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基于離心機(jī)法研究固化淤泥的土水特征曲線

基于離心機(jī)法研究固化淤泥的土水特征曲線
                                    胡孝彭1,趙仲輝2
   (1.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,重慶402160;2.河海大學(xué)巖土工程研究所,江蘇南京210098)

    2·離心機(jī)法原理
   1907年,Briggs和Mclane[11]首次采用離心技術(shù)對(duì)土體吸力和含水率的關(guān)系進(jìn)行了研究。離心機(jī)法的實(shí)質(zhì)是用離心力場(chǎng)模擬重力場(chǎng),試樣置于離心機(jī)的離心管中在某一轉(zhuǎn)速ni下以角速度ω旋轉(zhuǎn),重力加速度g的作用由離心加速度rω2代替(r為旋轉(zhuǎn)半徑),根據(jù)相似率,當(dāng)N＊g為離心機(jī)加速度時(shí),模型試驗(yàn)時(shí)間縮短為實(shí)際的1/N2,從而大大縮短了試驗(yàn)時(shí)間。
   離心試驗(yàn)如圖1所示,把試樣的底面視為基準(zhǔn)水面(其距離旋轉(zhuǎn)中心r0=9.8 cm),其勢(shì)能E0等于零,試樣中心距旋轉(zhuǎn)中心r1,研究表明,該處的吸力數(shù)值上可近似為平均吸力值[12],其勢(shì)能E1以單位質(zhì)量的能表示它們的差值為:
           
   

    3·試驗(yàn)材料與方法
   3.1試驗(yàn)材料
   試驗(yàn)淤泥取自南京市西南長(zhǎng)江下游的江心洲洲頭,按水利部《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-1999)進(jìn)行基本物理性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn),得到淤泥的比重Gs為2.60,液限wL為51.5%,塑限wp為24%,砂粒含量為1.1%,粉粒含量為61.2%,粘粒含量為37.7%,根據(jù)土的分類標(biāo)準(zhǔn)(GBJ145-90),在塑性圖上該種淤泥屬于高液限粘土。采用的固化材料為南京市江南水泥有限公司生產(chǎn)的“鐘山牌”32.5普通硅酸鹽水泥。
   3.2　試驗(yàn)方法
   考慮到滿足工程造價(jià)的經(jīng)濟(jì)性,我國(guó)一般對(duì)1.5倍液限左右的淤泥進(jìn)行固化處理。試驗(yàn)首先調(diào)制淤泥的含水率為77%,然后分別向試驗(yàn)淤泥中加入水泥50 kg/m3、100 kg/m3、200 kg/m3、300 kg/m3(以每m3淤泥加入的水泥質(zhì)量kg計(jì)),然后用小型電動(dòng)攪拌機(jī)攪拌均勻,分三層裝入水泥砂漿正方體試模(7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm)內(nèi),每層裝入后應(yīng)振動(dòng)密實(shí),保證排出其中的空氣后再裝入下一層,裝滿后用塑料袋密封并置于20℃左右、濕度>90%的混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)。24 h后退模,將試塊用保鮮膜密封放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7 d、28 d、56 d后用離心環(huán)刀(直徑4.99 cm,高度5.09 cm)切樣,抽氣飽和后放入日立CR21型離心機(jī),設(shè)定溫度20℃ ,轉(zhuǎn)速ni=0、650 rpm、1 200 rpm、2 200 rpm、4 000 rpm、7 500 rpm,由小到大共6級(jí)進(jìn)行試驗(yàn),每級(jí)轉(zhuǎn)速下離心3 h,使吸力與離心力達(dá)到平衡。
   通常情況下,不考慮離心過(guò)程中試樣的壓縮,但對(duì)于淤泥這種特殊土,離心過(guò)程中試樣的壓縮變形量不容忽視。為了能更準(zhǔn)確地描述固化淤泥的土水特征曲線,必須考慮試樣高度變化量Δh(cm)帶來(lái)的影響[13]。某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行3 h后,離心機(jī)停止工作,用游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣高度變化量Δh,然后取出試樣稱重。待全過(guò)程完成后,將試樣放入溫度設(shè)定在105℃的烘箱中10 h以上烘干稱重,計(jì)算各轉(zhuǎn)速下試樣的含水率w。試樣初始高度等于離心環(huán)刀高度5.09 cm,某一轉(zhuǎn)速下離心穩(wěn)定后高度為(5.09-Δh)(cm),由圖1可知,此時(shí)試樣中心距旋轉(zhuǎn)中心r1=r0-(5.09-Δh)/2,將其代入式(2)得到修正后的基質(zhì)吸力ψ1(kPa)為:
             
   

