基于离心机法研究固化淤泥的土水特征曲线

基于离心机法研究固化淤泥的土水特征曲线
                                    胡孝彭1,赵仲辉2
   (1.重庆水利电力职业技术学院,重庆402160;2.河海大学岩土工程研究所,江苏南京210098)

    2·离心机法原理
   1907年,Briggs和Mclane[11]首次采用离心技术对土体吸力和含水率的关系进行了研究。离心机法的实质是用离心力场模拟重力场,试样置于离心机的离心管中在某一转速ni下以角速度ω旋转,重力加速度g的作用由离心加速度rω2代替(r为旋转半径),根据相似率,当N＊g为离心机加速度时,模型试验时间缩短为实际的1/N2,从而大大缩短了试验时间。
   离心试验如图1所示,把试样的底面视为基准水面(其距离旋转中心r0=9.8 cm),其势能E0等于零,试样中心距旋转中心r1,研究表明,该处的吸力数值上可近似为平均吸力值[12],其势能E1以单位质量的能表示它们的差值为:
           
   

    3·试验材料与方法
   3.1试验材料
   试验淤泥取自南京市西南长江下游的江心洲洲头,按水利部《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999)进行基本物理性质指标试验,得到淤泥的比重Gs为2.60,液限wL为51.5%,塑限wp为24%,砂粒含量为1.1%,粉粒含量为61.2%,粘粒含量为37.7%,根据土的分类标准(GBJ145-90),在塑性图上该种淤泥属于高液限粘土。采用的固化材料为南京市江南水泥有限公司生产的“钟山牌”32.5普通硅酸盐水泥。
   3.2　试验方法
   考虑到满足工程造价的经济性,我国一般对1.5倍液限左右的淤泥进行固化处理。试验首先调制淤泥的含水率为77%,然后分别向试验淤泥中加入水泥50 kg/m3、100 kg/m3、200 kg/m3、300 kg/m3(以每m3淤泥加入的水泥质量kg计),然后用小型电动搅拌机搅拌均匀,分三层装入水泥砂浆正方体试模(7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm)内,每层装入后应振动密实,保证排出其中的空气后再装入下一层,装满后用塑料袋密封并置于20℃左右、湿度>90%的混凝土标准养护箱中养护。24 h后退模,将试块用保鲜膜密封放入标准养护箱中养护7 d、28 d、56 d后用离心环刀(直径4.99 cm,高度5.09 cm)切样,抽气饱和后放入日立CR21型离心机,设定温度20℃ ,转速ni=0、650 rpm、1 200 rpm、2 200 rpm、4 000 rpm、7 500 rpm,由小到大共6级进行试验,每级转速下离心3 h,使吸力与离心力达到平衡。
   通常情况下,不考虑离心过程中试样的压缩,但对于淤泥这种特殊土,离心过程中试样的压缩变形量不容忽视。为了能更准确地描述固化淤泥的土水特征曲线,必须考虑试样高度变化量Δh(cm)带来的影响[13]。某一转速下运行3 h后,离心机停止工作,用游标卡尺测量试样高度变化量Δh,然后取出试样称重。待全过程完成后,将试样放入温度设定在105℃的烘箱中10 h以上烘干称重,计算各转速下试样的含水率w。试样初始高度等于离心环刀高度5.09 cm,某一转速下离心稳定后高度为(5.09-Δh)(cm),由图1可知,此时试样中心距旋转中心r1=r0-(5.09-Δh)/2,将其代入式(2)得到修正后的基质吸力ψ1(kPa)为:
             
   

