石灰改良淤泥質(zhì)土的試驗(yàn)研究

1、第 14 卷 第 34 期 2014 年 12 月1671 1815( 2014) 34-0273-05科學(xué)技術(shù)與工程science technology and engineeringvol. 14 no. 34 dec 2014 2014 sci. tech. engrg.石灰改良淤泥質(zhì)土的試驗(yàn)研究陳一新1，2王保田1，2張永奇1，2陳文軒3( 河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1 ， 巖土工程研究所2 ，土木與交通學(xué)院3 ，南京 210098 )摘 要 以擬建楊林船閘淤泥質(zhì)土開挖料綜合利用作為研究對(duì)象，以石灰作為改良劑，對(duì)不同摻灰量的改良淤泥質(zhì)土進(jìn)行砂 化試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、界限含水

2、率試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)研究結(jié)果表明: 采用摻石灰的改良方法，能夠快速降低淤泥 質(zhì)土的含水率，使土體從塊狀變成散粒狀; 隨著摻灰量的增加，石灰改良土最大干密度減小，最優(yōu)含水率增加; 摻灰量對(duì)液塑 限的影響較大; 隨著摻灰量的增加，石灰改良土的內(nèi)摩擦角 和黏聚力 c 顯著增大，壓縮性顯著降低。關(guān)鍵詞 淤泥質(zhì)土 石灰改良 砂化 抗剪強(qiáng)度 壓縮性中圖法分類號(hào) tu447;文獻(xiàn)標(biāo)志碼 a我國(guó)江河下游及沿海地區(qū)交通工程建設(shè)中不 可避免地產(chǎn)生大量的淤泥質(zhì)土，這類軟土具有含水 率高、孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高、滲透性低、 靈敏度高等不良工程特性，無法直接為工程所利用。 開挖出的大量廢棄淤泥質(zhì)土若

3、不進(jìn)行有效的利用將 造成資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染，如何高效處置這類 廢棄土是亟需解決的一個(gè)問題。對(duì)此，前人提出了 不少有效的處理方案，化學(xué)改良是目前處理淤泥質(zhì) 土的主要方法，如摻石灰、水泥、粉煤灰、石膏、水玻 璃等對(duì)淤泥質(zhì)土進(jìn)行改良固化16。其中摻石灰是 處理淤泥質(zhì)土最普遍和經(jīng)濟(jì)的方法。諸多研究證實(shí) 石灰改良各種特殊土的效果顯著，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)石 灰作為改性劑改良黏性土進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，河海大學(xué)王保田等對(duì)石灰改良膨脹土技術(shù)進(jìn)行了較系統(tǒng)研 究7，8，為該改良技術(shù)在工程上推廣應(yīng)用和有效的量的生石灰后，通過砂化試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、界限含水 率試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)等研究了石灰土的擊 實(shí)特性，液塑限特性，強(qiáng)度

4、特性和壓縮特性，為淤泥 質(zhì)土的改良方案選擇以及相關(guān)淤泥質(zhì)土工程的設(shè)計(jì) 提供科學(xué)依據(jù)和參考。1 試驗(yàn)材料與方法1. 1 試驗(yàn)材料淤泥質(zhì)土取自太倉(cāng)楊林船閘工地，在實(shí)驗(yàn)室中 按照土工試驗(yàn)規(guī)程( sl 2371999 ) 11對(duì)其的物 理性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表 1 所示。表 1 試驗(yàn)淤泥質(zhì)土的物理性質(zhì)指標(biāo)table 1 physical property indexes of mucky silt質(zhì)量控制奠定了基礎(chǔ)。張義貴等對(duì)石灰改良高含水天然含孔隙比水率/%塑限/%液限/%塑性黏粒含比重指數(shù)量/%有機(jī)質(zhì)含 土質(zhì)量/%類型率黏土作為路基填料進(jìn)行了試驗(yàn)研究，認(rèn)為摻石灰 能夠快速降低黏

