离子型土壤固化剂改性淤泥排水固结试验研究

郑 洁，李行祖，王菁莪*

(1.武汉工程科技学院信息工程学院，湖北 武汉 430200；
2.中国地质大学(武汉)湖北巴东地质灾害国家野外科学观测研究站，湖北 武汉 430074)

淤泥及淤泥质土是我国东南沿海地区与内陆江、河、湖周边地区常见的软土，具有低强度、高压缩性、高流变性、低渗透性和触变性等不良工程性质，不宜直接作为建筑物地基。淤泥地基处理是工业民用建筑及道路、港口等工程所面临的重要课题[1-3]。目前工程实践中常用的淤泥及其他高含水率软土地基处理方法主要可分为3类[4-5]：第一类为排水固结法，或称预压法，包括堆载预压法和真空预压法两种，其目的是加速排出软土内的孔隙水，使地基沉降固结，从而提高地基承载力和地基土强度；
第二类为物理挤密法，主要通过碎石桩、灰土桩或水泥粉煤灰碎石桩等将地基土挤密，进而提高地基承载力，减少地基沉降量；
第三类为化学加固法，通过拌和或灌浆等方式将石灰、水泥或其他高分子材料注入地基土，使软土固化。

物理挤密和化学加固地基处理方法涉及大量的加固材料，往往造价较高，各类无机或有机固化材料的大量使用也可能会对环境造成一定的影响。排水固结法则因其成本低，对环境无污染而在淤泥地基处理工程中被广泛使用。对河道和湖泊等沉积物进行疏浚作业而产生的疏浚淤泥的固化处理也常使用堆载预压或真空预压等排水固结方法[6-7]。然而，由于淤泥往往含有较多的黏土矿物和有机质，具有较强的亲水性且渗透性较低，造成其排水过程十分缓慢，使排水固结作业过程时间成本较大。堆载真空联合预压、设置排水砂井及排水板，以及电渗等方法虽然可以一定程度加快淤泥排水速度，提高排水固结效率，但仍无法解决淤泥地基土低渗透性的问题[8-9]。

离子型土壤固化剂(ionic soil stabilizer，简称ISS)是一种溶于水后解离出大量阳离子，可与土颗粒之间发生离子交换作用，改变土壤矿物表面水化性质，进而提高土体水稳性与强度的土壤加固材料，因其成本低、施工方便、环境污染小已被广泛应用于路基加固工程中[10-12]。关于ISS与红黏土和膨胀土之间相互作用的研究成果表明，经过ISS改性后，黏土矿物表面结合水膜厚度明显减小，土颗粒亲水性显著降低，孔隙结构趋于密实，宏观表现为红黏土和膨胀土塑性指数降低，胀缩性减弱，强度与抗变形能力增大[13-15]。

基于ISS改性黏性土的机理，相关学者尝试将其应用于处理淤泥及淤泥质土，以改善其工程性质[16-17]。现有关于ISS改性淤泥及淤泥质土的研究主要测试了样品改性前后的成分与微观结构变化以及稳定性等，尚未系统开展ISS改性淤泥及淤泥质土的加速排水固结过程试验研究。鉴于此，本文通过开展真空预压与堆载预压模拟试验，测试了ISS改性淤泥的排水固结规律，分析了不同浓度ISS溶液对淤泥的改性效果，并结合改性前后淤泥土样品的阳离子交换量、塑性指数和渗透性等测试数据，对ISS改性淤泥加速排水固结过程的机理进行探讨，旨在为加速淤泥地基排水固结方法的研究提供参考。

1. 1 淤泥土样品

淤泥及淤泥质土广泛分布于我国东南沿海及内陆大型河流湖泊周边地区。湖北省武汉市地处长江中游，水系发达，河流湖泊众多，淤泥土分布广泛，区内大量工业及民用建筑，包括道路、港口、码头等基础设施均需兴建在淤泥及淤泥质土等软土地基上，这是该区域工程建设面临的主要岩土工程问题之一[18]。

