石灰固化泥液塑限及不排水剪切强度试验研究.pdf
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1、第 3 5卷第 3期 2 0 1 3年 3月 人民黄河 YEL L OW RI VE R Vo 1 3 5 No 3 Ma r 2 01 3 【 水利水 电工程 】 石灰固化泥液塑限及不排水剪切强度试验研究 肖昭然 , 王红 星 ( 河南工业大学 土木建筑学院, 河南 郑州 4 5 0 0 0 1 ) 摘要: 针对某港口海相淤泥试样进行 了室内落锥试验和十字板试验等, 开展 了确定液、 塑限及不排水剪切强度的试验 研究。结合试验结果分析 了石灰掺入对阿太堡界限的影响 , 并对比了落锥试验和十字板试验确定的剪切强度。结果表 明: 对于原状淤泥, 石灰掺入引起液限明显增大, 但随着石灰掺量的增加,
2、 固化泥液限值逐渐减小; 落锥法测定固化泥液 限值 总体上 高于碟 式仪 测定的液限值 ; 石灰掺入 导致淤泥塑 限明显增 大, 且 固化泥塑 限随石灰掺 量的增加 而逐渐增 大 ; 传统搓条 法测 定的塑限值低 于落锥法测定的 塑限值 ; 石灰 固化 泥的塑性 指数 随石灰掺 量的增加而减小 ; 对 比落锥法和 十 字板剪切法, 两者在淤泥塑限附近的不排水剪切强度较为一致, 而液限附近对应的不排水剪切强度相差较大。 关键词:海相淤泥;液限;塑限;落锥试验 ;十字板剪切试验;剪切强度 中图分类号 :T U 4 l 1 2 文献标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s
3、 s n 1 0 O 0 1 3 7 9 2 0 1 3 0 3 0 4 3 Ex pe r i me nt a l St ud y o n At t e r be r g Li mi t s a n d Un dr a i ne d S he a r S t r e ng t h f o r Li me - S o l i d i fie d S e d i me nt s X I AO Z h a o r a n,W ANG Ho n g - x i n g ( C o l l e g e o f C i v i l E n n e e fi n g a n d A r c h i t e
4、 c t u r e ,He n a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,Z h e n g z h O U 4 5 0 0 0 1 ,C h i n a ) Ab s t r a c t :An e x p e r i me n t a l s t u d y o n At t e r b e r g l i mi t s a n d u n d r mn e d s h e a r s t r e n g t h s h a d b e e n c a r rie d o u t b y u s i n g f a l l c o
5、n e t e s t s a n d v an e s h e a r t e s t s o n c e r t a i n ma r i n e s e d i me n t s Th e e f f e c t o f l i me c o n t e n t o n At t e r b e r g l i mi t s wa s s t u d i e d,a n d t h e s h e a r s t r e n gth s d e t e r mi n e d b y f all c o n e and v a n e s he ar t e s t s we r e c
6、o mp are d Th e r e s u l t s s h o w t h a t :f 0 r r a w s e d i me n t s 1 i q u i d l i mi t i n c r e a s e s d ue t o l i me a d d i t i o n b u t d e c r e a s e s wi t h a n i n c r e ase i n l i me c o n t e n t ;l i q u i d l i mi t s d e t e rm i n e d b y f a l l c o n e a l e g e n e r
