摻加硅灰和石灰條件下的超鹽漬土抗剪特征研究

李宏波，田軍倉，邊　興

(1.寧夏大學土木與水利工程學院， 寧夏銀川750021；2.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心， 寧夏銀川750021；3.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心， 寧夏銀川750021)

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摻加硅灰和石灰條件下的超鹽漬土抗剪特征研究

李宏波1,2,3，田軍倉1,2,3，邊興1

(1.寧夏大學土木與水利工程學院， 寧夏銀川750021；2.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心， 寧夏銀川750021；3.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心， 寧夏銀川750021)

為了揭示石灰和硅灰膠結超鹽漬土的抗剪強度規律，對采自寧夏平羅縣姚伏鎮的超鹽漬土分別摻入硅灰和石灰進行超鹽漬土固化，其中，硅灰摻量分別為1%、3%、5%，石灰摻量分別為硅灰摻量的20%、40%、60%。并利用三軸儀對7、28 d齡期固化的超鹽漬土進行抗剪強度指標測定。試驗結果表明：7 d齡期,1%硅灰摻量的固化超鹽漬土的摩擦角隨石灰摻量的增加呈現先增加后減小的變化趨勢，28d齡期，1%硅灰摻量的超鹽漬土的摩擦角隨石灰摻量的增加而減小；7 、28 d齡期，3%、5%硅灰摻量的固化超鹽漬土的摩擦角和黏聚力隨著石灰摻量的增加而增加。鑒于超鹽漬土的抗剪強度由摩擦角和黏聚力共同決定，而隨硅灰和石灰摻量的增加，固化超鹽漬土的摩擦角和黏聚力的變化趨勢不一致，為了易于確定固化超鹽漬土中硅灰和石灰土最佳摻量，文中給出了抗剪強度臨界深度的判斷公式，可依據判別公式來確定硅灰和石灰的最佳摻量。

超鹽漬土；硅灰；石灰；抗剪強度；臨界深度

0　引　言

鹽漬土是指易溶鹽含量大于0.3%的土壤，按其含鹽量分可為弱鹽漬土、中鹽漬土、強鹽漬土和超鹽漬土等[1]。鹽漬化土層中含有大量可溶性無機鹽類，隨著溫度、濕度和濃度的變化，這些鹽類的狀態發生積聚或淋溶，同時，鹽類離子的腐蝕性也發生變化，這就導致鹽漬土的工程性質反復多變。鹽漬土作為工程地基土的主要病害為凍脹、溶陷、鹽脹和鹽腐蝕等[2-3]。

中國鹽漬化土地面積約有20多萬平方公里，約占全國土地總面積的2.1%，寧夏回族自治區各類鹽漬土土地約占寧夏可利用土地面積的7.87%，全國平均鹽漬土土地約占全國可利用土地面積的2.4%，寧夏鹽漬土面積占有比例是全國的3倍多。隨著我國西部大開發以及鐵路工程、水利工程設施、工業建筑的不斷建設發展，許多工程不可避免地要建在鹽漬土地基之上，所面臨的工程病害問題日趨突出[4]，尤其是對寧夏地區工程建設的影響更為顯著，因此，對鹽漬土的工程力學性能進行改良顯得尤為重要。

