硅灰加固寧波軟土的試驗研究

王澤平 王常明 江 南 張在恒

(1.吉林大學 建設(shè)工程學院，吉林長春 130021；2.寧波市巖土工程有限公司，浙江寧波 315000)

0 引言

天然狀態(tài)下軟土具有低強度、高孔隙、高壓縮性等特點，一般情況下不能直接滿足各類基礎(chǔ)工程的建設(shè)需要[1]，需要采取一定的方法來改善軟土地基的強度，以提高其承載能力和抗變形能力。常用來加固軟土的方法有加筋、排水、強夯、化學加固等幾類。張 奇等[2]通過研究加筋土的力學性質(zhì)發(fā)現(xiàn)麥秸稈可顯著提高軟土的抗剪力學性能。陳慧娥等[3]對不同地區(qū)軟土水泥加固后研究表明，粒度成分及有機質(zhì)含量對加固效果有很大影響。賈敏才等[4]結(jié)合具體工程研究發(fā)現(xiàn)在有效加固深度范圍內(nèi)，高能級強夯能有效消除濱海含軟土夾層粉細砂的液化勢。雷華陽等[5]利用室內(nèi)模型試驗等手段表明，交替式真空預壓法可有效解決排水板淤堵問題，加固效果更均勻。任連偉等[6]探究了試劑的不同配合比對化學電滲法處治軟黏土地基加固效應的影響。

通過在軟土中摻入一些外摻劑來改變軟土物質(zhì)成分與結(jié)構(gòu)，從而改善力學性能，是一種常用的加固手段。隨著科學的發(fā)展、認識的提高、研究方法的改進，國內(nèi)外學者從不同的工程應用目的出發(fā)，研制和開發(fā)了一系列土加固材料，經(jīng)常采用生石膏、纖維和粉煤灰等固化劑對軟土地基進行加固[7-10]，并取得了良好的效果。黃 新等[11]研究了石膏在地基加固中的適用條件及加固機理。李麗華等[12]從環(huán)保、再利用的角度出發(fā)，將稻殼灰用于加強土體強度的改良之中。

硅灰是鋼廠和鐵合金廠生產(chǎn)硅鋼和硅鐵時產(chǎn)生的一種煙塵經(jīng)靜電除塵而回收的粉塵[13]，大量堆積會造成粉塵飛揚，長期吸入易形成矽肺病，嚴重危害環(huán)境與操作人員的健康；不僅如此，硅灰還需要大量的堆放場地[14]。因此，硅灰的回收與利用符合當下生產(chǎn)形勢十分必要。硅灰中80%以上粒子粒徑小于1 μm，平均粒徑在0.1～0.3 μm,比表面積為20～28 m2/g[15]。成分以SiO2為主，密度小，黏結(jié)性強，附著力大。硅灰多應用于改良水泥、混凝土的力學性能與參數(shù)[16-17]，但用來作為改善軟土性質(zhì)的外摻劑相對較少。

本次研究通過室內(nèi)三軸壓縮試驗，總結(jié)了寧波鄞州地區(qū)一種淤泥質(zhì)黏土摻入硅灰后的應力應變關(guān)系及抗剪強度指標的變化規(guī)律，并通過掃描電鏡試驗，研究了硅灰對軟土的力學性質(zhì)的影響機理。

1 試樣及試驗方案

1.1 材料選取

試驗選取的硅灰為河南鉑潤鑄造材料有限公司生產(chǎn)的硅灰，SiO2含量為92%，還含有少量的Al2O3、Fe2O3、MgO，硅灰呈灰白色粉末狀態(tài)，粒徑約為0.1～0.2 μm。

試驗所用的試樣取自寧波市鄞州區(qū)，取樣深度位于地下5～6 m，所取土樣為深灰色淤泥質(zhì)黏土，試樣的基本物理力學性質(zhì)指標如表1所示。

表1 試樣物理力學性質(zhì)指標

1.2 試樣制備

將試樣從土樣筒中取出，先對土樣完整均勻程度進行描述，并將土樣切成碎塊，取其中有代表性土樣裝入鋁盒中用作測定含水率。把碎塊放入105 ℃干燥箱中烘干8 h。將烘干的土樣放在橡皮板上用木碾碾散，之后過φ2 mm土壤篩。