7、a l l y h i g h e r t h a n t h o s e d e t e r mi n e d b y Ca s a g r a n de a p p a r a t u s ;l i me a d d i t i o n l e a d s t o a n i n c r e a s e i n p l ast i c l i mi t a n d t h e n p l ast ic l i mi t i n c r e a s e s wi t h l i me c o n t e n t ;p l a s t i c l i mi t s d e t e rm i n
8、 e d b y t h r e a d r o i l i n g me t h o d a r e l o we r t h an t h o s e d e t e r mi n e d b y f a l l c o n e t e s t s ;p l a s t i c i t y i n d e x o f l i me - b a s e d s e d i me n t s d e c reas e s wi t h a n i n c r e a s e i n l i me c o n t e n t ;t h e u n d r a i n e d s h e ar s
9、 t r e n g t h s me a s u r e d b y f a l l c o n e t e s t s an d v a n e s h e a r t e s t s are c o mp a r a b l e a t p l a s t ic l i mi t s ,b u t t h e y a r e g r e a t l y d i ff e r e n t a t l i q ui d l imi t s Ke y wo r d s :ma r i n e s e d i me n t ;l i q u i d l i mi t ;p l ast i c l
10、 i mi t ;f a l l c o ne t e s t ;v a n e s h e a r t e s t ;s h e a r s t r e n gth 航道疏浚、 港口清淤等工程建设中将不可避免地产生大量 淤泥, 其主要特点是高含水量、 高孔隙比和低强度。因此, 很难 将高流态淤泥直接应用于实际工程, 需要利用固化稳定化技术 将淤泥转化为土工材料。在固化淤泥应用过程中, 必须首先研 究其剪切强度 、 压缩性和膨胀性等工程性质, 而这些工程性质 与著名的阿太堡界限存在一定联系, 许多学者对此进行了深入 研究” 。阿太堡界限又称界限含水量、 稠度界限, 由瑞典农 业学家 A t t
11、 e r b e r g 提出, 经 T e r z a g h i 等 完善后引入土力学领 域。为测定土体液 限, C a s a g r a n d e L o 于 1 9 3 2年设计 了 C a s a - g r a n d e 碟式液限仪。为克服碟式仪受人为因素的干扰, 以及碟 式仪的质量和刀型对试验结果影响大等缺点 , S h e r w o o d等 提 出利用落锥法确定土体液限。之后, 基于土体在界限含水量时 剪切强度的唯一性 , Wr o t h等 建议利用落锥法同时测定土体 的液限和塑限。目前, 确定土体液限、 塑限的室内试验主要分 为两类: 落锥仪试验, 即液、 塑限联
