金 鑫，王鐵行，于康康,2，羅 揚

（1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.鄭州中核巖土工程有限公司，河南 鄭州 450003）

處理濕陷性黃土地基的化學(xué)方法主要有硅化法和堿液法[1-2]，目前硅化法的應(yīng)用基本上參照其它地區(qū)經(jīng)驗，采用壓力注漿，需壓力設(shè)備，成本較高[2-3].堿液法相較硅化法，漿材成本低廉且溶液性質(zhì)為真溶液，若結(jié)合黃土大孔隙的特點進(jìn)行自滲注漿將大幅提高施工的便利性和經(jīng)濟(jì)性，但目前堿液固化黃土研究側(cè)重于堿液的改性，考慮土體干密度及養(yǎng)護(hù)溫度對加固體強(qiáng)度差異性尚缺乏認(rèn)識，對加固體水穩(wěn)性及凍融強(qiáng)度變化尚缺乏研究，在較為便利的自滲條件下，加固效果尚難以評價[4-6].基于此論文通過室內(nèi)強(qiáng)度試驗、加固體水穩(wěn)性及凍融循環(huán)試驗、現(xiàn)場注漿試驗對堿液固化黃土的規(guī)律進(jìn)行研究，為堿液法在黃土地區(qū)進(jìn)行地基處理，原位加固工程提供參考.

1 室內(nèi)試驗

1.1 NaOH摻量對加固體強(qiáng)度的影響

選取四個地區(qū)的黃土樣進(jìn)行試驗，其物理性質(zhì)見表1，試驗用NaOH參數(shù)見表2.

表1 試驗黃土的物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)平均值Tab.1 Average values of loess physical and mechanical properties

表2 試驗用NaOH技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Parameters of NaOH

將取自以上四個地區(qū)的黃土樣自然風(fēng)干后碾碎，過1 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，由于實際工程中進(jìn)行堿液加固時，加固范圍內(nèi)土體的含水量短時間內(nèi)接近飽和，評價加固效果時其含水量也處于較高水平，故試驗根據(jù)取樣地點黃土樣的液限平均值，將黃土樣均配制成含水量為27%，干密度為1.5 g/cm3的試樣，根據(jù)已有工程經(jīng)驗，當(dāng)NaOH摻量為干土質(zhì)量的3%時，土體強(qiáng)度已滿足工程要求，為進(jìn)一步探究加固體強(qiáng)度隨NaOH摻量的變化規(guī)律，試驗采用的摻量分別為1.2%、1.7%、2.2%、2.7%、3.2%、3.7%、4.2%、4.7%（NaOH質(zhì)量與干土質(zhì)量的百分比）.

將試樣制成高80 mm，直徑39.1 mm的圓柱形，在25 ℃室溫下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗[7]結(jié)果如下：

圖1 加固體強(qiáng)度隨NaOH摻量變化曲線Fig.1 Curves of reinforced loess unconfined compressive strength of different NaOH proportions

由圖1可以看出，用以上四個地區(qū)黃土樣制成的加固體隨著NaOH摻量的逐漸增大 ，其加固體強(qiáng)度逐漸增大，對蘭州地區(qū)土樣，當(dāng)NaOH摻量超過2.3%時，其強(qiáng)度增長不顯著.西安地區(qū)試樣，NaOH摻量超過3.7%時，強(qiáng)度增長不明顯.咸陽，銅川兩地試樣，當(dāng)NaOH摻量超過3.3%時，強(qiáng)度增長不明顯.總體上當(dāng)NaOH摻量平均超過3.0%時，加固體強(qiáng)度增長趨勢趨于平緩并且蘭州地區(qū)試樣強(qiáng)度低于西安、銅川、咸陽試樣.

由于在堿液加固范圍內(nèi)，黃土樣中呈游離狀態(tài)的二氧化硅、鋁氧化物及鋁硅酸鹽類與NaOH反應(yīng)生成的硅酸凝膠數(shù)量一定，此時土中的Ca2+、Mg2+與NaOH溶液發(fā)生置換反應(yīng)生成Ca(OH)2、Mg(OH)2.硅酸凝膠與Ca(OH)2、Mg(OH)2進(jìn)行脫水縮合作用.生成強(qiáng)度更高且有水硬性的鈣鋁硅酸鹽絡(luò)合物，使土顆粒能更牢固地膠結(jié)在一起，當(dāng)絡(luò)合物生成達(dá)上限后即使提高NaOH摻量，加固體強(qiáng)度增長不明顯.