本次試驗試樣中硅灰的摻入量分別為0%、5%、15%、25%，根據(jù)預設(shè)摻入量與土充分攪拌均勻，進行試樣的制備。試樣統(tǒng)一通過分層擊實法制備。采用標準質(zhì)量的擊實錘，將試樣分三層置于模具中，分層擊實，減少氣泡與內(nèi)部空洞的產(chǎn)生。試樣控制含水率45%，同時控制試樣密度維持在原狀樣密度左右，見表2。試樣尺寸為φ39.1 mm×80 mm。試樣成型脫模后，立即用保鮮膜密封包裝，放入常溫保濕缸中保存，待用。

表2 部分試樣密度

為了觀測不同硅灰摻入量的硅灰加固土的結(jié)構(gòu)特征，取三軸壓縮方向為電鏡觀察方向，切割成1 cm×1 cm×2 cm條狀，然后做好標記放入液氮罐中冷凍1 h，取出后放入真空泵進行抽真空8 h，使土樣既干燥又不變形，保持原始結(jié)構(gòu)形態(tài)。凍干之后，將土樣小心掰斷，獲得未受擾動的斷面作為電鏡掃描的觀察面，并用洗耳球吹去試樣表面的擾動顆粒。試樣及時干燥封存用于掃描電鏡測試。

1.3 試驗方案

對上述4種硅灰摻入量的試樣，分別設(shè)計4種不同圍壓(50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa)下進行不固結(jié)不排水剪切試驗，共16組試樣，每組含三個平行樣，每組數(shù)據(jù)取平均值進行統(tǒng)計。三軸儀為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TCK-1型三軸試驗測量控制儀。試驗時試樣的剪切速率均為0.4 mm/min，所有試樣均在剪切達到一定軸向應變(20%)后停機。試驗方案如表3所示。

表3 試驗方案

續(xù)表

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同硅灰摻入量下加固土的應力應變關(guān)系(見表4)

圖1為不同硅灰摻入量在不同圍壓下加固土試樣的主應力差與軸向應變關(guān)系。

彈性模量是材料重要的性能參數(shù)，從宏觀角度來說，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀角度來說，則是各粒子之間相互作用強度的反映。彈性模量也可視為衡量材料抵抗彈性變形能力的指標。

胡克定律中所用到的彈性模量實際上是常規(guī)三軸試驗(σ1-σ3)-εa曲線的切線斜率，即切線彈性模量Et，切點取坐標原點ε=0。

引入切線彈性模量Et，將試樣抵抗變形的能力數(shù)值化，彈性模量公式，即

表4 應力-應變曲線各原點處切線模量

根據(jù)表4可知，試樣抵抗變形的能力隨硅灰摻入量的增加而增加，但增幅呈先增加后減少的趨勢。當硅灰摻入量逐步增加時，能充分發(fā)揮其良好的填充性，使得其抗變形的能力增強，在5%～15%區(qū)間增幅明顯。但隨著硅灰摻入量的進一步增加至過量的情況下，抗變形的能力反而下降。

2.2 試樣抗剪強度的變化特征

取15%軸向應變時主應力差值作為破壞點，以剪應力為縱坐標，法向應力為橫坐標，在橫坐標軸以破壞時的(σ1+σ3)/2為圓心，以(σ1-σ3)/2為半徑，在τ-σ應力平面上繪制破壞應力圓，并繪制不同圍壓下破損應力圓的包線，求出抗剪強度參數(shù)?？辜魪姸葏?shù)與硅灰摻入量之間的關(guān)系如圖2和圖3所示。由圖可知，內(nèi)摩擦角隨著硅灰摻入量的增加呈先增加后減小的趨勢，黏聚力隨著硅灰摻入量的增加呈逐步增加的趨勢。

圖2 內(nèi)摩擦角與硅灰摻入量關(guān)系

圖3 黏聚力與硅灰摻入量關(guān)系

取應力應變曲線破壞點處的破壞偏應力繪制不同圍壓情況下硅灰摻入量對破壞偏應力的影響曲線，如圖4所示。

圖4 試樣破壞偏應力與硅灰摻入量的關(guān)系

由圖4可知，硅灰對寧波軟土的強度有顯著的作用。同一圍壓下，隨著硅灰摻入量的增加，破壞偏應力顯著增大，且呈線性關(guān)系，破壞偏應力與硅灰摻入量的關(guān)系式可擬合為：

Y=mX+n

(1)

式中：Y為破壞偏應力；X為硅灰摻入量；m、n為擬合參數(shù)。各圍壓(50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa)下的擬合參數(shù)分別為：m=1.400、1.434、1.463、1.485；n=4.00、8.41、10.96、13.71。

此次擬合結(jié)果R2值均大于0.99，說明式(1)擬合效果好。結(jié)合圖4與擬合參數(shù)可知，不同圍壓下，隨著硅灰摻入量的增加，破壞偏應力與圍壓呈正比例關(guān)系。

