Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2025 , Vol. 42 >Issue 1: 194 - 200

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20230898

Rock-Soil Engineering

Multi-factor Influence and Sensitivity Analysis on Physical Properties of Foamed Mixture Lightweight Soil Using River Sludge

  • LIU Zeng-xiang , 1 ,
  • LUO Shun-cheng 2 ,
  • LU Yong 3 ,
  • LOU Yue-yue 3
Expand
  • 1 Capital Construction Division, Soochow University, Suzhou 215021, China
  • 2 Jiangsu Yadao Construction Engineering Testing Co.,Ltd.,Nanjing 210049, China
  • 3 School of Civil Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215011, China

Received date: 2023-08-18

  Revised date: 2023-11-01

  Online published: 2025-01-21

Fold

Abstract

To investigate the fundamental physical properties of foamed mixture lightweight soil using river sludge (FMLSS), river sludge collected from a river in Suzhou was used as the research material. An optimized orthogonal test was conducted to study the effects of various factors on the density and permeability of FMLSS, and sensitivity analysis was performed using the range analysis method. Results show that: 1) The density of FMLSS decreased significantly with increasing air foam content and water content, but increased significantly with increasing cement content, and changed slightly with increasing curing age. 2) The permeability coefficient of FMLSS increased with rising air foam content, reduced with increasing cement content, nearly multiplied with increasing water content in a linear manner, and plunged with extending curing age before gradually stabilizing. 3)Density was most sensitive to air foam content, followed by water content, cement content, and curing age in a descending order; permeability coefficient was most sensitive to water content, followed by curing age, cement content, and air foam content in a descending order. 4)In engineering applications, air foam content should be the primary control factor for density and lightweight properties of FMLSS, while water content should be the primary control factor for permeability coefficient. The research findings serve as valuable reference for the resource utilization of dredged silt and environmental protection.

Key words： foamed mixture lightweight soil using river sludge; physical properties; density; permeability coefficient; orthogonal test; sensitivity analysis

Cite this article

LIU Zeng-xiang , LUO Shun-cheng , LU Yong , LOU Yue-yue . Multi-factor Influence and Sensitivity Analysis on Physical Properties of Foamed Mixture Lightweight Soil Using River Sludge[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025 , 42(1) : 194 -200 . DOI: 10.11988/ckyyb.20230898

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

我国幅员辽阔,江河湖泊众多,尤其是东南沿海和一些河流湖泊较多的内陆地区,在水土长期相互作用下沉积了大量淤泥软黏土,由此带来一系列的衍生问题(河道水质环境变差、蓄水航运能力下降),有必要对河湖定期进行清淤处理。然而,天然状态下的疏浚淤泥通常处于流塑状态,具有强度低、压缩性大、性质不稳定特点,未经处理很难直接利用,是疏浚工程中面临的一个十分棘手的问题。因此,如何对疏浚淤泥进行有效处理和再生利用,便成为一个值得探讨的课题。
随着科技的进步、工程技术的发展,利用疏浚淤泥的高含水率、高流动性、低渗透性、轻质均质性、强度可调性、抗冲击性、环保性等特点,将其制成可以满足路基边坡填土、地下空间填筑、机场跑道等特殊工程使用要求的气泡混合轻质土,是一种较新颖的疏浚淤泥在工程领域废物再利用方式[1⇓⇓⇓-5]。
目前,关于河道淤泥气泡混合土(Foamed Mixture Lightweight Soil Using River Sludge,FMLSS)的研究已取得一些成果 [6⇓⇓⇓-10]。因其突出的优点,河道淤泥气泡混合土在实践中已有实际应用,解决了一些工程技术问题,尤其是在动荷载作用情况下 [11⇓⇓-14],如:有效化解桥台台背跳车、道路加宽时新老地基差异沉降、高填土路堤稳定性、减小路堤填土自重、高寒地区的路基路堤隔热保温、地下结构和管道回填难、机场跑道填土变形要求高等难题[15⇓⇓-18]。
FMLSS是由淤泥、水泥、气泡和水四种组分按照一定比例混合搅拌制成的混合土,与其它类型的轻质混合土有所不同[19]。作为一种新型土工混合材料,能否在实际工程中推广使用,取决于技术上的可行性,有必要先进行大量的实验室研究,然后经过工程实践的检验后再逐步推广应用。作为2个基本物理性质指标:密度决定了土体的轻质性,渗透系数决定了土体的透水性,两者是影响工程应用范围的关键因素。该方面还未见有关学者进行探究的成果。
本文在既有研究基础上,结合FMLSS特点,制定合理的试验方案,研究多个因素对FMLSS物理特性的影响规律,并进行敏感性分析,为后续研究和工程应用提供参考依据。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验以苏州市某河道疏浚淤泥作为原料土,为保证气泡混合土的流动性[4],在制备试样时先将5 mm以上的颗粒及杂质去除,测得塑性指数Ip=15.7,液性指数IL=1.67,基本物理性质指标如表1所示,原料淤泥土处于流塑状态,属于粉质黏土。不均匀系数Cu=5,曲率系数Cc=1.31,土体的级配整体较好。天然河道淤泥土的颗粒级配曲线如图1所示。
表1 河道淤泥的基本物理性质指标

