浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2021, 55(3): 530-538 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.03.013

土木与交通工程

低掺量水泥固化土的力学特性及微观结构

孙海超,, 王文军,, 凌道盛

1. 浙江大学 岩土工程研究所 软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江 杭州 310058

2. 浙大宁波理工学院土木建筑工程学院，浙江 宁波 315100

3. 浙江大学 宁波研究院，浙江 宁波 315100

Mechanical properties and microstructure of solidified soil with low cement content

SUN Hai-chao,, WANG Wen-jun,, LING Dao-sheng

1. MOE Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering, Institute of Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

2. School of Civil Engineering and Architecture, NingboTech University, Ningbo 315100, China

3. Ningbo Research Institute, Zhejiang University, Ningbo 315100, China

通讯作者: 王文军，男，副教授，博士. orcid.org/0000-0003-2894-8840. E-mail： wwjcumt@nit.zju.edu.cn

收稿日期: 2020-02-7  

基金资助: 浙江省自然科学基金资助项目（LY19E080013）；国家重点研发计划资助项目（2016YFC0800200）

Received: 2020-02-7  

Fund supported: 浙江省自然科学基金资助项目（LY19E080013）；国家重点研发计划资助项目（2016YFC0800200）

作者简介 About authors

孙海超（1991—），男，硕士生，从事软黏土固化处理研究.orcid.org/0000-0002-0857-9462.E-mail：616547136@qq.com , E-mail：616547136@qq.com

摘要

针对某滩涂淤泥，开展不同淤泥初始水的质量分数、不同水泥掺量的固化土无侧限抗压强度试验、一维压缩试验以及扫描电镜试验，研究低掺量水泥固化土的力学特性与微观结构特征，探讨其与常规掺量固化土的差异. 结果表明：分界水泥掺量、最低水泥掺量与淤泥初始水的质量分数的线性关系明显；与常规掺量固化土相比，低掺量固化土的强度增长明显较慢，压缩性降低较少；固结屈服应力随水泥掺量增加而增大，在较低掺量区，固结屈服应力与水泥掺量具有非线性关系；低掺量固化土屈服前、后的孔隙形态特征以及孔隙排列特征差异较大，当固结压力小于固结屈服应力时，孔隙未呈现出明显的定向性且排列较为混乱，当固结压力大于固结屈服应力时，随着荷载的增加，孔隙形状变得圆滑，复杂程度降低，孔隙排列逐渐趋向于有序.

关键词： 水泥固化土 ; 力学特性 ; 分界水泥掺量 ; 固结屈服应力 ; 微观结构特征

Abstract

Unconfined compressive strength tests, one-dimensional compression tests and scanning electron microscope tests of solidified tideland sludge with different mass fractions of initial water and different cement contents were carried out. The mechanical properties and the microstructure characteristics of the solidified soil with low cement content and the differences from the solidified soil with conventional cement content were analyzed. Results show that the linear relationships between the boundary cement content, the minimum cement content and the initial moisture content of the sludg are obvious. Compared with the solidified soil with conventional cement content, the strength of the solidified soil with low cement content increases more slowly and its compressibility decreases less. The consolidation yield stress increases with the increase of cement content, and there is a nonlinear relationship between the consolidation yield stress and cement content in the low content range. There are great differences in the pore morphology and pore arrangement of the solidified soil with low cement content before and after yielding. When the consolidation pressure is less than the consolidation yield stress, pore orientation is not obvious, and pore arrangement is disordered. When the consolidation pressure is more than the consolidation yield stress, pore shape becomes smooth, the complexity decreases, and pore arrangement tends to be orderly with the increase of the load.