本次试验研究的淤泥土样品取自武汉市洪山区某建筑地基，取样深度为地表以下1 m，淤泥土样品颜色为灰-灰褐色，呈流塑状态，含腐殖质及少量贝壳碎片，均一性较好。根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)，测得淤泥土样品的基本性质参数和颗粒级配曲线，见表1和图1。

表1 原状淤泥土样品的基本性质参数

图1 原状淤泥土样品的颗粒级配曲线

1.2 离子型土壤固化剂(ISS)

土壤固化剂大多为胶凝材料，主要作用原理是基于材料自身的黏结性使土颗粒胶结固化。与此不同的是，ISS加固机理则是通过离子交换作用，使黏土矿物表面结合水厚度和亲水性显著降低，然后通过机械压实提高土体密实度，从而提高其承载力和强度。目前国内外使用较成熟的代表性ISS产品主要有美国Fort Distributors公司生产的 Roadbond EN-1固化剂，澳大利亚Road Packer Group公司生产的Road Packer Plus固化剂，美国CBR Plus North America公司生产的 CON-AID/CBR Plus固化剂，以及中国香港Terra Smart公司生产的Road Shield固化剂等。本次试验所使用的ISS为自主研制的棉籽油基型ISS，其主要活性成分为棉籽油基磺化油，通过将棉籽油、浓硫酸和添加剂按照特定的体积比例，并控制混合速度、反应温度和反应时间进行制备[19]。

相较于水泥、石灰、粉煤灰等传统固化材料，采用ISS处理土体时，通常只需将原液稀释至1%以下的浓度状态即可，材料用量较少。此外，由于ISS可充分溶于水，开展固化作业时易于使用喷洒、渗入等工艺，而无需使用重型机械开展深层搅拌或高压灌浆等高能耗作业，其施工成本也相对较低，适合大面积使用。

土体固化材料的环境无害化要求如今越来越受到重视。棉籽油基型ISS主要成分为棉籽油基磺化油，是一种长碳链有机物，通常被作为表面活性剂在纺织、造纸等行业广泛使用，其溶于水后离散为大量包含磺酸基与有机烃链的高分子化合物，可与土体内的阳离子发生交换吸附，附着于土颗粒表面，该反应过程具有不可逆性。棉籽油基型ISS的主要成分及其与土体反应后的产物均不会生成新的有害物质，具有较好的环境稳定性，比传统胶凝性固化材料更加环保。

2. 1 淤泥土真空预压排水固结模拟试验装置

如图2和图3所示，为自主研制的淤泥土真空预压排水固结模拟试验装置，主要由排水固结组件、真空抽气组件和数据采集组件构成。其中，排水固结组件包括固结室、活塞板、导向杆和透水石及滤纸等，固结室为内径15 cm、高20 cm的密封圆柱缸，顶部设有排气孔与大气连通，底面设有排水孔，淤泥土样品置于固结室内的活塞板之下、透水石及滤纸之上，导向杆可使活塞板在固结室内上下运动过程中保持水平；
真空抽气组件包括缓冲缸、真空表和真空泵，缓冲缸顶面与固结室底面通过管路连通，用于盛放试验过程中从土样中排出的水；
数据采集组件包括位移百分表、表座和计算机，位移百分表固定在表座上，测头与活塞板顶面接触，通过数据采集软件实时记录活塞板的位移。