由于土中細(xì)顆粒含量愈多，土中SiO2相對溶出量愈大土顆粒與NaOH的反應(yīng)能力愈強(qiáng)，堿液對土的固化作用也愈佳所以試驗中塑性指數(shù)相對較高的陜西地區(qū)黃土與堿液作用所形成加固體強(qiáng)度大于蘭州地區(qū).

1.2 土樣干密度對加固體強(qiáng)度的影響

將來自于西安地區(qū)的黃土樣配置成含水量均為24%，干密度分別為1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3的土樣，常溫養(yǎng)護(hù)28 d測定不同NaOH摻量下加固體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗結(jié)果如下：

圖2 加固體強(qiáng)度隨干密度變化曲線Fig.2 Curves of reinforced loess unconfined compressive strength of different dry densities

由圖2可以看出，在相同NaOH摻量條件下，隨著黃土樣干密度的增大，加固體抗壓強(qiáng)度逐漸增大；相同干密度條件下，隨NaOH摻量的增加，加固體抗壓強(qiáng)度增大.進(jìn)一步分析圖2可知，加固體強(qiáng)度隨NaOH摻量增加的提高幅度大于隨土樣干密度增大的幅度，說明土顆粒與NaOH反應(yīng)生成膠結(jié)物強(qiáng)度大于由于土顆粒擠密所產(chǎn)生的咬合強(qiáng)度.

1.3 溫度對加固體強(qiáng)度的影響

常溫下堿液對黃土的固化作用反應(yīng)緩慢，為探究環(huán)境溫度的變化對加固體強(qiáng)度變化的影響規(guī)律，現(xiàn)將西安地區(qū)黃土樣制成的含水量為27%，干密度為1.5 g/cm3，NaOH摻量為1.7%的加固體用塑料薄膜包裹嚴(yán)實放入恒溫水浴箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)[8]，其強(qiáng)度試驗結(jié)果如下：

圖3 加固體強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度變化曲線Fig.3 Curves of reinforced loess unconfined compressive strength of different curing temperatures

由圖3可看出，在同一養(yǎng)護(hù)時間內(nèi)，隨著養(yǎng)護(hù)溫度升高，加固體強(qiáng)度逐漸增大.養(yǎng)護(hù)溫度由20℃升至40 ℃時，加固體強(qiáng)度增長趨勢不明顯，溫度由40 ℃升至80 ℃時，加固體強(qiáng)度增長趨勢顯著，在養(yǎng)護(hù)時間分別為1 h、2 h、3 h、4 h時，80 ℃比40 ℃其強(qiáng)度分別提高了70.77%、100.51%、120.24%、125.34%強(qiáng)度和溫度的關(guān)系呈非線性，大于80 ℃時，強(qiáng)度增長趨勢減弱.總體上，溫度越高，養(yǎng)護(hù)時間越長，加固體強(qiáng)度越高.

黃土樣在加固過程中的主要反應(yīng)是在固-液相之間進(jìn)行的，常溫下其反應(yīng)速度緩慢，溫度的提高會加快黃土與堿溶液反應(yīng)生成硅酸凝膠的速度并促進(jìn)其脫水縮合，加強(qiáng)了礦物間的膠結(jié)作用，提高了土顆粒之間的連接強(qiáng)度，從而改善了土體強(qiáng)度.

通過上述試驗，得到NaOH摻量、黃土塑性指數(shù)、土樣干密度、養(yǎng)護(hù)溫度、齡期的變化對加固體強(qiáng)度的提高幅度，結(jié)果見表3.

表3 不同試驗變量對加固體強(qiáng)度的提高幅度Tab.3 Range of reinforced loess’ strength improvement by different test variables

由表3可以看出，NaOH摻量和養(yǎng)護(hù)溫度對加固體強(qiáng)度的提高最為關(guān)鍵.

1.4 加固體水穩(wěn)定性試驗

抗水解能力是檢驗加固土體耐久性能的重要指標(biāo)，將含水量27%,干密度為1.5 g/cm3，NaOH摻量分別為2.2%和3.2%的土樣，一組常溫正常養(yǎng)護(hù)，一組浸入到蒸餾水中[9-10]，90 d后，試驗結(jié)果如下.

圖4 浸水作用對加固體強(qiáng)度影響曲線Fig.4 Curves of reinforced loess’ strength variation under the effect of soaking

由圖4可以看出，隨著時間的增長，未浸水試樣強(qiáng)度逐漸增大，浸水試樣強(qiáng)度逐漸減小.摻量分別為2.2%和3.2%的未浸水土樣，90 d后的強(qiáng)度相較7d后強(qiáng)度增幅分別為180.00%和31.44%.浸水土樣，90 d后的強(qiáng)度較7 d后強(qiáng)度降幅分別為92.49%和20.66%，說明提高NaOH摻量，有助于提高加固體的水穩(wěn)性.

