王澤平 王常明 江 南 張?jiān)诤?/p>

(1.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)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(qiáng)度、高孔隙、高壓縮性等特點(diǎn)，一般情況下不能直接滿(mǎn)足各類(lèi)基礎(chǔ)工程的建設(shè)需要[1]，需要采取一定的方法來(lái)改善軟土地基的強(qiáng)度，以提高其承載能力和抗變形能力。常用來(lái)加固軟土的方法有加筋、排水、強(qiáng)夯、化學(xué)加固等幾類(lèi)。張 奇等[2]通過(guò)研究加筋土的力學(xué)性質(zhì)發(fā)現(xiàn)麥秸稈可顯著提高軟土的抗剪力學(xué)性能。陳慧娥等[3]對(duì)不同地區(qū)軟土水泥加固后研究表明，粒度成分及有機(jī)質(zhì)含量對(duì)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(jí)強(qiáng)夯能有效消除濱海含軟土夾層粉細(xì)砂的液化勢(shì)。雷華陽(yáng)等[5]利用室內(nèi)模型試驗(yàn)等手段表明，交替式真空預(yù)壓法可有效解決排水板淤堵問(wèn)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(duì)化學(xué)電滲法處治軟黏土地基加固效應(yīng)的影響。

通過(guò)在軟土中摻入一些外摻劑來(lái)改變軟土物質(zhì)成分與結(jié)構(gòu)，從而改善力學(xué)性能，是一種常用的加固手段。隨著科學(xué)的發(fā)展、認(rèn)識(shí)的提高、研究方法的改進(jìn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的工程應(yīng)用目的出發(fā)，研制和開(kāi)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(duì)軟土地基進(jìn)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(jī)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(qiáng)土體強(qiáng)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(shí)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(huì)造成粉塵飛揚(yáng)，長(zhǎng)期吸入易形成矽肺病，嚴(yán)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(chǎng)地[14]。因此，硅灰的回收與利用符合當(dāng)下生產(chǎn)形勢(shì)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(qiáng)，附著力大。硅灰多應(yīng)用于改良水泥、混凝土的力學(xué)性能與參數(shù)[16-17]，但用來(lái)作為改善軟土性質(zhì)的外摻劑相對(duì)較少。

本次研究通過(guò)室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)，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(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化規(guī)律，并通過(guò)掃描電鏡試驗(yàn)，研究了硅灰對(duì)軟土的力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)理。

1 試樣及試驗(yàn)方案

1.1 材料選取

試驗(yàn)選取的硅灰為河南鉑潤(rùn)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(yàn)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(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 試樣物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試樣制備

將試樣從土樣筒中取出，先對(duì)土樣完整均勻程度進(jìn)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(cè)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(guò)φ2 mm土壤篩。

本次試驗(yàn)試樣中硅灰的摻入量分別為0%、5%、15%、25%，根據(jù)預(yù)設(shè)摻入量與土充分?jǐn)嚢杈鶆?，進(jìn)行試樣的制備。試樣統(tǒng)一通過(guò)分層擊實(shí)法制備。采用標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的擊實(shí)錘，將試樣分三層置于模具中，分層擊實(shí)，減少氣泡與內(nèi)部空洞的產(chǎn)生。試樣控制含水率45%，同時(shí)控制試樣密度維持在原狀樣密度左右，見(jiàn)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(cè)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?yàn)殡婄R觀察方向，切割成1 cm×1 cm×2 cm條狀，然后做好標(biāo)記放入液氮罐中冷凍1 h，取出后放入真空泵進(jìn)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(dòng)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(dòng)顆粒。試樣及時(shí)干燥封存用于掃描電鏡測(cè)試。

1.3 試驗(yàn)方案

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

表3 試驗(yàn)方案

續(xù)表

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同硅灰摻入量下加固土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系(見(jiàn)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(yīng)力差與軸向應(yīng)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(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，則是各粒子之間相互作用強(qiáng)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(biāo)。

胡克定律中所用到的彈性模量實(shí)際上是常規(guī)三軸試驗(yàn)(σ1-σ3)-εa曲線的切線斜率，即切線彈性模量Et，切點(diǎn)取坐標(biāo)原點(diǎn)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(yīng)力-應(yīng)變曲線各原點(diǎn)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(shì)。當(dāng)硅灰摻入量逐步增加時(shí)，能充分發(fā)揮其良好的填充性，使得其抗變形的能力增強(qiáng)，在5%～15%區(qū)間增幅明顯。但隨著硅灰摻入量的進(jìn)一步增加至過(guò)量的情況下，抗變形的能力反而下降。

2.2 試樣抗剪強(qiáng)度的變化特征

取15%軸向應(yīng)變時(shí)主應(yīng)力差值作為破壞點(diǎn)，以剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，法向應(yīng)力為橫坐標(biāo)，在橫坐標(biāo)軸以破壞時(shí)的(σ1+σ3)/2為圓心，以(σ1-σ3)/2為半徑，在τ-σ應(yīng)力平面上繪制破壞應(yīng)力圓，并繪制不同圍壓下破損應(yīng)力圓的包線，求出抗剪強(qiáng)度參數(shù)?？辜魪?qiáng)度參數(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(shì)，黏聚力隨著硅灰摻入量的增加呈逐步增加的趨勢(shì)。