图2 淤泥土真空预压排水固结模拟试验装置示意图

图3 淤泥土真空预压排水固结模拟试验装置照片

2. 2 淤泥土堆载预压排水固结模拟试验装置

如图4和图5所示，为自主研制的淤泥土堆载预压排水固结模拟试验装置，主要由反力框架、加载组件、排水固结组件和位移测量组件构成。其中，反力框架包括底盘、反力横梁和立柱；
加载组件包括空压机、调压阀、气压千斤顶、压力传感器和传力筒等；
排水固结组件设于加载组件下方的底盘上，包括顶面敞开的半封闭式的固结筒(内径为46 cm，高为40 cm)，淤泥土样品置于固结筒内、压板之下，采用13根有机玻璃材质多孔管均布插入样品中模拟排水砂井，多孔管外径为20 mm，管侧壁间隔10 mm钻直径6 mm的圆孔，使管内外连通，多孔管内装有细石英砂，并通过圆筒形滤纸包裹，阻挡排水过程中土颗粒穿过；
位移测量组件包括位移百分表、表座和计算机，位移百分表固定在表座上，测头与盖板顶面接触，通过数据采集软件实时记录盖板的位移。

图4 淤泥土堆载预压排水固结模拟试验装置示意图

图5 淤泥土堆载预压排水固结模拟试验装置照片

2. 3 淤泥土真空预压排水固结模拟试验方法

ISS原液需加水稀释至一定的浓度后才能充分解离活性物质，使其与土颗粒间相互作用达到最佳的效果。由于不同种类淤泥的粒度组成和矿物化学成分存在差异，针对不同的处理对象需要进行最优ISS浓度测试。为了研究不同浓度ISS溶液对淤泥土样品排水固结过程的改性效果，分别将ISS原液稀释为与水的体积比分别为1∶50、1∶100、1∶150、1∶200、1∶250的5种配比浓度溶液与土样进行充分混合反应，加水量根据淤泥土样品实际含水率与设计含水率计算，具体操作方法如下：①取足量的原状淤泥土样品，测量其总质量与实际含水率，并计算样品中含水总体积；
②根据设计的ISS浓度配比与待测淤泥土样品设计含水率，以及淤泥土样品中已含水量，计算ISS原液用量与附加水量；
③按上述计算用量将土样、ISS原液与附加水量拌和均匀，并静置48 h，待ISS与土样充分反应后备用。为了测试更大含水率范围内淤泥土样品的固结排水过程，参考淤泥土样品天然含水率，本次试验将淤泥土样品的初始含水率设置为120%。

淤泥土样品真空预压排水固结模拟试验步骤如下：①在固结室底部依次放置直径为15 cm的透水石，并放置相同尺寸的滤纸，在活塞板外沿密封圈涂抹凡士林，以减小活塞板与固结室内壁的摩擦阻力，并保证装置气密性；
②将制备的淤泥土样品装入固结室至高度为17 cm，依次装入活塞板与固结室顶板，开启活塞板排气孔阀门，并将其推至与淤泥土样品顶面完全接触后关闭排气孔；
③安装位移百分表并使其测头与活塞板顶面接触，将位移百分表读数归零；
④连接固结室、缓冲缸与真空泵等其他组件，开启真空泵，使缓冲缸内真空度维持在95%，同时开始实时记录位移百分表读数，直至位移百分表读数每小时变化量小于0.01 mm时结束试验；
⑤重复上述步骤，依次开展原状淤泥土样品与分别通过不同浓度ISS改性淤泥土样品的真空预压排水固结模拟试验。

2. 4 淤泥土堆载预压排水固结模拟试验方法

堆载预压是地基处理工程常用的另一种排水固结方法，相比真空预压排水固结方法，该方法可提供更大的固结压力，以加速地基土孔隙水排出。为了模拟实际地基处理工程常用的排水砂井效果，自主研制的堆载预压排水固结模拟试验装置设置了模拟砂井，同时增大了样品尺寸，可更好地反映实际情况。

