水玻璃和玻璃纖維聯合改良砂質黏性紫色土抗剪強度研究*

周超云 汪時機? 李 賢， 胡東旭 黃 偉 何丙輝

（1 西南大學工程技術學院，重慶 400715）

（2 西南大學資源環境學院，重慶 400715）

土體強度對邊坡、路基的穩定性至關重要，水土的保持亦是如此。長久以來，改良土體一直是科研及工程人員不斷追求的目標。對于不滿足工程要求的土，通常會對其采取夯實、壓密、置換土層的方式，隨著科學研究的深入，改良加固土體的方式日益豐富。如曲濤等[1］利用水泥砂漿固化淤泥質土，發現了加固效果最佳時所需的摻砂量。呂擎峰等[2］利用石灰粉、煤灰、水玻璃聯合加固硫酸鹽漬土，取得較好的加固效果。張雁等[3］使用石灰、煤矸石改良膨脹土，發現膨脹土的塑性、擊實性及抗剪性能明顯得到改善。傳統的改良方法效果良好但污染較大。近20年來，纖維加筋技術逐步興起，我國自20世紀90年代初陸續出現了關于纖維加筋土（Fiber reinforcedsoil）的研究[4-6］，取得了一系列成果，如魏麗等[7］研究麥秸稈纖維加筋海濱鹽漬土，發現纖維加筋土的黏聚力c大幅度提高，且土體的抵抗變形能力得到了提升。璩繼立等[8］研究了棕櫚絲與麥秸稈絲加筋上海地區黏土，發現這兩種材料均可以改善土的抗剪強度和抗變形性能，且棕櫚纖維加筋優于麥秸稈絲。國外學者Yetimoglu等[9-10］根據研究指出，在砂土中摻入纖維可明顯提高土體的殘余抗剪強度，且土的承載力隨著纖維含量的增加而逐漸提升。Mohamed[11］研究發現，隨著土體中纖維含量的增加，土體的抗剪強度也在逐漸提升，但當摻量達到1%時，抗剪強度開始下降。當然，除了化學改良和物理加筋的方式外，其他加固方式也在逐步興起，如近幾年出現的微生物加固技術(microbial-induced calcite precipitation, 簡稱為 MICP)，利用微生物誘導生成碳酸鈣膠結物，固化松散土體。由于此種加固方式較為綠色、環保，日益受到廣大學者的關注[12-13］。

傳統的土壤改良加固中常用到水泥，但水泥生產被認為是造成全球變暖重要因素之一[14-15］。因此本次試驗使用水玻璃（Na2SiO3?9H2O）和氯化鈣（CaCl2）與玻璃纖維聯合加固土體。水玻璃是一種使用廣泛的化學注漿材料，其成本低、無毒、適用性好[16-19］。對于水玻璃固化地層的機理，國內外諸多學者進行了研究[20-23］，目前的認識是：水玻璃與加入的反應劑（如石灰、粉煤灰）反應，生成硅酸凝膠，繼而在土顆粒間及表面形成膠凝薄膜，將土顆粒膠結并填充土中孔隙與裂隙，加強土顆粒的聯結，從而達到增強土體強度的效果。而玻璃纖維具有抗拉強度大、吸水性小、耐酸堿等優點，且其價格低廉[24］。相比于聚丙烯纖維，玻璃纖維加固土體方面的研究不多，因此開展對水玻璃和氯化鈣溶液與玻璃纖維聯合加固土體的研究具有重要的工程意義。

重慶地區的紫色土是由侏羅系沙溪廟組的紫色沙泥巖在頻繁的風化作用和侵蝕作用下發育形成的一種砂質黏性紫色土，原生礦物主要為石英和長石，黏粒礦物成分主要包括蒙脫石、蛭石和高嶺石，土體具有一定的濕脹干縮特性，容易在環境干濕交替作用下產生裂隙。經室內基本物理性質實驗測定，其粒徑全部小于2 mm，且粒徑在1～0.05 mm的顆粒含量占73.48%，按中國土壤質地分類屬于砂土；但同時，其塑性指數為14.8，又屬于黏性土；按照土壤學分類，試驗用土屬于侏羅系沙溪廟組紫色砂泥巖發育而成的紫色土；所以，結合土的工程分類，將其定義為砂質黏性紫色土（sandy clayey purple soil）。重慶紫色土地區容易發生淺層滑坡和水土流失災害。由于該土廣泛分布于川渝兩地，極具川渝特色，但在工程領域的研究頗少，鑒于該土較易發生地質災害，研究紫色土的改良顯得尤為迫切。