Keywords： cement-solidified soil ; mechanical property ; boundary cement content ; consolidation yield stress ; microstructure characteristics

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本文引用格式

孙海超, 王文军, 凌道盛. 低掺量水泥固化土的力学特性及微观结构. 浙江大学学报(工学版)[J], 2021, 55(3): 530-538 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.03.013

SUN Hai-chao, WANG Wen-jun, LING Dao-sheng. Mechanical properties and microstructure of solidified soil with low cement content. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2021, 55(3): 530-538 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.03.013

滩涂淤泥和疏浚淤泥中水的质量分数（土中水的质量与土颗粒质量的比值，以百分率表示 ）、孔隙比一般远大于普通软土，强度低，压缩性高，工程中常采用固化技术进行处理[1]. 吹填造陆工程和疏浚淤泥资源化利用工程中形成的这类固化土有2个显著特点：1）处理对象即淤泥具有较高的水的质量分数，多为液限的2~3倍，甚至更高；2）对处理后的固化土强度要求不高，因此固化剂掺量相对较低.

固化剂掺量显著影响固化土强度大小. Horpibulsuk等[2-5]研究表明，固化土强度与水泥掺量关系曲线存在3个不同的分区：非活跃区（I区）；活跃区（II区）和惰性区（III区），其中II区为常规水泥掺量范围，与I区中的强度增长曲线明显不同. Zhang等[6-7]研究表明，当固化剂掺量较小时，固化土强度随固化剂掺量呈非线性增长，I、II区的分界固化剂掺量wwc与固化剂类型、土的类型、水的质量分数等有关. 郑少辉等[8]研究表明，对于不同类型土，wwc不同. 此外，对于I区，即低掺量区，普遍认为存在以质量百分数%表示的最低固化剂掺量ww0或以kg/m3表示的最低固化剂掺量ρB0，当掺量小于ww0或ρB0时，基本没有固化效果，但是对于ww0或ρB0的大小，研究结果差异较大[9-11]. 因此，对于不同的淤泥固化土，wwc以及ww0的具体影响因素和影响规律仍有待系统研究.

固化剂类型与淤泥初始水的质量分数影响wwc以及ww0的大小，也影响固化土的结构性及其力学性质. 丁建文等[12]探讨水泥掺量、初始水的质量分数、龄期等对水的质量分数较高的疏浚淤泥固化土压缩变形特性和结构屈服应力的影响. 黄英豪等[13]分析水的质量分数较高的疏浚淤泥固化土的破坏应变、压缩变形特性和结构屈服应力. 针对低掺量，Kang等[14]针对Tokuyama港淤泥，研究水泥掺量为2%、4%、6%、10%、15%时早期阶段淤泥固化土的强度发展规律. Jiang等[15]研究当水泥掺量分别为0~4%和4%~7%时，15 d和28 d固化土压缩模量的增长规律；Wang等[16-17]分别对掺加2%、4%、6%（与干土体积比）水泥和石灰的人工结构性土和重塑土，分析固化剂掺量和水的质量分数对淤泥固化土压缩曲线和结构屈服应力py的影响. 黄英豪等[13，18]以完全扰动重塑的泥浆作为评价基准，从土的压缩屈服特性和强度特性2个方面考察结构性对淤泥固化土力学性质的影响. 关于淤泥固化土的压缩指数Cc与水泥掺量的关系，一般认为Cc随水泥掺量增大而变大[7]，但是Chiu等[19]得出了相反的结果，因此，对于Cc随水泥掺量的变化规律仍须进一步研究.

本研究以宁波某水的质量分数较高的滩涂淤泥为研究对象，通过一系列宏观微观试验，探讨淤泥固化土强度和变形发展规律，分析wwc、py前后的固化土力学特性以及相应的微结构特征，揭示低水泥掺量固化土与常规水泥土的宏观微观特性的差异，为水的质量分数较高的淤泥固化处理工程提供指导.

1. 试样制备及试验方案

1.1. 淤泥固化土制备

试验土样取自宁波市宁海县近海的水的质量分数较高的滩涂淤泥. 土颗粒分析表明，小于0.075 mm的颗粒质量分数为65.3%，0.075~0.500 mm的颗粒质量分数为31.2%，0.500~2.000 mm的颗粒质量分数为3.5%，无大于2.000 mm的颗粒，其他部分物理性质指标如表1所示. 表中，wn为天然水的质量分数，Gs为淤泥比重，wL为液限，wP为塑限.