12、合测定法测定液限和塑 限; 碟式仪或锥式仪测定液限, 搓条法确定塑限。作为国家 标准和行业标准 规定的试验方法, 落锥法因操作简单、 受 人为因素影响小而广泛应用于美国、 日本、 加拿大和部分欧洲 国家。 国内外许多学者 对采用落锥法联合测定液限和塑限 进行了比较系统的研究, 并得出了许多有益的成果。利用落锥 仪测定液、 塑限, 我国学者是基于圆锥入土深度与对应含水量 在双对数坐标系中呈直线关系, 利用规范中规定的锥入深度确 定相应含水量, 从而得出土的阿太堡界限。F e n g等 关于 锥入深度与含水量之间双对数直线性的研究结论与我国国家 标准及行业标准中的相关规定一致。然而, 对于某些特殊
13、土, 双对数坐标系中圆锥人土深度与对应含水量呈非线性关系, 因 此无法依据线性关系确定土的液、 塑限” 。 收稿日期: 2 0 1 2 0 9 - 2 0 作者简介: 肖昭然( 1 9 5 8 一) , 男, 山东烟台人, 教授, 主要从事岩土方面的教学 及研 究工作 。 通信作者: 王红星( 1 9 8 6 一) , 男, 河南西华人, 硕士研究生, 研究方向为土力学。 E - ma il : y t g c wh x 1 2 6 e o m 1 2 7 人 民 黄 河2 0 1 3年第 3期 对于界 限 含水量 与不 排水 剪 切强 度 的关 系, 许 多 研 究 侧重于探索土液限所对应的
14、不排水剪切强度值。有 关试验结果表 明 , 土在塑 限状态 时对应的唯一强度 值是液 限 状态时对应 强度值的 1 0 0倍。S k e m p t o n等 的试验结果表 明, 塑限状态对应土的不排水剪切强度约是液限状态对应不排 水剪切强度的 1 0 0倍。该结论不但提供了计算塑限状态对应 不排水剪切强度的快捷方法 , 而且可 以确定液 、 塑限对应锥入 深度的比值。S k e m p t o n等利用十字板剪切试验得出 4种不同 塑性指数土的液限对应剪切强度为 0 7 01 7 5 k P a 。S k o p e k 等” 副认为 C a s a g r a n d e液限仪确定某种土液
15、限所对应剪切强度 为 1 3 k P a 。值得注意的是, Wr o t h等 通过分析不同种类土 液限对应的强度值 , 得出重塑土不排水强度值约为 1 7 k P a , 这 与 Y o u s s e f 等 得到的大量不同液限重塑黏土 的剪切强度平 均值约为 1 7 k P a 完全一 致。基于室 内十字板剪切试 验和 三轴 压缩试验所确定剪切强度相同的假设 , 液限对应剪切强度平 均值为 1 7 k P a被认为是最合适的剪切强度估算值 。 对于石灰固化土液、 塑限变化趋势, 尽管其塑限变化规律 十分一致, 但是许多学者 认为不同固化土的液限变化规 律不尽相同。有些学者 认为土的液限随
16、石灰含量 的增加 而增大 , 而部分学者 认为土的液限随石灰含量的增加而减 小。尽管在土的液限变化趋势方面存在争议 , 但研究者均认为 土的塑限随石灰掺量的增加而增大。因此, 对于盐分和有机物 含量相对较高的海相淤泥, 研究其液、 塑限随石灰掺量 的变化 规律 是有 必要的 。 笔者 着眼于研究石灰改性淤泥 的物理及 强度特 征 , 重 点通 过室内落锥试验及十字板试验分析石灰掺量对淤泥阿太堡界 限与不排水剪切强度的影响。对于石灰固化泥, 研究旨在揭示 其液限、 塑限及塑性指数随石灰掺量的变化规律。对比落锥试 验和十字板试验两种方法确定的剪切强度 , 着重研究液限、 塑 限状态对应的不排水剪切
17、强度。 试验材料与试样制备 1 1 疏浚淤泥情况 试 验所用淤泥取 自某海港 , 为海 相沉积 淤泥 。该 淤泥呈 黑 色, 发臭, 含较多盐分和腐殖质, 流塑状。X射线衍射结果 表 明, 海相淤泥主要矿物成分为石英 、 方解石和岩盐 , 并含伊利石 和高岭石等黏土矿物。x衍射荧光分析表明, 淤泥中除含硅 、 氧、 钙等主要元素外, 还含有氯、 钠 、 铁 、 镁等。试验用泥的基本 物理性质指标见表 1 。 表 1 淤泥基本物理性质指标 1 2 石灰 试验所用改性材料石灰中 C a O含量大于 9 0 , 有害成分 Mg O含量小于2 。在初始时刻及均匀搅拌 6 h和 2 4 h后, 固 液比
