通过长期循环简单剪切试验研究原位碱渣土壤的排水变形特性

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Drained deformation behavior of in situ soda residue soil via long-term cyclic simple shear tests

　　**摘要**
苏打残渣（SR）是氨碱生产过程中的工业副产品，已被创新性地重新用作填筑材料，用于回收的码头堆场，以实现成本节约和环境效益。在天津港，这种方法已在四个大型坑洞中实施，每个坑洞深度约为16米，面积超过0.2平方公里。然而，在持续的排水循环荷载作用下，SR基础仍容易发生渐进性沉降，这对上层路面结构的长期适用性和安全性构成风险。为了研究这种响应，在不同的循环应力比（CSR）和围压条件下对原位SR试样进行了循环简单剪切试验。在较低的CSR（≤0.25）下，应力-应变滞后环从循环软化转变为随后的硬化。相比之下，在CSR = 0.30时，滞后环最初明显扩大，随后在后续循环中向应变轴倾斜。在CSR ≤ 0.25时，弹性模量通常先减小后增大，但在CSR = 0.30时持续减小。轴向应变和累积塑性应变的变化相似，表明在0.25到0.30之间存在一个阈值CSR（TCSR），该阈值区分了在一定循环次数后的稳定变形和突然失效。基于这些发现，开发了经验模型来统一描述SR的应变软化和硬化行为，并补充了累积塑性应变和轴向应变演变的模型，所有模型均经过实验数据验证。

**引言**
经济的快速发展和随之而来的沿海基础设施的扩张加剧了土地资源的短缺，使得这一问题日益严重。在天津等港口地区，这一问题尤为突出，因为长期以来一直采用疏浚的海底沉积物进行土地回收。利用苏打残渣（SR）等工业副产品进行土地回收已成为一种创新解决方案，它同时解决了资源稀缺和土地污染的问题[1,2]。SR是氨碱生产过程中的工业副产品，主要由碳酸钙、硫酸钙和氯化钙组成，中国的年产量超过750万吨。与通常具有细颗粒和高含水量的疏浚土壤相比，SR具有更好的骨架支撑、更高的强度和更大的经济可行性。历史上，由于其有限的回收价值和污染特性，SR被堆放在专门的储存场地。一个显著的例子是天津的一个80万平方米的SR堆场，它不仅占据了大量土地并导致高昂的管理成本，还通过产生灰尘和碱液渗漏对周围土壤和水体造成重大环境风险。因此，使用SR进行土地回收不仅解决了累积工业废物的环境负担，还促进了可用土地的扩展，实现了双重目标。这种策略特别适合港口地区，因为这些地区远离居民区，由非农业用地组成，从而将潜在的环境影响降到最低。

这种方法的实施可以在天津港的沿海地区观察到，这是首次记录使用纯SR进行堤坝建设的应用。挖掘了四个大规模的坑洞，深度约为16米，单个面积超过0.2平方公里。如图1所示，这些坑洞随后用SR回填，并经过几年的适当基础处理后，被改造成了码头储存场。然而，在施工阶段和后续运营过程中，基于SR的填料始终受到持续的循环剪切应力作用，这些应力主要来自重型施工机械和货物运输车辆等交通荷载。这些循环荷载通常具有低幅度和相对较长的持续时间[3,4]。虽然在无排水条件下观察到了循环软化和累积应变稳定[5]，但在这种长时间的交通诱导循环荷载下，大部分SR填料处于排水状态[6,7]。在这种条件下，循环变形受与过量孔隙压力消散相关的机制控制，这一过程尚未得到充分理解，对于实际交通主导荷载条件下基于SR的基础的长期性能是一个主要问题，对上层路面结构的适用性和安全性构成潜在风险。

先前的研究主要将苏打残渣用作替代水泥/石灰的辅助胶凝材料或直接添加到土壤固化中。Li等人[8]发现，将苏打残渣与FGD石膏结合使用可以显著提高石灰处理土壤的早期强度。然而，尽管苏打残渣的添加量不影响膨胀速率，但强度的增加在初期迅速后逐渐放缓。Jiao等人[9]确定了最佳混合比例（隧道泥土：碳化渣：苏打残渣为100:6:2），在4%的石灰含量下，可以改善盾构隧道泥土的物理力学性能。Wang等人[10]证明，使用部分水泥替代的碱残渣基轻质土壤，在增加GGBS含量、湿密度和固化时间的情况下，可以达到更高的抗压强度，并通过预测模型进行了验证。He等人[11]使用石灰活化的苏打残渣-GGBS混合物（15%的石灰添加量，7天固化）成功稳定了污水污泥，达到了≥50 kPa的无限制抗压强度，满足了工程要求。总的来说，这些研究主要考察了苏打残渣处理土壤的静态强度特性，特别强调了优化其工程应用。