表 1   滩涂淤泥的主要物理性质指标

Tab.1  Main physical property index of tideland sludge

wn/% Gs wL/% wP/%
80~91 2.72 46.5 26.3

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将淤泥风干、碾碎、过2 mm筛后，按照不同初始水的质量分数w0与不同固化剂（42.5普通硅酸盐水泥）掺量配制固化土，其中水泥掺量ww为水泥质量/湿土质量. 在试样成型前，在试模内表面涂一薄层脱模剂（凡士林），将拌合物分3层插捣后连同试模固定在振动台上振实5 min，刮除抹平后盖上塑料薄膜，将试模放入恒温、恒湿（20±5 °C、湿度大于95%）的标准养护室养护，静置48 h后拆模，继续在养护室养护至28 d龄期.

1.2. SEM试样制备

为了分析固化土微结构特征以及变形发展机理，开展28 d龄期的固化土扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）测试以及不同压缩阶段的固化土SEM测试. 为了获取不同压缩阶段的SEM试样，借助一维压缩试验，针对不同荷载等级下的环刀土样，从其垂直剖面取样. 为了获得较真实的土样微观结构，土样用液氮冷冻真空升华干燥，处理步骤如下. 1）用涂凡士林的钢丝锯在固化土样的中间部位切取毛坯样；2）用锋利的超薄切土刀将上述毛坯样切成长约2 cm，断面为0.5 cm×0.5 cm的长条；3）将切取的土条放在液氮中冷冻15 min；4）将土样放到冷冻真空干燥仪中保持−45 °C低温状态真空干燥24 h，土中的非结晶冰升华，使土样既干燥又能保持原始结构形态[20]. 将经过上述步骤处理后的土样掰断，获得未受扰动的新鲜断面，作为电镜扫描的观察面.

1.3. 试验方案

针对不同初始水的质量分数以及不同水泥掺量试样开展无侧限抗压强度试验、一维压缩试验和SEM试验，具体试验方案如表2所示. 表中，D为试样直径，h为试样高度. 水泥掺量16%为对比组，为常规掺量.

表 2   固化土试验方案

Tab.2  Test scheme of solidified soil

试验类型 ww/% w0/wL D/mm h/mm 备注
无侧限抗压强度试验 4、6、8、10、12、16 1.50、1.75、2.00 39.1 80 加载速率/（mm·min−1）：0.828
一维压缩试验 4、5、6、8、16 1.75 61.8 20 加荷等级/ kPa：12.5、25.0、50.0、100.0、200.0、
400.0、800.0、1 600.0、2 400.0、3 200.0、4 000.0
扫描电镜试验 4、5、6、8、16 1.75 − − −

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使用SJ-1A.G三轴剪力仪设备进行无侧限抗压强度试验，使用高压固结仪进行一维压缩试验，采用数据采集系统读数，本研究试验均按照《土工试验方法标准》[21]进行试验. 对于无侧限抗压强度试验与一维压缩试验，每个配比做3个平行试验. 无侧限抗压强度与压缩性指标确定方法：当平行试样的值差异小于20%时，取3个平行试样的平均值；若其中一个差异超过20%，则取另外2个试样的平均值；若3个平行试样之间的差异均大于20%，则重新配制试样，重做试验.

2. 固化土强度增长规律及微结构特征

2.1. 强度增长规律

不同初始水的质量分数固化土28 d无侧限抗压强度qu随水泥掺量的变化规律，如图1所示. 由图可知，存在分界水泥掺量wwc且与淤泥初始水的质量分数有关；在wwc前、后2个阶段，固化土强度增长差异较大.