5、土的含水率，使土體從塊狀變成散 粒狀，壓實(shí)后具有低壓縮性和高的強(qiáng)度 9。陳寶等 認(rèn)為不同地區(qū)的石灰改良土，由于天然土在結(jié)構(gòu)和 化學(xué)組成上的差異，以至于在強(qiáng)度、壓縮性改善程度 和特征規(guī)律上會(huì)因?yàn)橥撂烊?特性的不同而有所 不同10。因此現(xiàn)結(jié)合楊林船閘建設(shè)的實(shí)際情況，以該地 區(qū)的淤泥質(zhì)土為研究對(duì)象，在淤泥質(zhì)土中摻入不同2014 年 7 月 16 日收到第一作者簡(jiǎn)介: 陳一新( 1989) ，男，漢 族，浙 江杭州人，碩 士研究 生。研 究 方 向: 軟基處理與地基加固 等。 e-mail: yixinchen123 163. com。 521. 2725. 351. 9272. 67563. 08c

6、h 根據(jù)淤泥質(zhì)土的液限、塑限和塑性指數(shù)，可以判 斷該淤泥質(zhì)土屬于高液限黏土。該土的黏粒 ( 0. 005 mm) 含量為 56% ，超過了 50% ，而且液限很 高，所以其強(qiáng)度低，難以壓實(shí)，不能直接作為墻后回 填土使用，需要晾曬或改良后才能作為回填土料。 淤泥質(zhì)土風(fēng)干狀態(tài)如圖 1 圖 3 所示。通過圖 1 圖 3 可見: 將淤泥質(zhì)土直接晾曬，由于其滲透性很 小，水分很難快速排出，因此在表面的土層干了 的 情 況 下，中間的土層仍舊有很高的含水率，不 能達(dá)到填 料 要 求。 為此提出摻拌改良劑 ( 生 石 灰) 的方法來達(dá)到減水效果，并 改 良 土 料 的 壓 實(shí) 性和力學(xué)性質(zhì)。試驗(yàn)中生石灰作為

7、淤泥質(zhì)土改良劑單摻。生274科 學(xué) 技 術(shù) 與 工 程14 卷圖 1 表面風(fēng)干土狀態(tài)fig. 1 the surface state of soil after air dried fig圖 2 中間土層狀態(tài)fig. 2 the middle layer state圖 3 中間土捏后狀態(tài)fig. 3 the middle layer state after pinching石灰同樣取自楊林船閘工地，是未消解的塊狀生石 灰，經(jīng)測(cè)定氧化鈣含量 73. 5% ，氧化鎂含量 2. 3% ， 屬級(jí)生石灰。為了試驗(yàn)中，生石灰與淤泥質(zhì)土能 充分拌和，試驗(yàn)將塊狀的生石灰碾磨后過 2 mm 篩 后再利用。1.

8、2試驗(yàn)方法所有試驗(yàn)方法均按照水利部土工試驗(yàn)規(guī)程 ( sl 2371999) 進(jìn)行。1. 2. 1試樣制備在天然含水率 52% 的淤泥質(zhì)土中摻入不同摻 灰量的生石灰砂化，摻 灰量分別為 3% ，5% ，7% ， 9% 。悶料三天后將土料破碎，晾曬至最優(yōu)含水率附 近，按擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度，制成壓實(shí)度為 93% 的環(huán)刀樣，將環(huán)刀樣放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)， 養(yǎng)護(hù)齡期為 7 d、14 d 和 28 d。1. 2. 2砂化試驗(yàn)在淤泥質(zhì)土中摻入不同摻灰量的生石灰，悶料3 d 后觀察土體狀態(tài)變化。1. 2. 3擊實(shí)試驗(yàn)擊實(shí)試驗(yàn)設(shè)備為電動(dòng)擊實(shí)儀，依據(jù)土工試驗(yàn)規(guī) 程的 要 求，采用輕型擊實(shí)法分三層擊 實(shí)，每

