第37卷第3期南京理工大学学报V01-37N o．3 2013年6月Joum al of N趴j i ng uni V e瑙i t y of Sci ence舳d T echn0109y Jun．2013
沙玲1’2，王国才3，金菲力3，陈龙珠1
(1．上海交通大学安全与防灾工程研究所，上海200240；2．浙江建设职业技术学院建筑工程系，浙江杭州311231；
3．浙江工业大学岩土工程研究所，浙江杭州310032)
摘要：为揭示混合轻质土的强度特性，该文对以工程废弃淤泥为原料土、发泡聚苯乙烯(E PS)颗粒为轻质材料配制并固化而成的淤泥再生混合轻质土的强度特性与强度机理进行了试验研究。通过不固结不排水三轴试验和直剪试验分析了E Ps颗粒体积分数、围压、养护龄期及水泥掺入比等因素对其强度特性的影响。结果表明：不同EPS颗粒体积分数和水泥掺入比下混合轻质土试样的p—g曲线呈线性关系，g=，印+0c。EPS颗粒体积分数越大，0c值越小，水泥掺入比越大，a值越大，两参数均对m值影响较小。在一定应力范围内，混合轻质土的抗剪强度包络线是一条直线，其抗剪强度与水泥掺入比、EPS颗粒体积分数、围压、龄期等均有关系。试样的抗剪强度随着围压的增大而增大。粘聚力随水泥掺入比的增大而
增大，随EPS颗粒体积分数的增大而减小。养护龄期越长，混合轻质土的强度和粘聚力越高。混合轻质土的强度发展机理与一般粘性土类似，其强度为粘聚分量、剪胀分量和摩擦分量之和。
关键词：淤泥；混合轻质土；强度特性；不固结不排水三轴试验；直剪试验
中图分类号：TU41l文章编号：1005—9830(2013)03—0441—06
E xper i m ent al s t udy on st r engt h pr openi es of m i】|【ed U ght w ei ght
soi l f I r om r ecyc l ed s l udge
Sha Li n91…，W ang G uocai3，Ji n Fe i l i3，C he n L ongzhu1
(1．Inst it ut e of En百neeI i I唱S出哆ar l d D i s as t er Pr event i on，Shanghai J i aot ong U m versi t y，Shan对l ai200240，C}l i na；
2．D epanm ent of A r chi t ect ur al E n西ne er i ng，Zhej i ang C ol l ege of C onst r uct i on，H a ngzhou311231，Chi na；
3．Ins t i t ut e of G e ot e chni ca l E n百ne er i ng，Zhej i ang U ni ve r si t y of Tec hnol ogy，H a ngzhou310032，C hi na)
A bst r a ct：I n or der t o r eV eal t he s t r engt h pm pe r t i es of Il l i xed l i ght w ei ght soi l，t he s t r en昏h pm pe r t i es
and m ech肌i s m of II l i xed l ight w ei gl lt soi l f r om r ecyc l ed sl udge a r e i nV es ti gat ed exper i m ent al l y，w hi ch i s pr epar ed and s ol i di fi ed w i t h t he engi nee r i ng w弱t e sl udge as r aw soi l a Il d exp锄ded pol yst yrene(EPs) bea ds as li ght m at er i a l s．T he dkct s of t he ce m ent cont ent，vol um e f hct i on，con6ni ng pr es s ur e a nd cur i ng a ge，e t c of E P S bea ds o n t hei r s t r engt h pI_openi es aI．e anal yze d by unc onsol i dat ed undr ai ned