加固土體浸水時由于土顆粒間的鈉鋁硅酸鹽類膠結(jié)是非水穩(wěn)性的，只有土顆粒周圍有Ca(OH)2存在的條件下，才能使該膠結(jié)物成為強(qiáng)度高且具有水硬性的鈣鋁硅酸鹽絡(luò)合物，NaOH摻量的提高，一定程度上促進(jìn)該絡(luò)合物的生成，有助于提高加固體的水穩(wěn)性.

為驗證Ca(OH)2對生成絡(luò)合物的作用，將NaOH摻量為3.2%的試樣，放入50 g/L的CaCl2溶液中，進(jìn)行為期90 d的養(yǎng)護(hù)，試驗結(jié)果如下.

圖5 CaCl2對加固體強(qiáng)度影響曲線Fig.5 Curves of reinforced loess’ strength variation under the effect of CaCl2

由圖5可以看出，浸入CaCl2溶液中的試樣，強(qiáng)度隨著齡期的增長而增大且大于未浸水試樣.由于NaOH與土作用后生成的鈉硅酸鹽有限，CaCl2的加入不但能與土中的部分NaOH作用，生成加固所需的Ca(OH)2而且部分CaCl2也能直接與鈉鋁硅酸鹽絡(luò)合物生成水硬性的膠結(jié)物，使加固體強(qiáng)度進(jìn)一步提高.

1.5 加固體凍融強(qiáng)度試驗

黃土主要分布在季節(jié)性溫差變化較大的西北地區(qū)，強(qiáng)烈的凍融作用會引起土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，故將含水量為27%，干密度為1.5 g/cm3，NaOH摻量分別為2.2%、2.7%、3.2%的加固土體進(jìn)行凍融循環(huán)試驗（凍融循環(huán)凍結(jié)溫度為-10 ℃，融化溫度為10 ℃）選取凍融周期為48 h（冷卻24 h，融化24 h）分別進(jìn)行0、1、3、5、7、9次的凍融循環(huán)[11-14]，然后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果如下.

圖6 凍融作用對加固體強(qiáng)度影響曲線Fig.6 Curves of reinforced loess’ strength variation under the effect of freezing-thawing cycles

圖7 凍融作用對加固體質(zhì)量影響曲線Fig.7 Curves of reinforced loess’ mass variation under the effect of freezing-thawing cycles

由圖6可以看出，總體上固化黃土的抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小.隨NaOH摻量的提高，三種試樣經(jīng)9次凍融循環(huán)后強(qiáng)度減小幅值分別為45.86%、35.30%、30.76%.根據(jù)圖7，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，加固體的質(zhì)量損失率增大，隨NaOH摻量的提高，其質(zhì)量損失率在凍融循環(huán)完成后分別為7.15%、5.31%、4.62%.

由于堿液固化黃土強(qiáng)度形成是一個長期反應(yīng)的過程，若在強(qiáng)度增長過程中降低溫度則會產(chǎn)生冷縮作用，使初期形成的凝膠體受拉開裂，使加固體產(chǎn)生大量硬化干縮和溫度收縮裂縫并且土體經(jīng)過凍融前后的體積變化，使黃土孔隙特性發(fā)生改變從而引起傳力骨架結(jié)構(gòu)內(nèi)部細(xì)小的位移，導(dǎo)致黃土顆粒間膠結(jié)強(qiáng)度的降低.適當(dāng)提高NaOH摻量能增加黃土顆粒間硅酸凝膠的數(shù)量，能一定程度上削弱凍融作用對加固體的劣化.

2 現(xiàn)場注漿試驗

試驗場地位于陜西彬縣，場地地貌單元為黃土塬，試驗用黃土物理、力學(xué)性質(zhì)見表4.

表4 試驗場地黃土的物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)平均值Tab.4 Average values of field test’s loess physical and mechanical properties

現(xiàn)場試驗用NaOH技術(shù)指標(biāo)與室內(nèi)試驗相同，注漿漿液濃度為150 g/L，漿液溫度控制在60 ℃-80 ℃.注漿采用單孔無壓灌注，由洛陽鏟成孔，成孔數(shù)3個，孔徑0.15 m，孔深2.0 m，注漿管口深度為1.5 m，孔內(nèi)填直徑4～7 mm碎石，頂部用粘性土填實.注漿過程中記錄單孔注漿量及注漿時間，結(jié)果如圖8所示.