結(jié)合硅灰的特性可知，隨著硅灰量的增加，硅灰逐漸填充于軟土孔隙，在0%～5%時因硅灰的量較少且軟土已擾動而增幅低于5%～15%階段；在5%～15%階段是軟土內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐步被充填的過程，因此增幅最為明顯；15%～25%階段破壞偏應力增加趨勢變緩。

2.3 硅灰對軟土的粒度成分影響

圖5 硅灰摻入量對試樣顆分曲線的影響

粒度成分是土體大小和組分的直接決定因素之一，顆粒大小及性質(zhì)的差異會直接影響土體的孔隙分布，間接影響土體的力學性質(zhì)。用于分析粒度成分的儀器為BT-9300LD激光粒度分布儀。圖5為分布儀所得的顆分曲線，由顆分曲線得到硅灰對寧波軟土粒度成分影響表(見表5)。由表5可知，寧波軟土的不均勻系數(shù)Cu大于5，曲率系數(shù)Cc小于1，表現(xiàn)為不良級配土，說明某一粒組含量較多，不是所有粒徑的顆粒均勻分配，顆粒間相對滑動時克服的阻力更大，宏觀上表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角的增大，且均由粉粒、黏粒等小粒徑的顆粒組成，所以易形成大量的細小孔隙。隨著硅灰摻入量的增加，黏粒組含量有所增加，粉粒含量相對減少，結(jié)合硅灰粒徑、黏粒組變化情況以及硅灰易附著、易團聚的特性可知，若硅灰均以單個顆粒形式存在，則黏粒組的占比應持續(xù)增長。但實際上隨著硅灰摻入量增加，黏粒組占比并不是持續(xù)增長的，而是增幅逐漸放緩并隨之出現(xiàn)下降趨勢，說明當硅灰超過一定量時，團聚特性會表現(xiàn)得更加明顯，使得黏粒組占比開始下降。

表5 硅灰對寧波軟土粒度成分影響

2.4 硅灰加固寧波軟土的微觀結(jié)構(gòu)特征

土樣的微觀結(jié)構(gòu)試驗選擇掃描電子顯微鏡觀察法。試驗儀器為JSM-6700型場發(fā)射掃描電子顯微鏡。通過掃描電鏡觀察土樣的結(jié)構(gòu)形式、土粒之間的孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙形態(tài)，以及土粒之間的接觸方式。

圖6為該土未擾動試樣掃描電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)圖，可以看出寧波軟土的基本結(jié)構(gòu)是由大小約0.4～0.8 μm的單粒與大小不一的片狀黏土顆粒形成的聚集體，顆粒以疊聚形式排列居多，呈絮凝狀結(jié)構(gòu)。小顆?；蛘掣接诖箢w粒外面，或作為膠結(jié)物質(zhì)填充于基本結(jié)構(gòu)單元體之間，片狀礦物間以邊—面接觸方式為主，顆粒定向性較低。試樣孔隙約占總面積的20%。結(jié)合圖7可知，原狀土經(jīng)烘干、碾碎、過篩重塑后，顆粒分布變得均勻，且片狀黏土顆粒邊緣碎裂狀痕跡明顯，孔隙占比增加。

圖6 未擾動樣掃描電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)(×5000)

圖8—圖10為不同硅灰摻入量的硅灰加固土在掃描電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)。硅灰在冷凝階段氣液固相變過程中由于受到表面張力的作用，形成了非結(jié)晶相無定形圓球狀顆粒，且表面較為光滑，有些則是多個圓球顆粒粘在一起的團聚體[15]。圖9、圖10中能較為清楚直觀地顯示出硅灰顆粒與硅灰團聚體的形貌。從圖中標尺可以估算硅灰顆粒粒徑約為0.1～0.2 μm。

圖7 人工制備土掃描電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)(硅灰摻入量0%，×5000)

圖8 硅灰加固土掃描電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)(硅灰摻入量5%，×5000)

圖9 硅灰加固土掃描電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)(硅灰摻入量15%，×5000)

圖10 硅灰加固土掃描電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)(硅灰摻入量25%，×5000)

由圖8可以清晰看到5%摻入量下硅灰主要粘附于土顆粒表面，孔隙的填充效果并不明顯，孔隙占比依舊較高。圖9中15%摻入量下，硅灰顆粒進一步填充于顆粒間的疊層中，而且比較小的土顆粒碎塊之間也被硅灰顆粒粘附成較大的聚集體，孔隙占比開始逐漸減小。圖10中25%摻入量下，硅灰顆粒充分填充于土顆粒結(jié)構(gòu)單元體之中，大孔隙被填充，此時因為硅灰摻入量過量，硅灰已經(jīng)形成由細粒團聚而形成的近似球狀團塊，這種團聚特性表明硅灰顆粒細小，且顆粒之間具有吸附作用。