9、 層 擊 25 下。1. 2. 4界限含水率試驗(yàn)將不同摻灰量的石灰土分別按照最優(yōu)含水率制 成 93% 壓實(shí)度的試樣，在養(yǎng)護(hù) 28 d 后，參照土工試 驗(yàn)規(guī)程，利用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀進(jìn)行試驗(yàn)。1. 2. 5直剪、壓縮試驗(yàn)為了研究不同摻量對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和壓縮性質(zhì) 的影響，試驗(yàn)設(shè)置了四個(gè)摻量 ( 3% ，5% ，7% ，9% ) 和同一齡期( 28 d) ，不同摻量的石灰土環(huán)刀樣在到 達(dá)齡期 28 d 時(shí)，進(jìn)行真空抽氣飽和，然后再分別在 直剪儀和壓縮儀上進(jìn)行試驗(yàn)。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2. 1淤泥質(zhì)土砂化試驗(yàn)在天然含水率的淤泥質(zhì)土中摻加不同摻量的生 石灰改良是一種快速有效和經(jīng)濟(jì)可行的辦法，向淤 泥質(zhì)土中摻生

10、石灰以后，土體的狀態(tài)就發(fā)生了明顯 的變化。由圖 4 可見，素土呈泥團(tuán)狀，用手捏只發(fā)生形 狀改變，土體不能被壓實(shí); 而摻入不同質(zhì)量生石灰的 改良土狀態(tài)均發(fā)生了明顯的變化，淤泥質(zhì)土摻石灰 后，土體從團(tuán)塊狀變成散體狀。圖 5 顯示從不同摻 灰量的改良土中挑出的土塊很容易用手捏碎的照 片，而且隨著生石灰摻量增加，土塊越來越容易捏 碎，這也表明在外力作用下改良土越來越容易被壓 實(shí)。從宏觀黏性變化可見，摻生石灰有利于天然土 的團(tuán)?；x散化，黏性大幅降低。圖 4 摻灰前后土體狀態(tài)fig. 4 the soil states before and after mixing lime2. 2擊實(shí)試驗(yàn)擊實(shí)試驗(yàn)的

11、結(jié)果整理為最大干密度和最優(yōu)含水 率與摻灰量的關(guān)系，如表 2 所示。34 期陳一新，等: 石灰改良淤泥質(zhì)土的試驗(yàn)研究275圖 5 土團(tuán)施加破碎力前后的狀態(tài)fig. 5 the soil states before and after applying the crushing force表 2 素土和改良土的最優(yōu)含水率與最大干密度 table 2 the maximum dry density and the optimal water content of plain soil and improved soil圖 6 改良土界限含水率與摻灰量的關(guān)系曲線 fig. 6 the curve of

12、 the improved soils limit water content and lime content為明顯。石灰摻入均導(dǎo)致液限略有增大，但隨著石 灰摻量的增加，石灰改良土液限變化不大。石灰土 塑限較素土明顯增大，并隨著摻灰量的增加而增大。 石灰改良土塑性指數(shù)由石灰摻量 0 增至 3% 時(shí)有所 增大，之后，當(dāng)石灰摻量從 3% 增至 9% 時(shí)，塑性指數(shù) 持續(xù)減小。其主要原因是，淤泥質(zhì)土中摻入石灰后，土樣類型最優(yōu)含水率 /%最大干密度 / ( gcm 3 )素土24. 81. 6603% 生石灰26. 31. 5905% 生石灰28. 21. 5307% 生石灰28. 41. 5252

13、+cao 與水反應(yīng)生成的 ca( oh) 2 ，解離出的 ca與黏 9 % 生石灰301. 480 表 2 為素土和改良土的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果。由表 可 2 見: 素土的最大干密度為 1. 66 g / cm3 ，最優(yōu)含水 率 24. 8% ，素土最優(yōu)含水率比天然土低將近 30% ， 而且素土的滲透性很差，在施工現(xiàn)場(chǎng)難以將土的含 水率降低到合適的碾壓范圍，因此難以壓實(shí)。而不 同方法改良的改良土最優(yōu)含水率在 26. 5% 30% ，改良土的最大干密度在 1. 48 1. 6 g / cm3 ，改良土的 最大干密度比素土低 ，改良土的最優(yōu)含水率比素土 有所提高，在素土與石灰拌和養(yǎng)護(hù)過程中，還可以使 土體

