 解离活性物质，使其与土颗粒间相互作用达到最佳的效果。由于不同种类淤泥的粒度组成和矿物化学成分存在差异，针对不同的处理对象需要进行最优 浓度测试。为了研究不同浓度 溶液对淤泥土样品排水固结过程的改性效果，分别将 原液稀释 为 与 水 的 体 积 比 分 别 为 、的种配比浓度溶液与土样进行充分混合反应，加水量根据淤泥土样品实际含水率与设计含水率计算，具体操作方法如下：取足量的原状淤泥土样品，测量其总质量与实际含水率，并计算样品中含水总体积；根据设计的 浓度配比与待测淤泥土样品设计含水率，以及淤泥土样品中已含水量，计算 原液用量与附加水量；按上述计算用量将土样、原液与附加水量拌和均匀，并静置，待 与土样充分反应后备用。为了测试更大含水率范围内淤泥土样品的固结排水过程，参考淤泥土样品天然含水率，本次试验将淤泥土样品的初始含水率设置为 。淤泥土样品真空预压排水固结模拟试验步骤如下：在固结室底部依次放置直径为 的透水石，并放置相同尺寸的滤纸，在活塞板外沿密封圈涂抹凡士林，以减小活塞板与固结室内壁的摩擦阻力，并保证装置气密性；将制备的淤泥土样品装入固结室至高度为 ，依次装入活塞板与固结室顶板，开启活塞板排气孔阀门，并将其推至与淤泥土样品顶面完全接触后关闭排气孔；安装位移百分表并使其测头与活塞板顶面接触，将位移百分表读数归零；连接固结室、缓冲缸与真空泵等其他组件，开启真空泵，使缓冲缸内真空度维持在，同时开始实时记录位移百分表读数，直至位移百分表读数每小时变化量小于 时结束试验；重复上述步骤，依次开展原状淤泥土样品与分别通过不同浓度 改性淤泥土样品的真空预压排水固结模拟试验。淤泥土堆载预压排水固结模拟试验方法堆载预压是地基处理工程常用的另一种排水固结方法，相比真空预压排水固结方法，该方法可提供更大的固结压力，以加速地基土孔隙水排出。为了模拟实际地基处理工程常用的排水砂井效果，自主研制的堆载预压排水固结模拟试验装置设置了模拟砂井，同时增大了样品尺寸，可更好地反映实际情况。参考上述真空预压排水固结试验方法，选取代表性的 配比浓度改性淤泥土样品与原状淤泥土样品进行堆载预压排水固结模拟对比试验。具体试验步骤如下：参照真空预压排水固结试验样品制备方法，配置含水率为 的原状淤泥土样品与 改性淤泥土样品；在固结筒插入模拟沙井，并将样品装入固结筒内至高度为 （孔隙比为 ）；依次安装活塞板、传力筒，以及压力传感器、位移传感器和气压千斤顶；按照 、和 的顺序分级施加活塞板上覆压力，同时实时采集活塞板沉降位移数据，直至位移百分表读数每小时变化量小于 时施加下一级压力；重复上述步骤，依次开展原状淤泥土样品与代表性浓度 改性淤泥土样品的堆载预压第期郑洁等：离子型土壤固化剂改性淤泥排水固结试验研究排水固结模拟试验。样品亲水性试验方法为了探讨不同浓度 溶液改性淤泥加速排水固结过程的机理与效果，分别测试了改性前后淤泥土样品中液塑限、阳离子交换量和渗透系数，用以分析样品的亲水性变化特征 。液限和塑限是黏性土的重要物理特性指标，可反映其宏观的亲水性与持水性能。塑性指数为液限与塑限之差，其值越大，表明土体在可塑状态的含水量范围越大，即其亲水性更强。阳离子交换量（）是单位质量土体所能吸附的、等阳离子总量，以每千克土体中含有各种阳离子的物质的量来表示。由于黏土矿物表面具电负性，其表面吸附阳离子的量是控制颗粒表面吸附水量的主要因素，其值越大说明样品亲水性越强。黏性土的排水固结速度则与其渗透性直接相关，淤泥等软土排水固结速度缓慢的主要原因是其渗透系数通