試樣經(jīng)過烘干碾碎重塑后原有的結(jié)構(gòu)性降低，宏觀上表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角、黏聚力的降低。隨著硅灰摻入量的增加，硅灰顆粒間的相互吸引力逐漸增大，宏觀上表現(xiàn)為黏聚力逐步得到恢復與增強；當硅灰摻入量較低時，硅灰顆粒起到的是阻力作用，使得內(nèi)摩擦角增大；當硅灰顆粒過量填充時，因硅灰顆粒過于細小且充填密實，在可運動趨勢狀態(tài)下其顆粒與顆粒之間因外力發(fā)生運動時，硅灰顆粒會因充當“潤滑劑”作用而使得需要克服的阻力減小，宏觀上表現(xiàn)為相對較小的內(nèi)摩擦角。結(jié)合圖2，可知此時的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀表現(xiàn)統(tǒng)一。

借助Image-Pro Plus6.0圖像分析軟件對本次掃描電鏡試驗中所獲取的微結(jié)構(gòu)圖像進行定量分析。表6為試樣微結(jié)構(gòu)的孔徑分布情況。由表6可知，軟土的孔徑主要集中于<5 μm，約占95%。當硅灰摻入量為5%時，0～1 μm、1～2 μm、2～5 μm區(qū)間內(nèi)的孔隙總量占比，相比于不摻硅灰的情況下僅變化1.72%，由此可知，此時硅灰主要填充于大孔隙之中。當硅灰摻入量為15%時，0～1 μm、1～2 μm區(qū)間內(nèi)的孔隙占比已經(jīng)高于90%，大孔隙繼續(xù)減少，小孔隙增加。當硅灰摻入量達到25%時，大孔隙幾乎完全被填充，0～1 μm區(qū)間內(nèi)的小孔隙占比大幅度提高。由1～2 μm區(qū)間孔隙占比的變化情況可知，隨著硅灰摻入量的不斷增加，硅灰先對大孔隙進行填充，孔隙孔徑被硅灰逐步填充減少到1～2 μm區(qū)間，乃至0～1 μm區(qū)間之中，致使0～1 μm區(qū)間孔隙占比提高，因硅灰的持續(xù)填充導致1～2 μm區(qū)間孔隙占比開始下降。綜上所述，隨著硅灰摻入量的不斷增加，硅灰先主要對大孔隙進行填充，大孔隙逐步被小孔隙取代，再慢慢填充中、小孔隙，軟土的密實程度逐步增加。

表6 試樣微結(jié)構(gòu)孔徑分布表

結(jié)合三軸試驗與掃描電鏡可知，硅灰對寧波軟土的影響主要是通過硅灰顆粒的填充和粘附微小土顆粒形成聚集體以及增強軟土整體的密實程度，在宏觀上改善軟土的強度性質(zhì)，而且由于硅灰的吸附特性以及團聚特性，可以保證硅灰加固寧波軟土的時效性。本文對于三軸試驗的選擇上，考慮的僅是目前針對經(jīng)常發(fā)生的快速施工下的不固結(jié)不排水強度來反應軟土的情況，而未對其他情況進行分析。

3 結(jié)論

(1)硅灰可以很好地改善軟土的黏聚力，隨著硅灰摻入量增加，黏聚力隨之增加。但硅灰對內(nèi)摩擦角的影響相對有限，隨著硅灰摻入量增加，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。硅灰摻入量在15%～20%左右可以在穩(wěn)定內(nèi)摩擦角大小的情況下，較大幅度提升土的黏聚力。

(2)硅灰可以很好地改善軟土抵抗形變的能力。隨著硅灰摻入量的增加，硅灰加固土的抗變形能力呈先增加后減小的趨勢。同一圍壓下隨著硅灰摻入量的增加，硅灰加固土的破壞偏應力增加較大，其增加程度與圍壓的增加呈正比關(guān)系。不同圍壓作用下隨著摻入量的變化，破壞應變發(fā)展趨勢存在差異。

(3)隨著硅灰摻入量的增加，土中大孔隙逐步被填充，被小孔隙取代，硅灰加固土的密實程度不斷增加。硅灰顆粒的賦存形式從開始量少的粘附填充逐步向量多的團聚過渡。