参考上述真空预压排水固结试验方法，选取代表性的ISS配比浓度改性淤泥土样品与原状淤泥土样品进行堆载预压排水固结模拟对比试验。具体试验步骤如下：①参照真空预压排水固结试验样品制备方法，配置含水率为55%的原状淤泥土样品与ISS改性淤泥土样品；
②在固结筒插入模拟沙井，并将样品装入固结筒内至高度为200 mm(孔隙比为1.43)；
③依次安装活塞板、传力筒，以及压力传感器、位移传感器和气压千斤顶；
④按照125 kPa、150 kPa、175 kPa和200 kPa的顺序分级施加活塞板上覆压力，同时实时采集活塞板沉降位移数据，直至位移百分表读数每小时变化量小于0.01 mm时施加下一级压力；
⑤重复上述步骤，依次开展原状淤泥土样品与代表性浓度ISS改性淤泥土样品的堆载预压排水固结模拟试验。

2. 5 样品亲水性试验方法

为了探讨不同浓度ISS溶液改性淤泥加速排水固结过程的机理与效果，分别测试了改性前后淤泥土样品中液塑限、阳离子交换量和渗透系数，用以分析样品的亲水性变化特征[13-14]。液限和塑限是黏性土的重要物理特性指标，可反映其宏观的亲水性与持水性能。塑性指数为液限与塑限之差，其值越大，表明土体在可塑状态的含水量范围越大，即其亲水性更强。阳离子交换量(CEC)是单位质量土体所能吸附的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等阳离子总量，以每千克土体中含有各种阳离子的物质的量来表示。由于黏土矿物表面具电负性，其表面吸附阳离子的量是控制颗粒表面吸附水量的主要因素，其值越大说明样品亲水性越强。黏性土的排水固结速度则与其渗透性直接相关，淤泥等软土排水固结速度缓慢的主要原因是其渗透系数通常极低。上述淤泥土样品的液塑限、阳离子交换量和渗透系数试验分别按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)规定的液塑限联合测定仪法、氯化钡缓冲液滴定法和变水头法开展。

3. 1 淤泥土真空预压排水固结模拟试验结果与分析

图6为原状淤泥土样品和不同配比浓度ISS改性淤泥土样品的真空预压排水固结模拟试验过程曲线，显示了各样品在真空预压条件下顶面沉降量随固结时间的变化规律。

图6 ISS改性前后淤泥土样品的真空预压排水固结 模拟试验过程曲线

由图6可以看出，淤泥土样品经过ISS改性后，排水固结速度显著加快，且样品最终固结沉降量有所增大。

表2列出了ISS改性前后淤泥土样品的真空预压排水固结模拟试验相关参数。

表2 ISS改性前后淤泥土样品的真空预压排水固结模拟试验参数

由表2可知：

(1) 未经ISS改性的原状淤泥完成固结累计用时为190 h，而经ISS改性后，淤泥土样品完成固结所需时间最低减少至67 h，时长缩短近64.7%。

(2) 经ISS改性淤泥土样品的最终固结沉降量也表现出随ISS浓度增加而增大的现象，其中，经过1∶50配比ISS溶液改性的淤泥土样品最终固结沉降量为72.53 mm，相较未经改性的原状淤泥提高了约3 mm，增幅为4.3%;经真空预压排水固结后，各ISS改性淤泥土样品的孔隙比均大幅下降，其由固结前的3.12降低至1.5以下。根据相关规范(GB 50007—2011)，当土样有机质含量在5%～10%之间、含水率大于液限且孔隙比小于1.5时，被定义为淤泥质土。可见，经过真空预压排水固结后，原状淤泥已从淤泥转为淤泥质土，工程性质得到提高。

3. 2 淤泥土堆载预压排水固结模拟试验结果与分析

上述不同浓度ISS改性淤泥真空预压排水固结模拟试验结果显示，淤泥土样品的排水固结速度和最终固结沉降量均随ISS浓度增加而增大，但考虑到实际应用的成本，ISS浓度并不是越大越好，需要考虑淤泥改性效果与ISS用量的经济效益平衡。因此，本次堆载预压排水固结模拟试验选取1∶100的ISS配比浓度改性淤泥土样品与原状淤泥土进行了对比测试，淤泥样品的初始孔隙比设置为1.43，与真空预压排水固结稳定后的孔隙比一致。