图 1

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图 1   无侧限抗压强度随水泥掺量的变化

Fig.1   Variation of unconfined compressive strength with cement content


在wwc前、后，水泥掺量每增加1%，固化土强度的增长量Δqu如表3所示. 可以看出，当ww<wwc，即在低掺量区（I区）时，固化土强度增长量较小，增长较为缓慢. 从水泥固化角度分析，主要是当掺量小于wwc时，由于水化产物较少，黏土颗粒之间未建立有效的黏结，强度增长缓慢；当水泥掺量大于wwc时，胶结产物逐渐增加，黏土颗粒之间形成了有效的黏结，并且随着水泥掺量的进一步增加，胶结产物逐渐聚集，黏结逐渐变强，强度增长明显. 也可以看出，淤泥初始水的质量分数变化对wwc前、后的影响程度不同：当ww<wwc时，淤泥初始水的质量分数由1.50 wL增加到1.75 wL，固化土强度下降较快，而当ww>wwc时，1.75 wL~2.00 wL区段的固化土强度下降较快.

表 3   每增加1%水泥掺量时固化土强度增长量

Tab.3  Strength growth of solidified soil with 1% increase of cement content

w0/% Δqu /kPa
ww<wwc ww>wwc
1.50 wL 97.2 154.0
1.75 wL 69.3 144.6
2.00 wL 55.9 120.5

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2.2. 分界掺量与最低掺量

由图1可得1.50 wL、1.75 wL、2.00 wL固化土的wwc分别为8.6%、9.6%、10.9%，wwc随淤泥初始水的质量分数变化的拟合曲线如图2所示. 可知，wwc随淤泥初始水的质量分数的增加近似呈线性增加.

图 2

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图 2   分界水泥掺量与淤泥初始水的质量分数与淤泥液限比值的拟合曲线

Fig.2   Fitting curve of boundary cement content and ratio of mass fraction of initial water to liquid limit


由图1可得1.50 wL、1.75 wL、2.00 wL固化土的最低掺量ww0分别为2.5%、2.8%、3.2%，换算为相应的ρB0分别为70、81、96 kg/m3.

丁建文等[22]对4种不同水的质量分数的江苏淮安白马湖疏浚淤泥（液限为66.1%，水的质量分数分别为165.3%、181.8%、198.3%、214.8%）进行无侧限抗压强度试验，得到最低水泥掺量分别为45、67、72、92 kg/m3；汤怡新等[23]对5种不同初始水的质量分数（120%、150%、200%、250%、300%）的日本德山黏土固化处理，得出最低水泥掺量平均值为61 kg/m3. 由此可见，不同土类，不同水的质量分数淤泥的ρB0差异较大.

本研究试验与文献[22]试验的ρB0随w0拟合曲线如图3所示可以看出，规律较为一致，ρB0与w0的线性关系均较明显.

图 3

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图 3   最低水泥掺量与淤泥初始水的质量分数的拟合曲线

Fig.3   Fitting curve of minimum cement content and mass fraction of initial water


2.3. 强度预测模型

根据Kitazume等[5]提出的用水灰比w/ww表征的固化土强度预测经验公式，对本研究的固化土强度试验结果进行拟合分析：

$ {q_{\rm{u}}} = a {(w/{w_{\rm{w}}})^b}.$

式中：a、b为拟合参数，w为固化土中水的质量/干土质量，ww为固化土中水泥的质量/干土质量.

无侧限抗压强度与水灰比的归一化曲线如图4所示. 图中， $ {\bar q_{\rm{u}}}$为归一化无侧限抗压强度， ${\bar q_{\rm{u}}} = {q_{\rm{u}}}({{w}_{\rm{w}}},{w})/{q_{\rm{u}}}(16{\text{%}} ,2{{w}_{\rm{L}}})$对曲线进行拟合，获得的公式如下：

${{\bar q}_{\rm{u}}} = 10.66{(w/{w_{\rm{w}}})^{ - 1.89}}.$

由图可知，式（1）能够较好地描述不同初始水的质量分数的淤泥固化土的强度增长特性.