現有研究中涉及到的鹽漬土改性劑主要有水泥、石灰、粉煤灰、麥稈和組合固化劑等。Miller等[5]分別進行了水泥和生石灰加固土的無側限抗壓強度試驗，結果表明水泥加固土的效果更好；李英濤等[6]對水泥加固鹽漬土進行了微觀試驗研究，結果表明，水泥改變了鹽漬土的顆粒橢圓度、顆粒個數、顆粒等效圓直徑等微觀指標，增強了鹽漬土強度；于新等[7]對水泥石灰改良鹽漬土的力學性能進行了研究，認為5%石灰和3%水泥改良氯鹽漬土較好；李宏波等[8]研究了水泥粉煤灰固化超鹽漬土，表明水泥和粉煤灰共同作用提高了超鹽漬土的抗剪指標值。Ismail等[9]對水泥石灰改良土進行了三軸試驗，結果表明，石灰和水泥摻量不同會影響加固土的屈服形式(延性和脆性屈服)。張超等[10]和楊曉松等[11]分別對粉煤灰加固鹽漬土進行了研究，認為合適摻量的粉煤灰可以提高鹽漬土的抗剪強度；李宏波等[12]對粉煤灰加固超鹽漬土的研究表明，隨著養護齡期的增加，因粉煤灰本身活性很低，單一摻入粉煤灰并不能提高超鹽漬土的抗剪強度。李敏等[13]和楊繼位等[14]利用麥稈加固鹽漬土，結果表明麥稈可以提高鹽漬土的力學性能。固化劑改良鹽漬土主要是化學加固方法，高分子復合型固化劑可有效提高鹽漬土的工程性能[15-16]。

崔永成[17]利用硅灰改良土的力學性能，認為硅灰可以提高加固土的無側限強度；李宏波等[18]利用水泥和硅灰復配改良超鹽漬土，認為硅灰和水泥摻入超鹽漬土中可以提高其黏聚力和摩擦角；韓松等[19]認為硅灰可減少混凝土的早期收縮；梁詠寧等[20]認為硅灰可提高混凝土的抗侵蝕能力；劉斌云等[21]和楊文武等[22]認為硅灰可以提高混凝土的抗氯離子滲透性和抗凍性。前人研究結果表明，硅灰加入混凝土中可改善其強度、變形特性和抗腐蝕性，但研究還處于初期階段。為此,本研究擬在鹽漬土中加入石灰和硅灰，以探討在堿性條件下硅灰膠結超鹽漬土的能力，研究硅灰和石灰對固化超鹽漬土的抗剪強度指標的影響規律，為確定寧夏平羅地區改良固化超鹽漬土的合適硅灰和石灰摻量提供依據，為提高其工程力學性能和減小對鋼筋混凝土基礎的腐蝕提供參考。

1　試驗研究

1.1試驗材料

采用中通偉業工程材料有限公司生產的硅灰(SF)，其化學成分見表1；采用寧夏中衛市寺口子生產的石灰(Ca)。超鹽漬土取自寧夏平羅縣姚伏鎮，其化學成分見表2，其液限為36.54，塑限為22.2；電導率16.4 ms，全鹽20.96%，pH值為8.85，屬于超鹽漬土。

表1　硅灰的化學成分Tab.1　Chemical composition of silica fume　%

表2　超鹽漬土的化學分析Tab.2　Chemical composition of saline soil 　mmol·kg-1

表3　試驗方案Tab.3　Experiment scheme

1.試件編號SF1Ca20中，SF1表示1%摻量的硅灰，Ca20表示20%摻量的石灰，其余試件編號依次類推。

1.2試驗方案

超鹽漬土中分別摻入硅灰和石灰進行超鹽漬土固化，其中，硅灰摻量分別為1%，3%，5%；石灰摻量分別是硅灰摻量的20%、40%，60%。試驗方案見表3。

1.3試件制備

鹽漬土的最大干密度為1.58 g/cm3，最佳含水量為23.2%，按96%壓實度每組分別制作8個試塊，依照三軸試驗規程分別測定7 d、28 d齡期的抗剪強度指標。試驗剪切速率為0.4 mm/min，試樣剪切變形達到其15%的軸向應變后停機。