图7为在不同上覆压力条件下原状淤泥土样品和1∶100 ISS改性淤泥土样品的堆载预压排水固结模拟试验过程。

图7 ISS改性前后淤泥土样品的堆载预压排水固结模 拟试验过程曲线

由图7可见，经ISS改性后淤泥土样品在各级压力状态下的排水固结速度和最终固结沉降量均明显增大。

表3列出ISS改性前后淤泥土样品的堆载预压排水固结模拟试验参数。

表3 ISS改性前后淤泥土样品的堆载预压排水固结模拟试验参数

由表3可知：改性淤泥土样品固结总时长和最终固结沉降量分别为137 h和40.18 mm，其中固结总时长比原状淤泥缩短了近64 h，降幅为31.8%，改性淤泥最终固结沉降量较原状淤泥增大了4.74 mm，增幅为13.4%；
经堆载预压排水固结后，淤泥土样品的孔隙比降低至1以下，工程性质得到进一步改善。

3.3 ISS改性前后淤泥亲水性试验结果与分析

为了分析不同ISS配比浓度改性淤泥加速排水固结的机理，在真空预压排水固结模拟试验结束后，将试样取出，分别开展了样品阳离子交换量、液塑限、渗透系数和有机质含量测试试验，以测试淤泥土样品改性前后的亲水性，其试验结果见表4。

表4 ISS改性前后淤泥土样品的亲水性参数

由表4可知：

(1) 原状淤泥土样品经ISS改性后，改性淤泥土样品中阳离子交换量和塑性指数显著降低。其中，改性淤泥土样品中阳离子交换量受ISS的影响较为敏感，经配比为1∶250的相对较低浓度ISS改性后，其值即从初始的31.4 cmol/kg大幅降低至10.7 cmol/kg，降幅近66%,且随着ISS配比浓度增大至1∶50，改性淤泥土样品中阳离子交换量进一步降低至6.0 cmol/kg，较初始值降低了81%；
改性淤泥土样品中塑性指数从原始状态的17.4降低至接近10，降幅约38%。阳离子交换量和塑性指数是土体亲水性的重要指标，其数值越大，说明土体中含有细颗粒的黏土矿物越多、比表面积越大，其亲水性及处在可塑状态的土体含水量变化范围就越大。根据黏性土的分类标准，经ISS改性后的淤泥土样品已从原来的黏土性质转变为粉质黏土性质。

(2) ISS改性淤泥土样品亲水性的降低同样表现在渗透性的变化上，从原状和改性淤泥土样品的渗透系数可以看出，ISS的作用使原状淤泥的渗透系数最大提高2个数量级，可有效加速排水固结过程。

(3) ISS改性前后淤泥土样品中有机质含量略有降低，但降低幅度较小，说明ISS对淤泥中的有机质基本不产生作用，无法有效去除有机质。

3.4 ISS改性淤泥排水固结过程机理分析

淤泥及淤泥质土中含有较多的亲水性黏土矿物和有机质，受黏土矿物表面不平衡电场及有机质亲水基团的影响，土颗粒表面形成扩散双电层结构，包括吸附层与扩散层，见图8[20]。处于双电层内的水称为结合水，而处于双电层外不受影响的水称为毛细水及自由水[21]。

图8 ISS改性前后淤泥土颗粒表面形成的扩散双电 层结构示意图

如图8(a)所示，由于水分子具有极性，受土颗粒表面电场的影响，位于吸附层的水分子与土颗粒表面紧密吸附，呈定向排列，这部分水基本不能自由流动，称作强结合水。扩散层因距离土颗粒表面略远，水分子没有强烈的定向性，在受到外力时可发生少量的蠕动，但仍表现出一定的黏滞性，无法完全自由流动，黏性土表现出的可塑性正是由于弱结合水的黏结作用。处于扩散双电层之外的毛细水和自由水则完全不受土颗粒表面电场的影响，可以在水压作用下自由流动。