Table 1 Basic physical property indices of river sludge

密度ρ/
(g·cm-3)		 含水率
ω/%		 孔隙比
е		 相对密度
Gs		 塑限
ωp/%		 液限
ωL/%
1.71 52.5 1.36 2.65 26.4 42.0
图1 河道淤泥的粒径分布曲线

Fig.1 Grain size distribution curve of river sludge

气泡混合土的发泡法根据工艺的不同可分为后发泡法和先发泡法2种,考虑到先发泡工艺优于后发泡工艺[20],本文采用的是先发泡法。气泡的品质和性能是气泡混合土制备的关键,目前常用的发泡剂类型较多,为获得发泡倍数高、成泡稳定性和均匀性好的气泡[9],本文选用的发泡剂为F型复合类发泡剂。试验所用固化剂为P·O42.5#普通硅酸盐水泥,用水均为蒸馏水。

1.2 试验方案

除了4种组分外,根据水泥土的性质,考虑了养护龄期的影响。通过大量前期尝试试验,确定了各因素的大致取值范围,超过这个范围则FMLSS会出现强度太低或失去其优势性。在考虑试验次数和工作量的基础上,采用优化后的“四因素、三水平”正交试验方法进行研究[21]。具体试验方案如表2所示。
表2 试验方案

Table 2 Experimental schemes

气泡含量
ωe /%		 水泥掺入量
ωc/%		 含水率
ω/%		 养护龄期
T/d
1、2、3 15、25、35 100、110、120 7、14、28

1.3 样品制备

制备试样时,按调节原料土含水率——加入水泥——加入气泡的顺序混合,搅拌均匀后在流动状态下立即装入模具成样,制样后在标准养护条件下养护24 h后脱模,然后用保鲜膜将试样密封继续养护,养护龄期根据试验方案确定。综合考虑准确测量气泡体积难度大、不同介质组分占比难以同指标衡量等因素,本文以换算后的干土质量为基准值,气泡含量、水泥掺入量均为与干土质量的比值;加水调节后土体中总的含水量与干土质量的比值为含水率。
FMLSS具有轻质性和密度可调性,密度是其重要的物理性质,也是判断所制试样是否满足要求的重要指标。在器具、环境和误差等多重因素影响下,即便是相同条件制备的试样,试样质量也可能存在差异,因此试验以密度作为关键质量指标[22]。为保证试验结果的准确性和有效性,制样时各配比都会制备多个平行试样。

2 试验结果与分析

FMLSS的密度和渗透系数试验数据处理时,先将误差超过限值的舍去,误差范围内的试样(不少于3个)取平均值作为分析数据使用。

2.1 不同影响因素作用下FMLSS密度变化规律

气泡含量、水泥掺入量、含水率和养护龄期对FMLSS密度的影响如图2所示。
图2 气泡含量、水泥掺入量、含水率和养护龄期对FMLSS密度的影响

Fig.2 Effects of air foam content, cement content, water content and curing age on the density of FMLSS