2　試驗結果與分析

2.1抗剪強度分析

2.1.17 d齡期抗剪強度分析

7 d齡期試樣的抗剪強度指標見表4。

表4　7 d齡期抗剪強度指標Tab.4　Shear strength index at age 7 d

由表4和圖1、圖2可見：對于相同硅灰摻量的超鹽漬土，其黏聚力隨著石灰摻量的增加而增加。對于1%硅灰摻量的超鹽漬土，當石灰摻量由20%增加到60%時，其黏聚力增加了62.3%；對于3%硅灰摻量的超鹽漬土，當石灰摻量由20%增加到60%時，其黏聚力增加了5.3%；對于5%硅灰摻量的超鹽漬土，當石灰摻量由20%增加到60%時，其黏聚力增加了35.8%。對于1%硅灰摻量的超鹽漬土，當石灰摻量由20%增加到60%時，其摩擦角呈先增加后減小的趨勢；對于3%、5%硅灰摻量的超鹽漬土，當石灰摻量由20%增加到60%時，其摩擦角均呈增加的變化趨勢。

圖17 d齡期石灰和硅灰摻量與黏聚力的關系

Fig.1Correlation between dosage of lime-siliconfume and cohesion at age 7 d

圖27 d齡期石灰和硅灰摻量與摩擦角的關系

Fig.2Correlation between dosage of lime-silicon fume and friction angle at age 7 d

2.1.228 d齡期抗剪強度分析

28 d齡期試樣的抗剪強度指標見表5。

由表5和圖3、圖4可見：1%硅灰摻量的超鹽漬土，石灰摻量由20%增加到60%時，其黏聚力增加了78.6%；3%、5%硅灰摻量的超鹽漬土，石灰摻量由20%增加到60%時，其黏聚力隨著石灰摻量的增加呈現先增加后減小的趨勢。對于1%硅灰摻量的超鹽漬土，石灰摻量由20%增加到60%時，其摩擦角呈減小的趨勢；對于3%、5%硅灰摻量的超鹽漬土，當石灰摻量由20%增加到60%時，其摩擦角基本有線性增加的趨勢。

表5　28 d齡期抗剪強度指標Tab.5　Shear strength indexat age 28 d

圖328 d齡期石灰和硅灰摻量與黏聚力的關系

Fig.3Correlation between dosage of lime-siliconfume and cohesion at age 28 d

圖428 d齡期石灰和硅灰摻量與摩擦角的關系

Fig.4Correlation between dosage of lime-siliconfume and friction angle at age 28 d

2.2加固機理分析

硅灰、石灰與超鹽漬土混合后，在Ca(OH)2堿性溶液的誘發條件下，硅灰和超鹽漬土中活性較高的SiO2和Al2O3等氧化物與Ca(OH)2發生反應，生成具有膠結性的水化物。反應歷程如下[1]：

SiO2+mCa(OH)2+xH2O→mCaO·SiO2·nH2O，Al2O3+mCa(OH)2+xH2O→mCaO·Al2O3·nH2O，Al2O3·2SiO2·2H2O+mCa(OH)2+xH2O→mCaO·Al2O3·2SiO2·nH2O，Fe2O3+mCa(OH)2+xH2O→mCaO·Fe2O3·nH2O。

上述反應的同時，硅灰和超鹽漬土中活性高的礦物進入溶液，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵酸鈣和氫氧化鈣等水化物，生成的氫氧化鈣繼續提供堿性溶液，為連續生成具有膠結性的水化物提供了條件。反應歷程如下：

n(2CaO·SiO2)+mH2O→(2n-1)CaO·nSiO2·(n-1)H2O+Ca(OH)2，nCaO·mAl2O3+fH2O→nCaO·mAl2O3·fH2O，nCaO·mAl2O3·fFe2O3+gH2O→(n-1)CaO·mAl2O3·(g-1)H2O+CaO·fFe2O3·H2O。

石灰硅灰反應機理：一方面，在上述兩種反應的交互作用下，隨著時間的推移，生成的膠凝物越來越多，其強度會隨之增強；另一方面，在超鹽漬土和石灰、硅灰的混合作用下，SO42-離子與Mg2+離子生成硫酸鎂，這能夠破壞水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，使得超鹽漬土的強度降低。可見，在兩方面作用的作用下，固化超鹽漬土的強度由硅灰、石灰和超鹽漬土三者之間的配比決定，合理的配比可使其抗剪強度取得較佳值。