18、为 l: 5 的石灰 一淤泥混合料 p H值变化曲线见图 1 。其 中, 石灰掺量为石灰干重与淤泥干重之比。对于均匀搅拌 6 h 和 2 4 h的混合料, 当石灰掺量为2 3 时, 混合料 p H值趋 1 28 于稳定; 石灰掺量大于 3 时, 混合料 p H值几乎不变。因此, 将淤泥中石灰掺量确定为 0 、 3 、 6 、 9 , 相应淤泥 一石灰混 合料简称为 S D、 S D 3 L 、 S D 6 L 、 S D 9 L 。 石灰掺量船 图 1 石灰 一淤泥 的 p H 值 曲线 1 3 试 样 制备 将长时间均匀搅拌后的典型淤泥试样过 4 0 0 m滤筛, 剔 除尺寸大于4 0 0
19、m的贝壳、 碎屑等杂质, 并将筛后试样等分为 4份 , 分别进行原 状淤泥和均匀搅拌后石 灰固化泥的液 、 塑限测 定。试验过程中除进行落锥试验外 , 还进行了卡萨格兰德碟式 仪液限试验和十字板剪切试验 , 并且在每个含水量状态重复试 验操作 3次。 2 液、 塑限标准选定的讨论 不同国家所用圆锥及液限确定标准不同, 见表 2 。不同国 家落锥 仪的最主要差别在 于仪器结 构 、 圆锥 质量 和液限对应 锥 人深度。分析可知: 各个国家所用圆锥规格不尽相同; 即使部 分国家圆锥规格相同, 其液限确定标准也并非完全相同。笔者 采用 圆锥规格 为锥 角 3 0 。 、 圆锥 质量 8 0 g ,
20、同时 采用 锥 入深 度 1 7 、 2 0 mm两种液限标准 。 表 2不同国家所用圆锥规格 对于塑限选定标准, 许多国家仍保留采用传统搓条法测定 土的塑限。关于落锥法, 通常采用圆锥入土深度为2 m m时对 应的含水量为塑 限 。H a n s b o 经大 量试验 总结 出 土的不 排水剪切强度 r与圆锥锥 入深度 d之间 的关 系为 f:K Q a ( 1 ) 式中: K的取值依赖于锥角度数和剪切速率等; Q为圆锥质量。 对于特定规格的圆锥, 式( 1 ) 中 和 Q恒定 , 加之塑限对 应不排水剪切强度为液限对应不排水剪切强度 l O O倍的假定 , 可推导出液限对应锥入深度为塑限对
21、应锥入深度的 l 0倍。因 此 , 若采用 1 7、 2 0 mm液限标准, 利用落锥法确定塑限对应锥入 深度 为 1 7 、 2 0 m m。 3 试验结果及分析 3 1 液限变化规律 对于落锥法 1 7、 2 0 mm液限标准, 不同石灰掺量固化泥对 人 民 黄 河2 0 1 3年第 3期 应的液限见表 3 。无论对于 1 7 m m液限标准还是 2 0 m m液限 标准 , 石灰掺人均导致液限明显增大, 但随着石灰掺量的增加, 石灰固化泥液限值逐渐减小, 这与已有的研究结论一致” J 。 其主要原 因是 , 淤 泥 中掺入 石灰后, C a O与水 反应生 成的 C a ( O H) 发
22、生离子分解 , c a 与黏土表面的 N 、 K 等低价 阳 离子发生阳离子交换反应, 进而引起颗粒团聚和聚集, 从而减 小 了黏粒含量 和土颗粒 比表面积 。值 得注意的是 , 1 7 mm与 2 0 m m两种不同标准确定的液限值相差较大。 表 3 液 限 wL随石灰掺 量变化 规律 为了对比不同试验方法测定液限的差异, 基于淤泥试样进 行了卡萨格兰德碟式仪液限试验。碟式仪法与落锥法测定液 限对比见图2 。可以看出, 锥入深度为 1 7 、 2 0 m m, 落锥法测定 的固化淤泥液限值总体上高于碟式仪法测定的液限值。研究 结果与 L e fl a i v e等 的试验结果吻合。 曩 蓑
23、操 式 仪 法 伤 图 2两种方法测定的液限对 比 3 2 塑限变化规律 落锥法 1 7 、 2 0 m m锥入深度对应的淤泥塑限见表 4 。试 验结果表明, 石灰掺入后, 淤泥塑限明显增大 , 且随着石灰掺量 增加固化泥的塑限逐渐增大。这与学者普遍承认的研究结论 一 致 。淤泥塑限增大, 主要是石灰掺入导致黏土颗粒含 量及黏土颗粒周围吸附水膜变化所致。对于同一种固化泥, 1 7 、 2 0 mm两种塑限标准测定的塑 限值相差较小。也就是 说 , 锥入深度在 1 72 0 mm变化时 , 并不能引起塑限值的明 显 变化。 表 4 塑限 wP随石灰掺量变化规律 为了对比落锥法与传统搓条法的差异,
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