2.1.1 气泡含量对FMLSS密度的影响

从图2(a)可以看出,在其他影响因素不变的情况下,FMLSS密度随气泡含量的增加而显著减小,说明增大气泡含量可以有效降低FMLSS密度,这与其它类型轻质混合土研究结论有相似之处[23-24]。同时,随气泡含量的增加,相同气泡含量不同水泥掺入量的FMLSS密度变化有增大趋势。由此可见,气泡含量是轻质性的关键因素,在工程应用中通过调节气泡含量来减轻土体自重是可行的。

2.1.2 水泥掺入量对FMLSS密度的影响

从图2(b)可以看出,在其他影响因素不变的情况下,FMLSS密度随水泥掺入量增加而显著增大,这对工程应用中减小土体自重不利。对比图2(a)和图2(b)中直线的斜率还可以看出,相较于气泡含量,水泥掺入量对FMLSS密度的影响幅度相对较小,这也再次说明气泡含量是影响FMLSS密度和轻质性的关键因素。因此,在满足工程强度要求下应尽可能减少水泥用量,不仅可以减小土体自重,还可以节约成本。

2.1.3 含水率对FMLSS密度的影响

从图2(c)可以看出,在其他影响因素不变的情况下,FMLSS密度随含水率增加而显著减小。这是由于含水率增加会使土体内部产生多余的自由水分子,甚至取代部分水泥水化产物,使土颗粒在土体中所占的比例减小,从而使密度降低,但随含水率的进一步增加,直线斜率减小,含水率对FMLSS密度的影响趋势减弱。对比图2(a)和图2(c)可以发现,含水率对密度的降低幅度没有气泡含量的影响大,这主要是因为水的密度比气泡的密度大很多。

2.1.4 养护龄期对FMLSS密度的影响

从图2(d)可以看出,在其他影响因素不变的情况下,FMLSS密度随养护龄期增长而微幅变化,主要是龄期较低时密度略有降低,之后趋于稳定。这主要是因为试样养护过程中,前期土体胶结结构性程度较低,试样内部自由水分子转化为结合水分子的能力较弱,在标准养护条件下试样不能完全做到密封,水分子有部分丢失,从而导致密度略有降低。总体来看,相较于气泡含量、水泥掺入量和含水率3个因素,养护龄期对密度的影响基本可以忽略不计,这有利于FMLSS在实际工程中的推广应用。

2.2 不同影响因素作用下FMLSS渗透特性变化规律

土的渗透性不仅会影响土体的强度、变形等力学性质,而且对土体的固结、耐久性等工程性质也有重要影响。采用变水头渗透试验,通过TST-55A型渗透仪来测定FMLSS渗透系数有关参数,再由公式计算出渗透系数k,具体计算公式为
k = 2.3 a L A Δ t l g h 1 h 2 　 。
式中:k为渗透系数(cm/s);a为测压管内径(cm);A为试样的截面面积(cm2);2.3为ln和log的变换因数;L为试样高度(cm);Δt为测读水头的起始和终止时间差(s);h1、h2为测读起始和终止水头(cm)。
气泡含量、水泥掺入量、含水率和养护龄期对FMLSS渗透系数的影响如图3所示。
图3 气泡含量、水泥掺入量、含水率和养护龄期对FMLSS渗透系数的影响

Fig.3 Effects of air foam content, cement content, water content and curing age on the permeability coefficient of FMLSS

2.2.1 气泡含量对FMLSS渗透性的影响

根据图3(a),在其他影响因素不变的情况下,FMLSS渗透系数随气泡含量的增加而增大。在混合土中加入气泡能够明显改变土体内部的孔隙结构特征,而气泡含量增大能否影响混合土的抗渗性能主要取决于内部气孔是否相互贯通形成供水分子移动的通道。从图3(a)可知,渗透系数增加幅度大致在0.3×10-9 m/s左右,变化范围并不大,主要是因为气泡具有一定稳定性,内部气孔并未相互连通产生较大影响。