收稿日期：2013—01一17修回日期：2013—03—25
基金项目：浙江省自然科学基金(Y1110371)；浙江省科技厅公益性技术应用研究计划(2012c31007)
作者简介：沙玲(1970一)，女，副教授，主要研究方向：软土地基处理及建筑材料特性，E-nl ai l：congcon999225@163．com。
引文格式：沙玲，王国才，金菲力，等．淤泥再生混合轻质土强度特性试验研究[J]．南京理工大学学报，2013，37
(3)：441—446．
投稿网址：hnp：／／nj l gd】【】【b．p印e m nce．org
新型小型工程机械442南京理工大学学报第37卷第3期
t r i a xi a l t es t and di r ect shear t es t．The r es ul t s s how t hat t he p—g cun r es of rI l i xed l ight w ei g}lt soi l a r e
l i near for di能r ent E P S bea ds V ol um e f‰t i on and c em e nt cont ent s，q=唧+“．ne l a r ger t he E P S bea ds vol um e f hc t i on i s，t he sm al l er t he va l ue of a i s，but t he val ue of m chal l ges a1i t de．T he l a唱er
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淤泥再生混合轻质土是一种将工程废弃淤泥、疏浚淤泥和废弃泡沫塑料、工业废料等废弃物通过加入水泥、粉煤灰等固化剂，并按一定比例配制固化而成的一种新型土工材料，具有质量轻、强度可调节以及施工简便等优点，在地基处理、边坡工程、管道填埋以及挡土墙背填土等工程应用中取得了较好的效果。这项技术对于环境保护、资源再生利用和经济的可持续发展具有重要的现实意义。目前，对于混合轻质土的物理力学特性和工程应用情况，国内外学者已进行了较多的研究工作¨。J，但这些研
究主要侧重于以砂土、粘土为原料土进行的研究，而以工程废弃淤泥质粘土作为原料土进行的研究则较少。由于混合轻质土由多种材料混合而成，基材和轻质材料等对其强度和变形的影响很明显，因而有必要对其影响因素及强度机理进行更深入的研究。为进一步揭示淤泥再生混合轻质土的强度特性及其影响因素，本文通过室内试验的方法研究了淤泥再生混合轻质土的强度机理、强度特性及强度指标，分析养护龄期、发泡聚苯乙烯(Expanded pol ys t yr ene，E Ps)颗粒体积分数、水泥掺人比和围压等因素对其强度的影响。
1试验结果及分析
为进一步揭示淤泥再生混合轻质土的强度特性和强度机理，以工程废弃淤泥作为原料土、E PS 颗粒为轻质材料、水泥为固化剂制备出试验所需试样，采用不固结不排水三轴试验和直剪试验，对淤泥再生混合轻质土强度特性进行分析，研究各因素对其强度的影响规律。
1．1试样制备、养护与试验方案
制备淤泥再生混合轻质土所用原材料主要有：淤泥、轻质材料、水泥和水等。其中，轻质材料采用球形EP s颗粒，其密度和堆积密度分别为0．030g／cm3和0．016g／cm3，淤泥和水泥等的基本物理力学性质指标参见文献[8]。试样制备好后，放在温度为(20±5)℃、湿度在95％以上的Ⅱ级养护室养护到规定的龄期。试验方法和试验方案详见文献[8]。
1．2U U试验结果
(1)p—q曲线
为分析E PS颗粒体积分数、水泥掺入比等因素对淤泥再生混合轻质土强度的影响，对龄期为28d、EP S颗粒体积分数9(EPS)分别为20％、30％和35％而水泥掺人比口。分别为10％、15％和20％的淤泥再生混合轻质土试样进行了不固结不排水三轴试验(U nc onsol i da t ed undr a i ned t r ia)【ial t e st)，简称U U试验，得到不同9(EPS)和不同届。下的p—g曲线，p=(盯。+2盯。)／3为平均正应力，g=盯。一盯。为偏应力，其中盯。为轴向应力，盯，为围压，其结果如图1和图2所示。