2.3抗剪強度隨時間變化分析

隨著齡期的變化，各組試樣的抗剪強度指標發生了變化，28 d齡期與7 d齡期的抗剪強度指標差值見表6。

由表6和圖5、圖6可見：對于黏聚力，只有試件SF5Ca20 、SF5Ca40的黏聚力隨齡期的增長，是增加的，所有試件在石灰摻量為40%時達到極值點(最大增幅或者最小降幅)，故可確定40%石灰摻量為黏聚力的最佳配比點。對于摩擦角，試件SF1Ca20、SF1Ca60、SF3Ca20、SF3Ca60的摩擦角隨著齡期的增長是提高的，所有試件在石灰摻量為40%時達到最低點，故可確定40%石灰摻量為摩擦角的最劣配比點。

表6　抗剪強度指標的變化Tab.6　Change of shear strength indexes

圖5石灰和硅灰摻量與黏聚力增量的關系

Fig.5Correlation between dosage of lime-silicon fume and cohesion increment at age 28 d

圖6石灰和硅灰摻量與摩擦角增量的關系

Fig.6Correlation between dosage of lime-silicon fume and friction angle increment at age 28 d

2.4　抗剪強度參數分析

土的抗剪強度主要由土的摩擦角和黏聚力共同決定，在超鹽漬土固化中，石灰和硅灰摻量對黏聚力和摩擦角的影響規律不一致，那么，其最佳摻量選取是由摩擦角決定還是由黏聚力決定需要進一步分析確定。

土的抗剪公式為：

τ=σtanφ+c=γhtanφ+c，

(1)

式(1)中，τ為剪應力，σ為豎向應力，φ為摩擦角，c為黏聚力，γ為土的容重，h為土的埋深。顯而易見，抗剪強度由摩擦角(σtanφ)和黏聚力(c)共同決定。同種土樣的黏聚力為定值， σtanφ的大小由σ確定，而σ由土樣所處的埋深確定。不同土樣其抗剪強度大小由其自身的摩擦角和黏聚力確定，如何確定兩種土樣為抗剪強度較大者成為需要解決的問題。例如，28 d齡期的土樣SF3Ca40和SF5Ca20，土樣SF3Ca40的黏聚力大，但摩擦小；土樣SF5Ca20的黏聚力小，但摩擦大，那么是土樣SF3Ca40的抗剪強度大還是土樣SF5Ca20的抗剪強度大？為了解決此問題，可利用其抗剪強度差值Δτ確定。假定兩種土樣的容重相同(此處，土樣中摻入的石灰和硅灰劑量較小，可忽略其對土樣容重的影響)，則：

Δτ=γh(tanφ1-tanφ2)+c1-c2，

(2)

式(2)中，變量h即為土層所處的深度；φ1，φ2為土樣1、土樣2的摩擦角；c1，c2為土樣1、土樣2的黏聚力；如果土樣確定了，則摩擦角和黏聚力為常量，若Δτ大于零，即可認為土樣1強度高；若Δτ小于零，即可認為土樣2強度高；令Δτ等于零，利用式(2)可以解出抗剪強度差值為零的h值，此處，h稱之為臨界深度值，記為hcr，可由下式計算，即：

(3)

下面以土樣SF3Ca40和SF5Ca20為例，解釋如何利用公式(3)選擇土樣。設超鹽漬土的容重為17 kN/m3，利用公式(3)計算得出兩者的臨界深度為10.453 m。利用公式(1)計算出兩個土樣處于深度為10、10.453、11 m的抗剪強度見表7。

表7　土樣SF3Ca40和SF5Ca20不同深度的抗剪強度Tab.7　Shear strength of soil SF3Ca40 and SF5Ca20 at different depth　kPa

