堿液加固黃土體的工程性質研究

金 鑫，王鐵行，于康康,2，羅 揚

（1.西安建筑科技大學土木工程學院，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方法主要有硅化法和堿液法[1-2]，目前硅化法的應用基本上參照其它地區經驗，采用壓力注漿，需壓力設備，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為真溶液，若結合黃土大孔隙的特點進行自滲注漿將大幅提高施工的便利性和經濟性，但目前堿液固化黃土研究側重于堿液的改性，考慮土體干密度及養護溫度對加固體強度差異性尚缺乏認識，對加固體水穩性及凍融強度變化尚缺乏研究，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強度試驗、加固體水穩性及凍融循環試驗、現場注漿試驗對堿液固化黃土的規律進行研究，為堿液法在黃土地區進行地基處理，原位加固工程提供參考.

1 室內試驗

1.1 NaOH摻量對加固體強度的影響

選取四個地區的黃土樣進行試驗，其物理性質見表1，試驗用NaOH參數見表2.

表1 試驗黃土的物理、力學性質指標平均值Tab.1 Average values of loess physical and mechanical properties

表2 試驗用NaOH技術指標Tab.2 Parameters of NaOH

將取自以上四個地區的黃土樣自然風干后碾碎，過1 mm標準篩，由于實際工程中進行堿液加固時，加固范圍內土體的含水量短時間內接近飽和，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，根據已有工程經驗，當NaOH摻量為干土質量的3%時，土體強度已滿足工程要求，為進一步探究加固體強度隨NaOH摻量的變化規律，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質量與干土質量的百分比）.

將試樣制成高80 mm，直徑39.1 mm的圓柱形，在25 ℃室溫下標準養護28 d，進行無側限抗壓強度試驗[7]結果如下：

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

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

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

1.2 土樣干密度對加固體強度的影響

將來自于西安地區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，常溫養護28 d測定不同NaOH摻量下加固體無側限抗壓強度，試驗結果如下：

圖2 加固體強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，加固體抗壓強度增大.進一步分析圖2可知，加固體強度隨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反應生成膠結物強度大于由于土顆粒擠密所產生的咬合強度.

1.3 溫度對加固體強度的影響

常溫下堿液對黃土的固化作用反應緩慢，為探究環境溫度的變化對加固體強度變化的影響規律，現將西安地區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實放入恒溫水浴箱中進行養護[8]，其強度試驗結果如下：

圖3 加固體強度隨養護溫度變化曲線Fig.3 Curves of reinforced loess unconfined compressive strength of different curing temperatures

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

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

通過上述試驗，得到NaOH摻量、黃土塑性指數、土樣干密度、養護溫度、齡期的變化對加固體強度的提高幅度，結果見表3.

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

由表3可以看出，NaOH摻量和養護溫度對加固體強度的提高最為關鍵.

1.4 加固體水穩定性試驗

抗水解能力是檢驗加固土體耐久性能的重要指標，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，一組常溫正常養護，一組浸入到蒸餾水中[9-10]，90 d后，試驗結果如下.

圖4 浸水作用對加固體強度影響曲線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，未浸水試樣強度逐漸增大，浸水試樣強度逐漸減小.摻量分別為2.2%和3.2%的未浸水土樣，90 d后的強度相較7d后強度增幅分別為180.00%和31.44%.浸水土樣，90 d后的強度較7 d后強度降幅分別為92.49%和20.66%，說明提高NaOH摻量，有助于提高加固體的水穩性.

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

為驗證Ca(OH)2對生成絡合物的作用，將NaOH摻量為3.2%的試樣，放入50 g/L的CaCl2溶液中，進行為期90 d的養護，試驗結果如下.

圖5 CaCl2對加固體強度影響曲線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合物生成水硬性的膠結物，使加固體強度進一步提高.

1.5 加固體凍融強度試驗

黃土主要分布在季節性溫差變化較大的西北地區，強烈的凍融作用會引起土體結構發生破壞，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%的加固土體進行凍融循環試驗（凍融循環凍結溫度為-10 ℃，融化溫度為10 ℃）選取凍融周期為48 h（冷卻24 h，融化24 h）分別進行0、1、3、5、7、9次的凍融循環[11-14]，然后進行無側限抗壓強度試驗結果如下.

圖6 凍融作用對加固體強度影響曲線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度隨凍融循環次數的增加而減小.隨NaOH摻量的提高，三種試樣經9次凍融循環后強度減小幅值分別為45.86%、35.30%、30.76%.根據圖7，隨著凍融循環次數的增加，加固體的質量損失率增大，隨NaOH摻量的提高，其質量損失率在凍融循環完成后分別為7.15%、5.31%、4.62%.

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

2 現場注漿試驗

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、力學性質見表4.

表4 試驗場地黃土的物理、力學性質指標平均值Tab.4 Average values of field test’s loess physical and mechanical properties

現場試驗用NaOH技術指標與室內試驗相同，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3個，孔徑0.15 m，孔深2.0 m，注漿管口深度為1.5 m，孔內填直徑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，結果如圖8所示.

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

根據試驗數據，得到自滲注漿量與注漿時間的關系式（1）：

式中：t為注漿時間，min；L為單孔注漿量，L；e為自然對數取值2.72.

根據（1）式，將公式計算所得的自滲注漿量Lc與現場實測注漿量Lt進行比較，結果見表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（1）式，當t不斷增大時，L的增長率不斷減小最終趨近于0，符合現場實際注漿情況.

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與土顆粒反應生成的水硬性膠結物會充填黃土中的細小孔隙，使其滲透能力下降，導致注漿速率下降.

注漿完成30 d后對注漿周圍土體進行開挖，加固體較周圍土體堅硬基本呈上粗下細的圓柱體，根據開挖結果，得出取樣半徑、深度與土體強度的關系.

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

現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，加固體強度隨距注漿中心距離R增大而減小，在R=0～0.2 m范圍內，土體無側限抗壓強度qu平均可提高10倍，在R=0.3～0.4 m范圍內，強度可提高3～4倍，當R>0.4 m時，土體強度幾乎沒有提高.堿液自滲加固原狀黃土的有效半徑為0.3 m.豎直方向，注漿管口處強度最高，由此往下，加固體強度逐漸減小，在深度Z=1.5～3.0 m范圍內，土體抗壓強度平均可提高8倍，Z=3.0～4.0 m范圍內，強度可提高4倍，當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在高溫下進行很快，在常溫下進行緩慢，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，其熱量才能繼續向周圍土體擴散，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 論

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

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

(3)加固土體經凍融后強度降低，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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