由图1和图2可知：对于同一水泥掺量和围压，试样的抗剪强度随着p(E Ps)的增加而降低；在一定的水泥掺量和妒(EPs)下，试样的抗剪强度随着围压的增加而增加，但增加的幅度不大；在一定的妒(EPS)和围压下，试样的强度随水泥掺量的增加而增加，且增加的幅度非常明显。一般来说，水泥掺量对淤泥再生混合轻质土密度的影
总第190期沙玲王国才金菲力陈龙珠淤泥再生混合轻质土强度特性试验研究443簇绒机
响不明显，但对其强度影响较大，而妒(EPs)对其
密度影响较大哺]。因此，为了使试样达到轻质性
的目的，应在轻质土中添加一定量的E PS颗粒
(一般不低于30％)，而水泥固化剂的掺人量取决
于具体工程对轻质土的强度和压缩性的要求。
妒(EPS户20％
母
里
廿
∞里睁
一里昏
ee22
皂
矗星昏
p附a
(a)晟=l O％
pno a
(b)卢。=15％
p岫a
(c)雠=20％
图l不同p(E PS)下试样的p—口曲线
600
500
400
300
200
100
p皤a
(a)妒(EPS)=20％
p^固a
(b)妒(E PS户30％
pn da
(c)妒(E PS)=35％
图2不同卢。下的p—口曲线
由图l和图2可知，在一定水泥掺量和
9(E Ps)下的淤泥再生混合轻质土的p—g曲线变
化趋势呈线性关系，可对其进行线性拟合，其结果
如图l和图2中实线所示。其拟合方程为
g=，印+a(1)
式中：m和a的拟合值见表1。
从表l可见，妒(E Ps)越大，a值就越小，而m
值的变化不大；口。对d值的影响比较明显，随着
口。的增大，d值也相应增大，而对m值的影响仍
旧不大。
表l系数m和口的拟合值
(2)抗剪强度指标
在土体强度与稳定性等的分析计算过程中，
可采用有效应力或总应力方法进行分析，相应地
其计算指标为总应力或有效应力指标。然而，在
实际工程应用时，由于超静孔隙水压力很难准确
量测，因此很多设计仍采用总应力的方法进行设
计与计算。基于此，本文采用U U试验来测定淤
亮晶晶眼贴
泥再生混合轻质土的抗剪强度指标，分析水泥掺
量、妒(EP S)、围压和龄期等因素对其指标的影响。
对围压分别为250kPa、350kP a和500kP a，
不同口。不同妒(EPS)和不同养护龄期下的淤泥
再生混合轻质土进行不固结不排水三轴试验，根
据试验结果绘制摩尔应力圆，得到应力圆的强度
包线，从而得到抗剪强度指标c和妒的值，其结果
如表2所示。从表2可知，在一定的妒(E PS)
(20％)和龄期(28d)下，混合轻质土试样的抗剪
强度指标随着水泥掺人量的增加而增大，粘聚力
c值增加了60％，而内摩擦角p增加了l倍还多。
在一定的水泥掺入量(15％)和龄期(28d)下，混
合轻质土试样的抗剪强度随着妒(E PS)的增加而
降低，其降低的幅值非常明显，尤其是粘聚力c
三
％％％一
_一
5
H
●●
●一岫
=
=
|1
一
j岫
鬻
南京理工大学学报第37卷第3期
值。以9(EPS)为20％作为基准，9(E PS)为30％
的试样c值降低了41％，而妒(E PS)为35％的试
。
样其c值降低了55％，但对内摩擦角妒的影响不塞
明显。
风门执行器表2混合轻质土U U试验强度指标
为说明养护龄期对试样强度的影响，表2还
给出了9(E Ps)为20％、卢。为15％，而龄期分别
为7d和28d的混合轻质土试验的抗剪强度指
标。由表2可知，龄期对混合轻质土试样的粘聚力的提高比较明显，但对内摩擦角的影响不明显。这是由于龄期太短，水泥还未完全水化，因而其强度较低。随着龄期的增加，混合轻质土中的水化产物逐渐增多，其强度也在逐渐增加。
1．3直剪试验结果
直剪试验由于仪器构造简单、测试简便快速，在土体强度指标的室内测试中应用较广。为进一步分析妒(E Ps)、口。等因素对淤泥再生混合轻质土强度指标的影响，本文还采用直剪仪测试了其抗剪强度指标。
数据处理时，选取剪应力r与剪切位移△Z关系曲线上的峰值点或稳定值作为抗剪强度I s，无明显峰值点时取剪切位移△Z等于4m m对应的剪应力作为抗剪强度|s。作抗剪强度与垂直压力的关系曲线，其结果如图3、图4所示，|s为抗剪强度，p为垂直压力。从图3、图4可见，对于同一妒(E PS)下的混合轻质土试样，抗剪强度随口。和垂直压力的增大而增大，且增加的幅度较大；对于同一卢。和垂直压力，试样的强度随着妒(EPs)的增加而降低，且降低的幅度非常明显。