迄今为止，关于纯SR土壤的力学性能的研究仍然相对较少，主要集中在基本物理特性和强度特性上[12,13]。Wang等人[14]研究了SR的触变行为和强度恢复，表明振动持续时间和频率对其强度有显著影响，静止期间的强度恢复逐渐变慢。虽然这些研究确定了扰动SR的关键物理力学参数和静态三轴特性，但自然固结SR沉积物的长期力学行为仍不甚清楚。最近的进展包括Yuan等人[15]，他们开发了一个Merchant模型来通过一维固结试验表征SR的蠕变行为，随后通过有限元分析对该模型进行了验证。在相关工作中，Gong等人[16]对天津港的未扰动SR试样进行了三轴试验，提出了一个基于Mohr-Coulomb理论的结构强度模型（SSM），将无排水强度分解为摩擦力和原始结构分量。然而，现有研究主要集中在无排水行为上，此时极端渗透性非常低，典型的固结时间非常短。为了研究更一般条件下的循环响应，循环简单剪切试验已被确立为一种稳健可靠的方法[17]。

从岩土工程设计的角度来看，SR试样的无排水应力-应变行为和循环后的强度是基于最不利标准必须评估的关键参数。然而，由于SR的渗透性高于粘土且固结周期较长，四个大型坑洞中的回填SR土壤不能简单地视为无排水材料。实际上，SR填料所经历的循环荷载——无论是来自施工还是运营交通——主要发生在排水或部分排水条件下[18,19]。在这种条件下，循环应变的积累成为主导问题，逐渐降低路面的适用性和运营安全性。这一过程受到过量孔隙压力消散的强烈控制——这是一种耦合的水力-力学现象，对于实际交通主导荷载条件下的SR基础长期性能来说仍缺乏定量研究。因此，缺乏对现场条件下的SR排水循环变形行为的系统研究导致了显著的知识空白，突显了需要进行有针对性的实验和分析研究以支持基于性能的设计。

为了推进对实际排水条件下SR填料的性能理解，研究重点应从传统的无排水分析转向排水循环荷载下的长期变形响应，这一条件对于这种非常规地质材料来说至关重要但尚未得到充分研究。鉴于SR作为一种在废物回收中具有环境价值的纯工程材料，目前缺乏成熟的设计指南，需要系统的表征以支持安全、可靠和经济可行的岩土应用，因此本研究对原位SR试样进行了一系列循环简单剪切试验，以研究其排水变形行为。分析了不同循环应力水平和围压下的广义剪切应力-应变滞后环、弹性模量、耗散能量和阻尼比、累积塑性应变和轴向应变。基于测试结果和观察到的模式，建立了描述弹性模量和累积应变变形特性的经验模型，并分析了模型参数随围压和循环应力水平的变化。

**测试方案**
采用了机电动态循环简单剪切（EMDCS）系统（GDS Instruments，英国）来进行测试程序。测试方案旨在评估围压和循环应力比（CSR）的影响，CSR定义为最大循环剪切应力τdmax与围压σc的比值。由于所研究的土壤沉积物位于大约2米和3米的深度，因此选择了30 kPa和40 kPa的围压。

**应力-应变滞后环**
图4展示了循环剪切应力和应变随循环次数的变化。在应力控制条件下，施加的CSR保持不变，而相应的循环剪切应变幅度最初增加，随后在后续循环中稳定或突然上升；最大和最小应变值都随着CSR的增加而增加。这种行为表明，在较高的CSR水平下，累积变形速率加快，伴随着循环软化。

**经验模型**
出于实际目的，例如快速评估该特定区域的水平位移和沉降，提出了描述原位苏打残渣土壤排水变形行为的经验模型。尽管这些模型并非普遍适用且在普遍性方面存在局限性，但在特定情况下具有实际效用。

**结论**
在对原位SR试样进行了循环简单剪切试验，涵盖了不同的循环应力比（CSR）和围压范围，以系统地表征材料的响应。比较和分析了关键指标，包括剪切应力-应变滞后环、弹性模量、耗散能量、阻尼比以及累积塑性应变和轴向应变。根据观察到的趋势，开发了经验模型，并进行了后续验证。

**作者贡献声明**
Z. Yan：撰写——原始草稿、验证、资源获取、调查、资金获取、正式分析。
X. Yang：撰写——审阅与编辑、正式分析、数据管理、概念化。
Y. Yuan：验证、调查。
Q.L. Fan：撰写——审阅与编辑、资源获取、正式分析。
Y.P. Wu：调查、正式分析。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

**致谢**
作者感谢中国国家重点研发计划（编号2023YFB2604200）和山东省青年泰山学者项目（编号tsqn202312106）的支持。同时感谢交通运输部天津水运工程研究所的设备支持。