2.2.2 水泥掺入量对FMLSS渗透性的影响

根据图3(b),在其他影响因素不变的情况下,FMLSS渗透系数随水泥掺入量的增加而减小。这是由于水泥水化反应形成的晶体化合物会对土体内部孔隙进行填充,形成水泥胶结土,水泥掺入量越大,土体内部结构越致密,孔隙联通程度越低,外部自由水分子越难通过,从而使得渗透性减小,但整体来看,渗透系数降低幅度大致在0.5×10-9 m/s左右,变化范围并不大。章培培等[25]、骆顺成等[26]深入分析了微观构造与FMLSS力学性能的相关性及其影响,进一步说明掺入的水泥在土体中发生水化反应会形成可以改变土体微观结构的胶结物质。本文水泥对FMLSS土体渗透性的影响,具有类似机理。

2.2.3 含水率对FMLSS渗透性的影响

根据图3(c),在其他影响因素不变的情况下,FMLSS渗透系数随含水率的增加而增大,且变化趋势接近于成倍数的线性递增。对比图3(a)—图3(c)可以发现,相较于气泡含量和水泥掺入量,含水率的影响更大,渗透系数增加幅度大致在(2~4)×10-9 m/s左右。这主要是因为含水率的增加使土体内部自由水分子含量也同步增加,固体颗粒所占比例相应减小,土体内较多的自由水分子更容易形成水流通道,从而降低FMLSS的抗渗性能。

2.2.4 养护龄期对FMLSS渗透性的影响

根据图3(d),在其他影响因素不变的情况下,FMLSS渗透系数随养护龄期增加呈现先快速减小后逐渐趋稳。在养护初期,FMLSS渗透系数降低明显,但随养护龄期的延长,水泥的水化反应越来越充分,在水化反应物的填充下土体内部更加致密,土体胶结结构性增强,渗透系数变化趋于平缓。在初期阶段,含水率越低渗透系数降幅越大,这主要是因为在一定水泥掺入量条件下含水率越低水泥硬化速度越快,从而对抗渗性能影响越大。这也说明,养护龄期对FMLSS渗透性的影响类似于水泥土的性质,需达到标准养护时间后方能发挥最优性能。因此,FMLSS在实际工程应用时需遵循水泥土的性质,必须满足养护龄期的要求。
根据图3,不同条件下FMLSS渗透系数均在10-9 m/s级范围,对比常规土体渗透系数参考值,可达到黏性土标准,具有良好的抗渗性能,在严寒地区、地下空间等对土体渗透性有较高要求的工程中,具有较好的适用性和应用前景。

2.3 多因素对FMLSS密度和渗透性影响的敏感性分析

FMLSS土体是含淤泥、水、水泥、气泡4种组分的一种混合土,通过对每个单因素对密度和渗透性的影响进行分析,可以了解各因素作用下FMLSS的变化趋势,但是不能体现多个因素的综合影响。为分析FMLSS密度和渗透性受各因素的影响程度,通过极差分析方法找出最大影响因素并对影响程度进行排序,为后续工程应用中配比的选择提供参考依据。
密度正交试验结果与极差分析如表3所示,渗透系数正交试验结果与极差分析如表4所示,各因素对FMLSS密度和渗透系数的影响趋势如图4所示。
表3 密度正交试验结果与极差分析