圖8 單孔注漿量與注漿時間的關(guān)系曲線Fig.8 Curves of relationship of self-permeated grouting time and amount of single grouting hole

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，得到自滲注漿量與注漿時間的關(guān)系式（1）：

式中：t為注漿時間，min；L為單孔注漿量，L；e為自然對數(shù)取值2.72.

根據(jù)（1）式，將公式計算所得的自滲注漿量Lc與現(xiàn)場實測注漿量Lt進(jìn)行比較，結(jié)果見表5：

表5 實測注漿量與計算注漿量對比Tab.5 Grouting amount comparison of measured and calculated values

注漿量計算值Lc與實測值Lt比值的平均值為0.98，變異系數(shù)為0.06，說明（1）式計算得出的注漿量值離散性小，能較真實地反映實際注漿情況，根據(jù)（1）式，當(dāng)t不斷增大時，L的增長率不斷減小最終趨近于0，符合現(xiàn)場實際注漿情況.

由于在NaOH溶液作用下，土顆粒表層會逐漸發(fā)生膨脹和軟化使相鄰的土顆粒在這一過程中更緊密地相互接觸，同時NaOH與土顆粒反應(yīng)生成的水硬性膠結(jié)物會充填黃土中的細(xì)小孔隙，使其滲透能力下降，導(dǎo)致注漿速率下降.

注漿完成30 d后對注漿周圍土體進(jìn)行開挖，加固體較周圍土體堅硬基本呈上粗下細(xì)的圓柱體，根據(jù)開挖結(jié)果，得出取樣半徑、深度與土體強(qiáng)度的關(guān)系.

圖9 堿液自滲加固原狀黃土強(qiáng)度變化趨勢Fig.9 Reinforced original loess’s strength variation trend of self-permeated grouting

現(xiàn)場試驗表明用堿液自滲加固原狀黃土可行，由圖9可以看出，在同一深度水平方向上，加固體強(qiáng)度隨距注漿中心距離R增大而減小，在R=0～0.2 m范圍內(nèi)，土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu平均可提高10倍，在R=0.3～0.4 m范圍內(nèi)，強(qiáng)度可提高3～4倍，當(dāng)R>0.4 m時，土體強(qiáng)度幾乎沒有提高.堿液自滲加固原狀黃土的有效半徑為0.3 m.豎直方向，注漿管口處強(qiáng)度最高，由此往下，加固體強(qiáng)度逐漸減小，在深度Z=1.5～3.0 m范圍內(nèi)，土體抗壓強(qiáng)度平均可提高8倍，Z=3.0～4.0 m范圍內(nèi)，強(qiáng)度可提高4倍，當(dāng)Z>4.0 m時，加固效果不明顯，加固有效深度為自注漿口向下2.0 m.

造成堿液加固原狀黃土強(qiáng)度分布不均勻除原狀土體自身因素外，主要是由于堿液與土中活性二氧化硅及鈣鎂離子的反應(yīng)在高溫下進(jìn)行很快，在常溫下進(jìn)行緩慢，高溫漿液自注漿管口流入注漿孔中，熱量很快被緊挨管口的周圍土體所吸收，只有待該部土體溫度升高到一定程度后，其熱量才能繼續(xù)向周圍土體擴(kuò)散，雖堿液可以滲到下部或離孔中心一定距離的土體中，但由于土體溫度上升有限，使加固效果不明顯.堿液在自滲過程中所受的液體靜壓力和重力促進(jìn)其在豎直方向的滲透，使堿液豎直向的自滲范圍大于水平方向.

3 結(jié) 論

(1)通過室內(nèi)試驗，從NaOH摻量、黃土塑性指數(shù)、土樣干密度、養(yǎng)護(hù)溫度、齡期對固化黃土的強(qiáng)度影響規(guī)律中得出NaOH摻量和養(yǎng)護(hù)溫度的變化對加固土體強(qiáng)度增長最為顯著.

(2)經(jīng)堿液加固的黃土樣具有良好的水穩(wěn)性，CaCl2的加入有利于提高加固體的水穩(wěn)性.

(3)加固土體經(jīng)凍融后強(qiáng)度降低，提高NaOH摻量能一定程度上削弱凍融對固化黃土的劣化.

(4)在本文現(xiàn)場試驗條件下，堿液自滲加固原狀黃土可行，單管注漿其影響深度約為2.0 m，影響半徑約為0.3 m.

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