14、含水率降低 4% 10% ，這樣，天然含水率的素 土經(jīng)過拌灰后，土體含水率下降很快，而且由于摻入 石灰的良土滲透性增加，再通過晾曬，可以很快將含 水率低到最優(yōu)含水率附近，加快了施工進(jìn)度。由表可得，隨著摻灰量的增加，最 大干密度減 小，最優(yōu)含水率增加。其主要原因是，將石灰摻入素 土中時(shí)，石灰與土顆粒發(fā)生反應(yīng)，細(xì)小顆粒之間發(fā)生 凝聚膠結(jié)，形成較大顆粒，也就是所謂的團(tuán)粒化，其 改變了原來的土體結(jié)構(gòu)，使得土顆粒間孔隙減少，持 水能力增加，從而改變了土體的壓實(shí)性能。2. 3 界限含水率試驗(yàn)界限含水率試驗(yàn)結(jié)果整理為界限含水率與摻灰 量之間的關(guān)系，如圖 6 所示。由圖 6 可見，摻灰量對(duì)素土液、塑限及塑性指

15、 數(shù)影響比較大，尤其是對(duì)塑限和塑性指數(shù)的影響較土表面的 na + 、k + 等低價(jià)陽離子發(fā)生陽離子交換反 應(yīng)，進(jìn)而引起顆粒團(tuán)聚，減小了黏粒含量和土顆粒比 表面積，同時(shí)導(dǎo)致黏土顆粒含量及黏土顆粒周圍吸 附水膜變化。2. 4 石灰改良土抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)工程上一般都采用 28 d 齡期強(qiáng)度作為石灰處 理效果指標(biāo)，因此本文主要研究 28 d 齡期時(shí)的抗剪 強(qiáng)度指標(biāo)，以下為石灰改良土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)匯總 和石灰改良土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨石灰摻量的變化曲 線，如圖 7、圖 8 所示。由圖 7、圖 8 可見: 素土的內(nèi)摩擦角和黏聚力都比較小，當(dāng)摻入生石灰之后，內(nèi)摩擦角和黏聚力都有 明顯的增加，而且石灰改良土隨著摻

16、灰量的增加，c 值一直增大， 值也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，分析其主要原因?yàn)? 石灰與水接觸后，產(chǎn)生的 ca2 + 與吸附在土顆 粒周圍的陽離子發(fā)生離子交換，使土顆粒的雙電層 變薄，從而使黏土微粒團(tuán)聚成為較大的顆粒并相互 膠合，提高黏聚力。石灰中活性成分( cao，mgo) 及 ca( oh) 2 與水和土中的碳酸鹽會(huì)發(fā)生膠凝反應(yīng)并 產(chǎn)生碳酸化作用，提高土體的內(nèi)摩擦角。石灰摻量 越多，石灰與土顆粒間的反應(yīng)越大，黏聚力和內(nèi)摩擦 角也就增加的越多。2. 5 石灰改良土壓縮特性試驗(yàn)任何工程在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須要求回填土地基滿 足一定的變形條件，而地基的變形條件和土體的壓 縮性能有關(guān)，土體的壓縮性直接關(guān)系到工程安全

17、。 因此，有必要對(duì)素土和石灰改良土的壓縮變形特性 進(jìn)行比較試驗(yàn)研究。276科 學(xué) 技 術(shù) 與 工 程14 卷圖 7 改良土黏聚力與摻灰量的關(guān)系曲線( 飽和快剪) fig. 7 the curve of the improved soils cohesive strength and lime content( saturated quick shear)圖 8 改良土內(nèi)摩擦角與摻灰量的關(guān)系曲線( 飽和快剪) fig. 8 the curve of the improved soils angle of internal friction and lime content( saturated