棉籽油基型ISS的基本单元包含“亲水头”和“疏水尾”两部分，前者为磺酸基，后者为含多个碳原子有机烃链的大分子化合物[19]。如图8(b)所示，经ISS改性后，“疏水尾”可将土颗粒表面的吸附阳离子覆盖，使其与水分子及其他可交换阳离子隔离，不易产生吸附作用，降低土颗粒表面的阳离子交换量和亲水性；
“亲水头”部分则可与吸附阳离子发生置换，将原交换性阳离子挤出，进一步降低可水化的阳离子数量。试验结果显示，经ISS改性后淤泥土样品的阳离子交换量下降可超过80%。这是由于ISS的作用使土颗粒表面双电层结构对水分子的吸附作用减弱，位于吸附层与扩散层的结合水量降低，黏滞性水膜减薄，并转换为可以自由流动的毛细水及自由水，更容易被排出土体。同时，由于结合水膜减薄，土颗粒之间黏结作用降低，改性淤泥的塑性指数可降低38%，可塑性明显减弱。

在细颗粒的黏性土中，孔隙包括有效孔隙和无效孔隙两部分。其中，有效孔隙是指相互连通，孔隙水可顺利流通的孔隙；
而无效孔隙则是指受结合水膜相互重叠影响，所形成的相对封闭的孔隙，孔隙水无法流通[22]。如图9所示，原状淤泥受较厚的结合水膜影响，存在较多无效孔隙，使有效渗流通道较少。相关研究表明，在黏性土中，结合水影响所造成的土体内无效孔隙体积可占总孔隙体积的85%以上，是造成黏性土渗透性极低的主要因素。经过ISS改性后，如图9所示，土颗粒表面结合水膜厚度降低，大部分封闭的无效孔隙开放连通，成为有效的渗流通道，显著提高了土体的渗透性，同时使土体在受力压实过程中可达到更大的密实度，进而提高其强度与承载力。

图9 ISS改性前后淤泥渗透性变化机理示意图

(1) 通过自主研制的真空预压与堆载预压模拟试验装置对原状淤泥土样品和不同浓度ISS改性淤泥土样品开展了排水固结模拟试验，试验结果表明：经过ISS改性后，淤泥土样品排水固结速度和最终固结沉降量均明显增大，且增幅随ISS溶液浓度的增加而增大。其中，真空预压排水固结模拟试验中改性淤泥土样品的孔隙比从3.12下降至1.5以下的时长比原状淤泥土缩短近64.7%，改性淤泥土样品的最终沉降量较原状淤泥土提高了约3 mm，增幅为4.3%；
加载预压排水固结模拟试验中，改性淤泥土样品孔隙比从近1.43下降至1以下，固结时间比原状淤泥土样品缩短了近31.8%，改性淤泥土样品的最终固结沉降量较原状淤泥土样品增加了4.74 mm，增幅为13.4%。

(2) 经ISS改性后，改性淤泥土样品的阳离子交换量由初始的31.4 cmol/kg降低至6.0 cmol/kg，降幅为近66%；
改性淤泥土样品的塑性指数由初始的17.4降低至接近10，降幅约38%；
改性淤泥土样品的渗透系数最大提高了2个数量级。ISS改性淤泥土样品的亲水性降低与渗透性提高是加速其排水固结过程的主要原因。

(3) 棉籽油基型ISS改性淤泥加速排水固结过程的机理包括两个方面：一是ISS的作用使淤泥土颗粒表面双电层结构对水分子的吸附作用减弱，结合水量降低，黏滞性水膜减薄，并转换为可以自由流动的毛细水及自由水，更容易被排出土体；
二是土颗粒表面结合水膜减薄使大部分封闭的无效孔隙开放连通，成为有效的渗流通道，显著提高了土体的渗透性。

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