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(yīng)力應(yīng)變曲線破壞點(diǎn)處的破壞偏應(yīng)力繪制不同圍壓情況下硅灰摻入量對(duì)破壞偏應(yīng)力的影響曲線，如圖4所示。

圖4 試樣破壞偏應(yīng)力與硅灰摻入量的關(guān)系

由圖4可知，硅灰對(duì)寧波軟土的強(qiáng)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(yīng)力顯著增大，且呈線性關(guān)系，破壞偏應(yīng)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(yīng)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(shuō)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(yīng)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(shí)因硅灰的量較少且軟土已擾動(dòng)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(guò)程，因此增幅最為明顯；15%～25%階段破壞偏應(yīng)力增加趨勢(shì)變緩。

2.3 硅灰對(duì)軟土的粒度成分影響

圖5 硅灰摻入量對(duì)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(huì)直接影響土體的孔隙分布，間接影響土體的力學(xué)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(duì)寧波軟土粒度成分影響表(見(jiàn)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(jí)配土，說(shuō)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(duì)滑動(dòng)時(shí)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(xì)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(duì)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(tuán)聚的特性可知，若硅灰均以單個(gè)顆粒形式存在，則黏粒組的占比應(yīng)持續(xù)增長(zhǎng)。但實(shí)際上隨著硅灰摻入量增加，黏粒組占比并不是持續(xù)增長(zhǎng)的，而是增幅逐漸放緩并隨之出現(xiàn)下降趨勢(shì)，說(shuō)明當(dāng)硅灰超過(guò)一定量時(shí)，團(tuán)聚特性會(huì)表現(xiàn)得更加明顯，使得黏粒組占比開(kāi)始下降。

表5 硅灰對(duì)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(yàn)選擇掃描電子顯微鏡觀察法。試驗(yàn)儀器為JSM-6700型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡。通過(guò)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(dòng)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(guò)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(dòng)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(guò)程中由于受到表面張力的作用，形成了非結(jié)晶相無(wú)定形圓球狀顆粒，且表面較為光滑，有些則是多個(gè)圓球顆粒粘在一起的團(tuán)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(tuán)聚體的形貌。從圖中標(biāo)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(jìn)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(kāi)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(shí)因?yàn)楣杌覔饺肓窟^(guò)量，硅灰已經(jīng)形成由細(xì)粒團(tuán)聚而形成的近似球狀團(tuán)塊，這種團(tuán)聚特性表明硅灰顆粒細(xì)小，且顆粒之間具有吸附作用。

試樣經(jīng)過(guò)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(fù)與增強(qiáng)；當(dāng)硅灰摻入量較低時(shí)，硅灰顆粒起到的是阻力作用，使得內(nèi)摩擦角增大；當(dāng)硅灰顆粒過(guò)量填充時(shí)，因硅灰顆粒過(guò)于細(xì)小且充填密實(shí)，在可運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)狀態(tài)下其顆粒與顆粒之間因外力發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，硅灰顆粒會(huì)因充當(dāng)“潤(rùn)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(duì)較小的內(nèi)摩擦角。結(jié)合圖2，可知此時(shí)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(duì)本次掃描電鏡試驗(yàn)中所獲取的微結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)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(dāng)硅灰摻入量為5%時(shí)，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(shí)硅灰主要填充于大孔隙之中。當(dāng)硅灰摻入量為15%時(shí)，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(dāng)硅灰摻入量達(dá)到25%時(shí)，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(duì)大孔隙進(jìn)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(dǎo)致1～2 μm區(qū)間孔隙占比開(kāi)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(duì)大孔隙進(jìn)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(shí)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(yàn)與掃描電鏡可知，硅灰對(duì)寧波軟土的影響主要是通過(guò)硅灰顆粒的填充和粘附微小土顆粒形成聚集體以及增強(qiáng)軟土整體的密實(shí)程度，在宏觀上改善軟土的強(qiáng)度性質(zhì)，而且由于硅灰的吸附特性以及團(tuán)聚特性，可以保證硅灰加固寧波軟土的時(shí)效性。本文對(duì)于三軸試驗(yàn)的選擇上，考慮的僅是目前針對(duì)經(jīng)常發(fā)生的快速施工下的不固結(jié)不排水強(qiáng)度來(lái)反應(yīng)軟土的情況，而未對(duì)其他情況進(jìn)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(duì)內(nèi)摩擦角的影響相對(duì)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(shì)。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(shì)。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(yīng)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(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)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(shí)程度不斷增加。硅灰顆粒的賦存形式從開(kāi)始量少的粘附填充逐步向量多的團(tuán)聚過(guò)渡。