图 4

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图 4   无侧限抗压强度与水灰比的归一化曲线

Fig.4   Normalized curve of unconfined compressive strength and water-cement ratio


2.4. 固化土微结构特征

固化土强度的影响因素包括土颗粒级配、淤泥孔隙比、固化剂种类、制样方法（搅拌条件、振实条件）以及养护条件（温度、湿度、龄期等）等，造成强度差异的根本原因在于形成的固化土的微结构特征差异. 本次试验主要从胶结产物的多少与固化土的孔隙两方面分析固化土微结构特征，进而揭示其强度增长机理以及wwc的差异原因.

不同水泥掺量下的淤泥固化土10 000倍SEM图像如图5所示. 由图可知，与常规固化土（ww=16%）相比，低掺量（ww=4%、5%、6%、8%）固化土的孔隙较大，较疏松，且其胶结产物均较少，该现象与上述固化土强度增长机理分析较一致，当水泥掺量较低时，胶结产物较少，因此黏土颗粒之间并未建立太多有效黏结，强度增长缓慢；当水泥掺量大于wwc时，胶结产物则明显增多，并且在黏土颗粒之间形成了较多的有效黏结，强度增长明显.

图 5

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图 5   不同水泥掺量固化土的SEM图像（10 000倍）

Fig.5   SEM images of solidified soil with different cement content（10 000 times）


为了进一步分析固化土孔隙对强度的影响，采用Liu等[24]开发的颗粒（孔隙）及裂隙图像识别与分析系统(particles（pores）and cracks analysis system，PCAS)对SEM扫描图像进行处理，得到孔隙累计分布曲线和某尺度范围内孔隙数量占比分布分别如图6、7所示. 图中，PL、Pi分别为大于某尺度的孔隙数量占比、某尺度范围内孔隙数量占比，S为面积. 所用图像的放大倍数均为4 000. 为了方便处理，本研究以像素作为孔隙的尺寸单位.

图 6

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图 6   孔隙累积分布曲线

Fig.6   Cumulative distribution curves of pores


图 7

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图 7   某尺度范围内孔隙数量占比分布

Fig.7   Proportion of pores within a certain scale


由图6可以看出，孔隙累积分布曲线越陡，表示在某个尺度范围内孔隙分布相对集中，所占比例也越大. 当ww<wwc时，随着水泥掺量的增加，固化土的分布曲线均较接近，变化趋势较相似，而当ww>wwc时，分布曲线则逐渐向左靠拢，小尺度范围内的曲线斜率增加，表明微孔（>50像素）、小孔隙（50~200像素）的比例逐渐增加，大孔隙（800~3 200像素）比例逐渐减少，16%固化土的一些大孔隙（>3 200像素）甚至已经消失.

由图7可以看出，与低掺量固化土相比，16%水泥掺量的固化土的小孔隙明显增加，大孔隙明显减少，超大孔隙则基本上消失，因此固化土强度提升明显.

3. 固化土变形特性及微观机理

3.1. 压缩性指标变化规律

淤泥固化土的e-lgp曲线如图8所示. 可以看出，不同水泥掺量固化土的压缩曲线均存在一个明显的屈服点，在屈服之前，固化土的压缩变形较小，在屈服之后，固化土的压缩变形急剧增大.

图 8

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图 8   一维压缩试验曲线

Fig.8   One-dimensional compression test curves


根据图8求得不同掺量固化土屈服前、后的压缩性指标如表4所示. 表中，a1、a2分别为屈服前、后的压缩系数，Es1、Es2分别为屈服前、后的压缩模量，Cs、Cc分别为屈服前、后压缩曲线直线段的斜率. 可以看出，固化土屈服前、后的压缩系数、压缩模量相差一倍以上，压缩指数则相差十几倍甚至几十倍，并且相比于常规掺量固化土（ww=16%），低掺量固化土（ww=4%、5%、6%、8%）的压缩性降低较少，因此在淤泥固化处理工程中，要特别注意屈服后的固化土变形急剧增加这一现象.