Table 3 Orthogonal test and range analysis results for density

试样 因素1
气泡含
量/%		 因素2
水泥掺入
量/%		 因素3
含水率/
%		 因素4
养护龄
期/d		 密度/
(g·cm-1)
1 1 15 110 28 1.416
2 1 25 110 28 1.444
3 1 35 110 28 1.479
4 2 15 100 28 1.410
5 2 15 110 7 1.306
6 2 15 110 14 1.303
7 2 15 110 28 1.286
8 2 15 120 28 1.214
9 2 25 100 28 1.443
10 2 25 110 7 1.334
11 2 25 110 14 1.331
12 2 25 110 28 1.324
13 2 25 120 28 1.253
14 2 35 100 28 1.484
15 2 35 110 7 1.363
16 2 35 110 14 1.359
17 2 35 110 28 1.361
18 2 35 120 28 1.297
19 3 15 110 28 1.165
20 3 25 110 28 1.210
21 3 35 110 28 1.265
k1 1.45 1.30 1.45 1.33 —
k 2 1.34 1.33 1.33 1.33 —
k 3 1.21 1.37 1.25 1.34 —
极差R 0.23 0.07 0.19 0.01 —

注: k1~ k3为各因素同水平密度的平均值。

表4 渗透系数正交试验结果与极差分析

Table 4 Orthogonal test and range analysis results for permeability coefficient

试样 因素1
气泡含
量/%		 因素2
水泥掺入
量/%		 因素3
含水率/
%		 因素4
养护龄
期/d		 渗透系数/
(10-9m·s-1)
1 1 15 110 28 2.921
2 1 25 110 28 2.578
3 1 35 110 28 2.308
4 2 15 110 28 3.075
5 2 15 100 28 2.703
6 2 15 100 28 5.703
7 2 15 120 28 7.007
8 2 25 110 28 2.812
9 2 25 100 28 1.836
10 2 25 100 7 4.003
11 2 25 110 7 4.638
12 2 25 120 7 6.644
13 2 25 100 14 2.283
14 2 25 110 14 3.145
15 2 25 120 14 5.864
16 2 25 120 28 5.557
17 2 35 100 28 0.723
18 2 35 120 28 3.515
19 2 35 110 28 2.460
20 3 15 110 28 3.199
21 3 25 110 28 2.939
22 3 35 110 28 2.632
k1 2.6 4.1 2.88 5.09 —
k 2 3.87 3.85 2.97 3.76 —
k 3 2.92 2.33 5.72 3.25 —
极差R 1.27 1.77 2.84 1.85 —

注: k1~ k3为各因素同水平渗透系数的平均值。

图4 各因素对FMLSS密度和渗透系数的影响趋势

Fig.4 Influences of various factors on density and permeability coefficient of FMLSS

从表3、表4和图4可以看出,气泡含量对密度的影响最大,含水率对渗透系数的影响最大。根据极差值,各因素对密度影响的敏感性排序为:气泡含量>含水率>水泥掺入量>养护龄期;各因素对渗透系数影响的敏感性排序为:含水率>养护龄期>水泥掺入量>气泡含量。由此可见,在实际工程应用中,应根据不同工程场景和土体要求,参照各因素的影响程度排序,合理选择FMLSS配比,以达到最优使用效果。

3 结论

(1)FMLSS密度随气泡含量增加而显著减小,随水泥掺入量增加而显著增大,随含水率增加而显著减小,随养护龄期增长而微幅变化。FMLSS渗透系数随气泡含量增加而增大,随水泥掺入量增加而减小,随含水率增加呈现增大且变化趋势接近于成倍数的线性递增,随养护龄期增加呈现先快速减小后逐渐趋稳。
(2)FMLSS渗透系数能够达到黏性土的渗透标准,具有良好的抗渗性能。
(3)对比各影响因素,根据极差分析结果,FMLSS密度主要受气泡含量、水泥掺入量和含水率的影响,养护龄期的影响不大,且气泡含量的影响最为显著,各因素对密度影响的敏感性排序为:气泡含量>含水率>水泥掺入量>养护龄期。说明气泡含量是决定FMLSS密度和轻质性的关键;FMLSS渗透性能主要受气泡含量、水泥掺入量、含水率及养护龄期的影响,其中含水率的影响最为显著,各因素对渗透系数影响的敏感性排序为:含水率>养护龄期>水泥掺入量>气泡含量。
(4)工程应用中应将气泡含量作为FMLSS密度和轻质性的主控要素,将含水率作为FMLSS渗透系数的主控要素。

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