    4·試驗(yàn)結(jié)果分析
   4.1水泥摻量對(duì)固化淤泥SWCC的影響
   圖2為齡期7 d和28 d時(shí)不同水泥摻量下固化淤泥的土水特征曲線,首先從圖2可以看出,水泥摻量越大,固化淤泥的初始飽和含水率越小,因?yàn)閣=G′s/eSr,飽和度Sr為1,一般水泥顆粒的比重在3.1左右,固化淤泥的比重G′s測(cè)定結(jié)果如表1所示,可以認(rèn)為固化淤泥的比重G′s隨水泥摻量的增加而增大,加之添加的水泥與淤泥孔隙中的水分發(fā)生水解水化反應(yīng),消耗孔隙中水分的同時(shí)生成各種水化產(chǎn)物增多了固相組成,水泥摻量越大,水化產(chǎn)物對(duì)孔隙的膠結(jié)、填充作用越強(qiáng),孔隙比e越小。其次,隨著基質(zhì)吸力的增大,含水率逐漸開始減小,不同土水特征曲線的性狀呈現(xiàn)出一定的相似性,即吸力較小時(shí)土樣仍然保持飽和或接近飽和狀態(tài),土水特征曲線基本均呈水平狀態(tài),吸力增大至某一臨界值時(shí),土體中最大孔隙不能抵抗該吸力作用而開始排水,該臨界值被稱為土體的進(jìn)氣值ψb,進(jìn)氣之后試樣快速排水,含水率迅速減少,下降段的土水特征曲線斜率(亦即排水速率)恒定;所不同的是水泥摻量越大,土水特征曲線上對(duì)應(yīng)的ψb也越大,這是因?yàn)樗嗟膿饺胧沟糜倌嘀械蛣?shì)能的水轉(zhuǎn)化到水泥水化產(chǎn)物中,水泥摻量越大,水化產(chǎn)物生成量就越多,水泥水化產(chǎn)物凝膠為膠體尺寸的晶體結(jié)構(gòu)顆粒,巨大的比表面積會(huì)吸附大量結(jié)合水,極大程度上提高了孔隙水的勢(shì)能,只有達(dá)到較大吸力后才能夠排出,從而呈現(xiàn)出了良好的持水能力。

             
   4.2　齡期對(duì)固化淤泥SWCC的影響
   圖3為不同齡期下固化淤泥的土水特征曲線,在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中,橫坐標(biāo)表示修正后吸力ψ1,縱坐標(biāo)表示質(zhì)量含水率,從圖3可以看出,隨齡期的增加,同一水泥摻量的固化淤泥土水特征曲線呈現(xiàn)逐漸上移的趨勢(shì),相同含水率條件下,齡期較長(zhǎng)的固化淤泥對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力較大,相同基質(zhì)吸力下,齡期較長(zhǎng)的試樣含水率較高。Fredlund等[14]指出可以通過(guò)作圖法來(lái)確定進(jìn)氣值ψb:通過(guò)土水特征曲線下降段作斜直線與通過(guò)飽和含水率的水平直線的交點(diǎn)即為對(duì)應(yīng)的吸力值。表2中進(jìn)氣值為采用該方法對(duì)圖3(a)、圖3(b)作圖所得,可以看出,隨著齡期的增長(zhǎng),固化淤泥進(jìn)氣值不斷增大,這主要是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng),水泥水化反應(yīng)越充分,生成的水化產(chǎn)物對(duì)固化淤泥孔隙的填充、膠結(jié)作用越顯著。值得注意的是,28 d時(shí)固化淤泥的進(jìn)氣值明顯小于7 d時(shí)的進(jìn)氣值,而28 d與56 d之間進(jìn)氣值的差別不大,這說(shuō)明齡期對(duì)固化淤泥土水特征曲線的影響逐漸趨于穩(wěn)定。

   Fredlund和Xing[15]根據(jù)土體孔徑分布曲線,基于統(tǒng)計(jì)分析理論給出了適用于所有土體類型的土水特征曲線表達(dá)式:
    
   式中θs為飽和體積含水率,θ為體積含水率,也可以是質(zhì)量含水率w或飽和度Sr來(lái)代替,a、n和m擬合參數(shù),a的大小在一定程度上反映了進(jìn)氣值的大小,n則反映了土水特征曲線下降段斜率的大小,m與殘余含水率大小關(guān)系密切。采用上述模型對(duì)水泥摻量為50 kg/m3、100 kg/m3下土水特征曲線的試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行擬合,得到結(jié)果如表2所示,可見,隨著齡期的增加,a越來(lái)越大,也說(shuō)明進(jìn)氣值隨之增加,n值也有所減小,說(shuō)明試樣土水特征曲線下降段的斜率不斷減小,亦即排水速率隨之減緩。
            
      

     5·結(jié)論
   本文采用日立CR21型離心機(jī)量測(cè)了水泥固化淤泥的土水特征曲線,并研究了摻量和齡期對(duì)固化淤泥土水特征曲線的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明:
   (1)采用離心機(jī)法快速測(cè)定固化淤泥的SWCC時(shí),應(yīng)考慮離心過(guò)程中試樣壓縮變形量對(duì)吸力計(jì)算帶來(lái)的影響,提出了修正后的吸力計(jì)算公式以正確描述固化淤泥的土水特征曲線。
   (2)不同水泥摻量的固化淤泥的土水特征曲線的性狀呈現(xiàn)出一定程度上的相似,水泥的摻加使得淤泥中低勢(shì)能的水轉(zhuǎn)化到水泥水化產(chǎn)物中,提高了原淤泥中孔隙水的勢(shì)能,水泥摻量越大,固化淤泥的持水能力越強(qiáng)。
   (3)隨著齡期的增長(zhǎng),水泥水化反應(yīng)越充分,固化淤泥進(jìn)氣值不斷增大,排水速率減緩,28 d與56 d的進(jìn)氣值差別不大,可見齡期對(duì)固化淤泥土水特征曲線的影響逐漸趨于穩(wěn)定。

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