表 4   固化土屈服前、后的压缩性指标

Tab.4  Compressibility index of solidified soil before and after yielding

ww/% a1/MPa−1 a2/MPa−1 Es1/MPa Es2/MPa Cs Cc
4 0.53 1.11 6.19 2.86 0.05 0.88
5 0.51 0.81 6.28 3.89 0.05 0.78
6 0.17 0.40 18.85 7.38 0.03 0.76
8 0.13 0.30 24.77 9.93 0.03 0.76
16 0.03 0.10 80.54 27.65 0.02 0.68

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3.2. 固结屈服应力

采用Butterfield[25]提出的双对数法确定固结屈服应力py，结果如图9所示. 可以看出，水泥掺量ww越大，py也越大，即固化土的结构性越强，两者的变化关系如图10所示. 可以看出，py与ww大体上呈线性关系，但在4%~6%范围内有一定的非线性关系.

图 9

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图 9   双对数压缩曲线

Fig.9   Double logarithmic compression curves


图 10

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图 10   固结屈服应力随水泥掺量的变化

Fig.10   Variation of consolidation yield stress with cement content


3.3. 不同压缩阶段固化土的微结构变化

为了探讨淤泥固化土变形的微观机制以及固结屈服应力前、后固化土压缩特性差异的微观机理，选取ww=6%的固化土，分别取不同固结压力下变形稳定后的固化土试样开展SEM测试，并根据PCAS程序对SEM图像进行处理，得到一系列孔隙特征参数分析如下.

3.3.1. 孔隙尺度及其分布变化特征

不同压缩阶段固化土的平均孔隙面积随固结压力的变化曲线如图11所示. 图中，A为孔隙平均面积. 可以看出，平均孔隙面积随压力增加总体呈下降趋势：当p<py=358 kPa时，由于大孔隙被压缩为小孔隙，孔隙平均面积急剧降低，而在屈服之后大孔隙基本已经消失，同时小孔隙逐渐被压密，下降趋势明显变缓.

图 11

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图 11   平均孔隙面积随固结压力的变化

Fig.11   Variation of average pore area with consolidation pressure


面积概率分布指数[26]为孔隙面积在某特定区域内的密度，当面积概率分布指数增大时，表示细小孔隙数量在增加，同时大孔隙数量在减少. 固化土面积概率分布指数随固结压力的变化曲线如图12所示. 图中，I为面积概率分布指数. 可以看出，当p<py时，概率分布指数增长较快；当p>py时，增长趋势明显变缓，说明在屈服之后，大孔隙消失了，小孔隙以及土颗粒之间的空隙也随着压力的增加变得较小，部分孔隙甚至被压缩而消失.

图 12

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图 12   面积概率分布指数随固结压力的变化

Fig.12   Variation of area probability distribution index with consolidation pressure


3.3.2. 孔隙排列变化特征

概率熵[27]是反映结构单元体有序性的定量参数，概率熵Hm的表达式为

${H_{\rm{m}}} = - \sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{{m_i}}}{M}} \frac{{\ln\; \left( {{m_i}/M} \right)}}{{\ln \;n}}.$

式中：M为孔隙总数；将0°~180°分成区间长度为α的n个等份区位；mi为孔隙的长轴方向在第i个区位内的个数. Hm$ \in $[0,1.0]，Hm越大，表明孔隙排列越混乱，有序性越低，反之，有序性越好.

孔隙概率熵Hm随固结压力p的变化曲线如图13所示，可以看出，当p=0时，固化土的Hm较大，随着p的逐渐增加，Hm明显降低，说明随着压力p增加，孔隙排列逐渐趋向于有序. 固化土在py前、后的Hm降低率明显不同，是因为在屈服之前，土颗粒不断地调整移动，逐渐趋于稳定，在开始时发生调整的颗粒较多，而在屈服之后，结构性遭到破坏，孔隙和土颗粒调整程度逐渐降低，孔隙排列的变化趋于稳定.