由表7可知：當土樣的埋深小于臨界深度時，土樣SF3Ca20的抗剪強度大；當土樣埋深大于臨界深度時，土樣SF3Ca20的抗剪強度大。當土樣埋深小于臨界深度時，采用土樣SF3Ca20；反之，采用土樣SF5Ca20。故在設計硅灰和石灰固化超鹽漬土時，為了獲得較好的抗剪強度，可由其所處的埋置深度，由臨界深度公式來判斷采用何種摻量的硅灰和石灰。

3　結　論

通過對7d、28 d齡期石灰硅灰固化改良超鹽漬土的抗剪強度試驗分析，得出結論：

①7 d齡期，1%硅灰摻量的固化超鹽漬土的摩擦角隨著石灰摻量的增加呈現先增加后減小的變化趨勢，3%、5%硅灰摻量的固化超鹽漬土的摩擦角隨著石灰摻量的增加而增加。

②28 d齡期，1%硅灰摻量的固化超鹽漬土的摩擦角隨著石灰摻量的增加而減小，3%、5%硅灰摻量的固化超鹽漬土的摩擦角隨著石灰摻量的增加而增加；對于各組的固化超鹽漬土，黏聚力隨著石灰摻量增加而增加。

③設計固化超鹽漬土時，推薦采用5%摻量的硅灰和20%～40%摻量的石灰。

④土的抗剪強度由摩擦角和黏聚力共同決定。本研究結果表明，隨著硅灰和石灰摻量的增加，黏聚力和摩擦角的變化基本相反，設計硅灰和石灰固化超鹽漬土時，為了獲得較優的抗剪強度，可根據其所處的埋置深度，由臨界深度公式來判斷采用何種摻量的硅灰和石灰。

[1]熊厚金，林天鍵，李 寧.巖土工程化學[M]. 北京：科學出版社，2009.

[2]陳煒韜,王明年,王鷹,等.含鹽量及含水量對氯鹽鹽漬土抗剪強度參數的影響[J]. 中國鐵道科學, 2006, 27(4): 1-5.

[3]譚冬生,孫毅敏,胡力學,等.新建蘭新鐵路新疆段沿線鹽漬土鹽脹特性、機理與防治對策[J]. 鐵道學報, 2011, 33(9): 83-88.

[4]周 琦，韓文峰，鄧 安，等.濱海鹽漬土作公路路基填料試驗研究[J]. 巖土工程學報，2006，28(9):1177-1180.

[5]MILLER G, ZAMAN M.Field and laboratory evaluation of cement kiln dust as a soil stabilizer[J]. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2000,1714: 25-32.

[6]李英濤，袁露.水泥改良鹽漬土強度形成機理微觀研究[J]. 公路，2013，3(1):164-168.

[7]于新，孫強.水泥石灰改良氯鹽漬土強度特性試驗研究[J]. 華東交通大學學報，2011，28(5):29-34.

[8]李宏波,田軍倉,何芳,等.水泥粉煤灰固化超鹽漬土的力學性能試驗研究[J]. 廣西大學學報(自然科學版), 2014，39 (4)：809-816.

[9]ISMAIL M A, JOER H A, SIM W H, et al.Effect of cement type on shear behavior of cemented calcareous soil[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2002, 128(6): 520-529.

[10]張超,黨進謙,馬曉婷.粉煤灰改良氯鹽漬土強度特性試驗研究[J]. 人民黃河, 2011, 33(7): 132-134.

[11]楊曉松,劉井強,黨進謙.粉煤灰改良氯鹽漬土工程特性試驗研究[J]. 長江科學院院報, 2012, 29(11): 82-86.

[12]李宏波,沈暉,沈杰.粉煤灰固化超鹽漬土的抗剪強度及耐久性[J]. 蘭州理工大學學報, 2015, 41(3): 140-144.

[13]李敏,柴壽喜,魏 麗.麥秸稈的力學性能及加筋濱海鹽漬土的抗壓強度研究[J]. 工程地質學報, 2009, 17(4): 545-549.