18、quick shear)由圖 9 素土和石灰改良土 e-p 壓縮曲線可知， 素土壓縮曲線明顯較改良土陡，因此素土壓縮性高; 對(duì)于改良土，發(fā)現(xiàn)隨著摻灰量的增加，改良土壓縮曲 線逐漸變得平緩，壓縮性逐漸變低，這是因?yàn)殡S著摻 灰量的增加，石灰與土顆粒間的水化硬凝反應(yīng)更加顯著，生成更多的水化膠結(jié)物，使改良土能更好地膠 結(jié)在一起，并對(duì)顆粒之間的孔隙進(jìn)行填充，所以石灰 摻量多的改良土強(qiáng)度更高，壓縮性更小。由表 3 可知，素土的壓縮系數(shù)為 1. 01，為高壓 縮性土，摻入石灰后，28 d 齡期的 3% 石灰摻量改良 土壓縮系數(shù)為 0. 23，達(dá)到了中壓縮性土 ，而且隨著 摻量的增大，改良土的壓縮系數(shù)逐漸減小

19、，7% 和 9% 摻量的石灰土已經(jīng)達(dá)到了低壓縮性土的標(biāo)準(zhǔn)，說 明增加改良土摻量能明顯降低改良土的壓縮系數(shù)， 提高土體抵抗壓縮變形的能力。圖 9 不同摻灰量改良土 e-p 曲線fig. 9 the e-p curve of the improved soil with different lime content表 3 不同摻灰量改良土壓縮系數(shù)table 3 the compressibility of the improved soil with different lime content摻灰量 /%03579壓縮系數(shù) a / mpa 11. 010. 230. 110. 070. 063結(jié)

20、論( 1) 含水率高的淤泥質(zhì)土難以直接作為工程用 土，采用晾曬的方法不能有效降低含水率，工程用時(shí) 需要對(duì)土體進(jìn)行改良，結(jié)合晾曬來降低含水率到最 優(yōu)含水率附近能顯得更加經(jīng)濟(jì)。( 2) 摻生石灰經(jīng)過悶料后，土塊呈脆性，在壓力 作用下出現(xiàn)粉碎現(xiàn)象，土料可塑性降低，容易壓實(shí)。 摻灰量越大，砂化效果越明顯。( 3) 淤泥質(zhì)土摻入石灰之后，最優(yōu)含水率升高， 最大干密度減小，說明摻入石灰后，實(shí)際工程中更容 易達(dá)到要求的壓實(shí)度。隨著摻灰量的增大，最優(yōu)含 水率逐漸增大，最大干密度逐漸減少。( 4) 淤泥質(zhì)土摻入石灰后，液限略有增大，隨著 石灰摻量的增加，石灰改良土液限變化不大。石灰 土塑限較素土明顯增大，并隨著

21、摻灰量的增加而增 大。石灰改良土塑性指數(shù)由石灰摻量 0 增至 3% 時(shí) 有所增大，而當(dāng)石灰摻量從 3% 增至 9% 時(shí)，塑性指 數(shù)持續(xù)減小。( 5) 不同石灰摻量下，試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)明 顯增加，而且隨著摻量的增加，各個(gè)指標(biāo)都在上升; 同時(shí)試樣的壓縮性得到明顯的改善，隨著摻量的增 加，壓縮系數(shù)逐漸減小，土體從高壓縮性土變?yōu)橹袎?縮性土，甚至低壓縮性土，滿足了工程填土的要求。 因此利用低摻量石灰改良結(jié)合晾曬來處理淤泥質(zhì)土 是一個(gè)經(jīng)濟(jì)、有效的方法。參 考 文 獻(xiàn)1 張麗華，范昭平 . 石灰-粉煤灰改良高含水率疏浚淤泥的試驗(yàn) . 南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) ( 自然科學(xué)版) ，2013; 35( 1) : 9

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