    4·试验结果分析
   4.1水泥掺量对固化淤泥SWCC的影响
   图2为龄期7 d和28 d时不同水泥掺量下固化淤泥的土水特征曲线,首先从图2可以看出,水泥掺量越大,固化淤泥的初始饱和含水率越小,因为w=G′s/eSr,饱和度Sr为1,一般水泥颗粒的比重在3.1左右,固化淤泥的比重G′s测定结果如表1所示,可以认为固化淤泥的比重G′s随水泥掺量的增加而增大,加之添加的水泥与淤泥孔隙中的水分发生水解水化反应,消耗孔隙中水分的同时生成各种水化产物增多了固相组成,水泥掺量越大,水化产物对孔隙的胶结、填充作用越强,孔隙比e越小。其次,随着基质吸力的增大,含水率逐渐开始减小,不同土水特征曲线的性状呈现出一定的相似性,即吸力较小时土样仍然保持饱和或接近饱和状态,土水特征曲线基本均呈水平状态,吸力增大至某一临界值时,土体中最大孔隙不能抵抗该吸力作用而开始排水,该临界值被称为土体的进气值ψb,进气之后试样快速排水,含水率迅速减少,下降段的土水特征曲线斜率(亦即排水速率)恒定;所不同的是水泥掺量越大,土水特征曲线上对应的ψb也越大,这是因为水泥的掺入使得淤泥中低势能的水转化到水泥水化产物中,水泥掺量越大,水化产物生成量就越多,水泥水化产物凝胶为胶体尺寸的晶体结构颗粒,巨大的比表面积会吸附大量结合水,极大程度上提高了孔隙水的势能,只有达到较大吸力后才能够排出,从而呈现出了良好的持水能力。

             
   4.2　龄期对固化淤泥SWCC的影响
   图3为不同龄期下固化淤泥的土水特征曲线,在半对数坐标系中,横坐标表示修正后吸力ψ1,纵坐标表示质量含水率,从图3可以看出,随龄期的增加,同一水泥掺量的固化淤泥土水特征曲线呈现逐渐上移的趋势,相同含水率条件下,龄期较长的固化淤泥对应的基质吸力较大,相同基质吸力下,龄期较长的试样含水率较高。Fredlund等[14]指出可以通过作图法来确定进气值ψb:通过土水特征曲线下降段作斜直线与通过饱和含水率的水平直线的交点即为对应的吸力值。表2中进气值为采用该方法对图3(a)、图3(b)作图所得,可以看出,随着龄期的增长,固化淤泥进气值不断增大,这主要是因为养护龄期越长,水泥水化反应越充分,生成的水化产物对固化淤泥孔隙的填充、胶结作用越显著。值得注意的是,28 d时固化淤泥的进气值明显小于7 d时的进气值,而28 d与56 d之间进气值的差别不大,这说明龄期对固化淤泥土水特征曲线的影响逐渐趋于稳定。

   Fredlund和Xing[15]根据土体孔径分布曲线,基于统计分析理论给出了适用于所有土体类型的土水特征曲线表达式:
    
   式中θs为饱和体积含水率,θ为体积含水率,也可以是质量含水率w或饱和度Sr来代替,a、n和m拟合参数,a的大小在一定程度上反映了进气值的大小,n则反映了土水特征曲线下降段斜率的大小,m与残余含水率大小关系密切。采用上述模型对水泥掺量为50 kg/m3、100 kg/m3下土水特征曲线的试验数据运用最小二乘法进行拟合,得到结果如表2所示,可见,随着龄期的增加,a越来越大,也说明进气值随之增加,n值也有所减小,说明试样土水特征曲线下降段的斜率不断减小,亦即排水速率随之减缓。
            
      

     5·结论
   本文采用日立CR21型离心机量测了水泥固化淤泥的土水特征曲线,并研究了掺量和龄期对固化淤泥土水特征曲线的影响,试验结果表明:
   (1)采用离心机法快速测定固化淤泥的SWCC时,应考虑离心过程中试样压缩变形量对吸力计算带来的影响,提出了修正后的吸力计算公式以正确描述固化淤泥的土水特征曲线。
   (2)不同水泥掺量的固化淤泥的土水特征曲线的性状呈现出一定程度上的相似,水泥的掺加使得淤泥中低势能的水转化到水泥水化产物中,提高了原淤泥中孔隙水的势能,水泥掺量越大,固化淤泥的持水能力越强。
   (3)随着龄期的增长,水泥水化反应越充分,固化淤泥进气值不断增大,排水速率减缓,28 d与56 d的进气值差别不大,可见龄期对固化淤泥土水特征曲线的影响逐渐趋于稳定。

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