[14]楊繼位,柴壽喜,王曉燕, 等.以抗壓強度確定麥秸稈加筋鹽漬土的加筋條件[J]. 巖土力學, 2010, 31(10): 3260-3264.

[15]楊西鋒,尤哲敏,牛富俊,等.固化劑對鹽漬土物理力學性質的固化效果研究進展[J]. 冰川凍土, 2014, 36(2): 376-385.

[16]MILBURN J P, PARSONS R L.Performance of soil stabilization agents[R]. Kansas: Kansas Department of Transportation, 2004.

[17]崔永成.高摻粉煤灰水泥土力學特性實驗研究[D]. 銀川:寧夏大學, 2013.

[18]李宏波，田軍倉，陳文兵，等.水泥硅灰固化超鹽漬土的抗剪強度試驗[J]. 桂林理工大學學報，2015, 35(3)：508-513.

[19]韓 松,涂亞秋,安明喆,等.活性粉末混凝土早期收縮規律及其控制方法[J]. 中國鐵道科學, 2015, 36(1): 40-47.

[20]梁詠寧，王佳，林旭健.摻合料對混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響[J]. 混凝土，2011 (2): 63-65.

[21]劉斌云，李凱，趙尚傳.復摻粉煤灰和硅灰對混凝土抗氯離子滲透性和抗凍性的影響研究[J]. 混凝土， 2012 (11): 83-85.

[22]楊文武，錢覺時，黃煜鑌.海洋環境下硅灰混凝土的抗凍性與氯離子擴散性[J]. 重慶大學學報(自然科學版)，2009，32(2): 158-162.

(責任編輯唐漢民裴潤梅)

Investigation on shear characteristics of hypersaline soil improved by lime and silica fume

LI Hong-Bo1，2，3，TIAN Jun-Cang1，2，3，BIAN Xing1

(1.College of Civil and Hydraulic Engineering,Ningxia University, Yinchuan 750021,China;2.Ningxia Research Center of Technology on Water-saving Irrigation and Water Resources Regulation,Yinchuan 750021, China; 3.Engineering Research Center for Efficient Utilization of Water Resources in Modern Agriculture in Arid Regions.Yinchuan 750021, China)

In order to investigate the mechanical properties of lime and silica fume cemented hypersaline soil, 1%, 3%, 5% silica fume and lime of 20%, 40% and 60% of the silica fume were mixed into hypersaline soil from Yaofu, Pingluo, Ningxia, respectively. The shear strength of the stabilized hypersaline soils of 7 d and 28 d age was investigated by a triaxial test. The results show that, at the age of 7 d, when the content of silica fume is 1%, the friction angle of the hypersaline soil first increased and then decreased with the increase of lime dosage; that, at the age of 28 d, the friction angle decreased with the increase of lime dosage. When the content of silica fume is 3% and 5%, the friction angle and cohesion increased with the increase of the lime dosage at the age of 7 d and 28 d, respectively. The shear strength of the hypersaline soil is codetermined by the friction angle and cohesive force, but they have different trends of change with the increase of silica fume and lime. In order to determine the optimal content of silicon fume and lime in stabilized hypersaline soil to increase its shear strength, the critical depth formula is proposed, and the optimal content of the silicon fume and lime can be determined according to the formula.

hypersaline soil；silicon fume；lime； shear strength；critical depth

2016-04-12；

2016-05-20

“十二五”農村領域國家科技計劃資助項目(2012BAD08BO1-5)；教育部“長江學者和創新團隊發展計劃”創新團隊資助項目(IRT1067)；寧夏大學自然科學基金項目(ZR15029)

田軍倉(1958—)，男，陜西扶風人，寧夏大學教授，博士生導師;E-mail: slxtjc@163.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1145

TU411.7

A

1001-7445(2016)04-1145-08

引文格式：李宏波，田軍倉，邊興.摻加硅灰和石灰條件下的超鹽漬土抗剪特征研究[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：1145-1152.