图 13

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图 13   孔隙概率熵随固结压力的变化

Fig.13   Variation of pore probability entropy with consolidation pressure


如图14所示为不同压缩阶段固化土竖向孔隙玫瑰图，玫瑰图可以表示各个方向上的孔隙数分布. 可以看出，当p<py时，各个方向的孔隙分布较均匀，随着压力的增加，当p>py时，孔隙的排列逐渐趋向水平方向，定向性增加且变得更加有序，与前述概率熵的变化规律较一致.

图 14

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图 14   不同固结压力下固化土样竖直切面孔隙玫瑰图

Fig.14   Rose diagrams of vertical section of solidified soil samples under different consolidation pressures


3.3.3. 孔隙形态变化特征

形状系数[28]的定义为

${{{F}}_{{i}}}{{ = }}{{{{{C}}_{{{\rm{d}}}}}} /{{{{S}}_{{{\rm{a}}}}}}}.$

式中：Cd为与孔隙等面积的圆周长；Sa为孔隙的实际周长. 采用单个孔隙的形状系数误差较大，且无实际意义，故采用平均形状系数统计分析孔隙形状特征，定义为

${{F = }}\sum\limits_{{{i = 1}}}^{{n}} {{{{{{F}}_{{i}}}} / {{m}}}} .$

式中：m为统计孔隙数；F∈（0，1.0]，值越大，孔隙的形状越圆滑，反之越狭长.

孔隙平均形状系数随压力的变化曲线如图15所示. 可以看出，当p<py时，平均形状系数增长速度较快，随着压力的增加，当p>py时，固化土样屈服，平均形状系数增大速度相对变缓，说明在压力作用下，孔隙的形状趋向于变得圆滑. 固化土在屈服之前对压力更为敏感，在屈服之后，颗粒调整基本完成，孔隙的形状趋于稳定，对压力的敏感程度也随之降低.

图 15

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图 15   孔隙平均形状系数随固结压力的变化

Fig.15   Variation of average pore shape factor with consolidation pressure


4. 结　论

（1）对于水的质量分数较高的淤泥的固化，分界水泥掺量wwc和最低水泥掺量ww0随淤泥初始水的质量分数w0的增加近似呈线性增长；与常规水泥掺量相比，ww<wwc的低掺量区，固化土强度增长明显较慢；SEM试验结果分析表明，主要是因为低掺量水泥固化土的超大、大孔隙较多以及胶结产物较少.

（2）水灰比w/ww可以用于描述水的质量分数较高的淤泥固化土的强度增长规律，其中拟合参数a基本不随淤泥中初始水的质量分数变化，而拟合参数b随淤泥中初始水的质量分数的增加近似呈线性减少.

（3）固化土屈服前、后的变形差异较大，固结屈服应力py随水泥掺量ww增加而增大，但在较低的掺量区，两者具有一定的非线性关系. SEM试验结果分析表明，在屈服前，由于结构性的存在，固化土孔隙变化较小，在屈服后，其结构性遭到破坏，大孔隙被挤压成小孔隙，使得其小孔隙迅速增加，且某些大孔隙已经消失.

（4）固结压力p显著改变固化土孔隙的排列特征，当p<py时，孔隙未呈现出明显的定向性，并且排列较为混乱；当p>py时，随着固结压力的增加，概率熵逐渐减小，孔隙排列趋向于有序；孔隙的形态随压力变化较大，平均形状系数增加，孔隙形状趋向于圆滑，复杂程度随之降低.

（5）固化土压缩变形特性随固结压力的变化趋势与固化土微观孔隙结构参数的变化趋势有较好的相关性，根据微观孔隙结构参数的变化趋势可以对固化土的强度变形进行有效评价和分析.

（6）本研究仅对不同掺量水泥固化土的胶结产物和孔隙特征进行定性分析，建议今后可增加胶结物和孔隙的量化测定，以及进一步深入研究低掺量水泥固化土的胶结破损过程和微观变形机理.

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