由图3和图4可知，在一定水泥掺量和妒(E PS)下的淤泥再生混合轻质土的p一．S曲线变化趋势跟U U试验一样，同样呈线性关系，可对其进行线性拟合，其结果如图3和图4中实线所示。其拟合方程为
．s=pt an9+c(2)式中：c和妒分别为混合轻质土的粘聚力和内摩擦角，其拟合值见表3。
日
塞
∞
塞
日
塞
p晒a
(a)妒(EPS)=20％
p／l【P a
(b)妒(EPS)=30％
p恼a
(c)妒(E PS)：35％
图3不同p(E PS)下的p—S曲线
pn固a
(a)卢。=l O％
妒(EP S)=20％
pn固a
(b)卢。=15％
妒(EPS)=20％
p晒a
(c)芦。=20％
图4不同p。下的p—S 曲线
总第190期沙玲王国才金菲力陈龙珠淤泥再生混合轻质土强度特性试验研究445
表3直剪试验的抗剪强度指标
翌!垦堕2』丝星!!丝丝!芝堡垒型!：2 20101445．156．57
20151455．306．12
20201467．276．44
30101440．094．0l
30151447．7l3．96
30201449．245．35
35101430．024．22
35151433．024．42
35201435．274．8l
2015734．857．35
从图3和图4以及表3可见，妒(E PS)越大，c 值就越小，而妒值的变化范围不大。这是因为E PS颗粒
体积占据了水泥土的空间，土颗粒之间被E PS颗粒所隔开。E PS颗粒越多，所占据的空间越大，从而导致粘聚力降低。对于同一妒(EPs)，卢。对c值的影响比较明显。随着卢。的增大，c值也相应增大，妒值则变化不大。水泥作为混合土的固化剂，将土颗粒与E PS颗粒紧紧粘结在一起，使混合土的强度大为增强。水泥含量越高，混合土的粘聚力也就越高。
2混合轻质土的抗剪强度机理
适用于土的强度理论有很多，其中摩尔一库伦强度理论是目前被广泛采用的抗剪强度理论之一。这一理论认为材料的破坏为剪切破坏，在破坏面上的剪应力是法向应力的函数。作为一种新型的土工材料，混合轻质土的强度理论及机理与一般粘性土基本一致，但同时又有其特性。由于混合轻质土特殊的结构性，其粘聚力和内摩擦角这两个指标应表现出其结构特性，其强度公式可表示为
●=盯j gt arI妒j g+cj g(3)式中：c。。为混合轻质土的结构性粘聚力，妒i。为混合轻质土的结构性内摩擦角。
类似于一般粘性土，混合轻质土的强度可分成粘聚分量、剪胀分量和摩擦分量三部分，其强度发展机理如图5所示。
穴
倒
京
混合轻质土的强度机理可解释为：
(1)当混合轻质土受到外荷载时，土样内的胶结结构立即产生抵抗作用。即粘聚分量达到较小的应变时就发挥到最大；随着外荷载的增大，胶结结构逐渐遭到破坏，粘聚分量变小。
(2)当外荷载进一步增大，土样原有的结构逐渐遭到破坏，土颗粒之间重新排布，混合土的剪胀和摩擦分量开始发挥作用。
(3)随着混合土应变的继续增加，其摩擦分量也增加，但增加趋势逐渐减小，而剪胀分量发挥一定时间后也逐渐减小。
3结论
通过三轴试验和直剪试验研究了淤泥再生混合轻质土的强度特性，分析了卢小妒(EPS)和龄期等因素对其强度的影响，其主要结论如下：
(1)综合已有的粘性土和无粘性土强度机理研究成果，认为E PS颗粒混合轻质土的强度可分成三个部分：混合轻质土强度=粘聚分量±剪胀分量+摩擦分量。
(2)在不固结不排水三轴试验中，不同妒(E Ps)和卢。下的p—g曲线呈线性关系，可用公式g=唧+a表示。妒(EPS)越大，a值就越小，但m值变化不大。卢。对a值的影响比较明显，随着口。的增大，Q值也相应增大，但对m值影响不大。
(3)在不固结不排水三轴试验中，一定应力范围内的E Ps颗粒混合轻质土的抗剪强度包络线是一条直线，其抗剪强度与卢。9(E Ps)、围压、龄期均有关系。随着围压的增大，混合土试样的抗剪强度有增大的趋势；混合轻质土试样的粘聚力随届。的增大而增大，随妒(EP s)的增大而减小。龄期对强度和粘聚力的提高较明显，但对内摩擦角的影响不明显。教室直播系统
(4)在直剪试验中，淤泥再生混合轻质土的p一|s曲线呈线性关系，可用公式J s=Pt卸妒+c表示。试样的抗剪强度仍与p。、9(EP S)、法向应力、龄期有关系。妒(EPs)越大，试样的粘聚力就越小，内摩擦角也很小；卢。对粘聚力的影响比较明显，随着口。的增大，试样的c值也相应增大，9值变化不大。
参考文献：
应变
图5混合轻质土强度分-的示意图[1]李明东，朱伟，马殿光，等．EP s 颗粒混合轻质土的