本文進行了不同配比的水玻璃、氯化鈣和玻璃纖維的強度試驗以及兩種溶液和纖維聯合改良土體的剪切試驗，得到了素土、兩種溶液改良土、纖維加筋土以及兩種溶液和纖維聯合改良土的剪切數據，通過分析對比，探討了水玻璃、氯化鈣和玻璃纖維聯合改良土體的強度變化特征。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

本次試驗用土為砂質黏性紫色土，取自重慶縉云山下西南大學實驗農場，取土深度為地表至以下50 cm左右，基本物理參數見表1；玻璃纖維購自上海臣啟化工科技有限公司，基本參數見表2；氯化鈣和九水偏硅酸鈉均為產自天津市致遠化學試劑有限公司的實驗分析純。主要試驗儀器為英國進口的GDS飽和土三軸儀，其主要操作方法是：先將制備好的土樣放置底座上，兩端各貼上一個與試樣相同大小的銅粉燒結成的透水石，安裝好試樣帽，蓋上壓力室，擰上螺栓，而后往壓力室注滿純凈水，然后，通過電腦軟件，將各個數據清零，再來設定試驗圍壓、軸向應變和剪切時間，點擊開始后，電腦自動記錄、處理數據。其優點是精度較高（軸向應力最大可達3 MPa，精度為0.000 1 kPa,應變可以精確到0.01 mm），數據的記錄、計算由電腦軟件控制，可以減少工作量及人為誤差。

1.2 試驗方案

將土碾碎、過篩，取小于2 mm的土放入電熱恒溫鼓風干燥箱中，烘箱溫度調至110℃，待24 h土烘干、冷卻后，稱取一定量的烘干土，配制試驗用土。在制備素土樣的過程時，稱取一定量的土樣，而后用噴壺均勻撒入純凈水，并將土拌勻，直至目標含水率；在制備溶液改良土樣的過程中，先稱取一定量的土，算出達到目標含水率時所需純凈水的量，而后將該純凈水量一分為二，一部分用于制備CaCl2溶液，另一部分用于制備Na2SiO3溶液（Na2SiO3?9H2O中所含結晶水在制備溶液時為自由水），在制備Na2SiO3溶液時，加入微量的NaOH，以防其水解。制備好溶液后，先均勻噴灑CaCl2溶液，將土拌勻后密封養護24 h后，再將剛制備好的Na2SiO3溶液均勻撒入樣土中，噴灑溶液時需翻動、拌勻土樣，以確保溶液反應完全；在制備纖維土的過程時，先稱取一定量的土，按照與干土質量百分比撒入對應量的纖維，而后與干土拌勻，再用噴壺均勻撒水，直至目標含水率；制備溶液與玻璃纖維聯合改良土樣的過程中，先按照制備纖維土的過程制備樣土，而后再噴灑CaCl2溶液，將土養護24 h后，再噴灑Na2SiO3溶液，并拌合均勻。制備好土樣后，將其裝入密封袋中養護48 h。

養護結束后，將土分五層倒入制樣器內，用壓實裝置將土制成50 mm×100 mm的試樣。各組試樣的初始含水率均為18%，干密度為1.60 g·cm-3，每組三個試樣。各組試樣的處理參數如表3所示。制完試樣后，用保鮮膜將試樣包裹，裝入密封袋，放入保濕缸，在室內室溫條件下養護7d。養護完成后，采用GDS飽和土三軸儀對其進行不固結不排水剪切，試驗圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa。剪切速率為0.828 mm·min-1，破壞標準按照峰值強度或15%軸向應變確定[7］。

表1 試驗土的物理力學性質Table 1 Physical and mechanical properties of the test soil

表2 玻璃纖維的物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of glass fiber

表3 試樣的試驗參數Table 3 Test parameters of the sample

2 結果與討論

2.1 Na2SiO3溶液和CaCl2溶液的添加量對強度指標的影響

為分析硅酸鈉Na2SiO3溶液和氯化鈣CaCl2溶液的百分含量對抗剪強度指標的影響，選取A0、B0、B1、B2、B3組數據進行分析，得到黏聚力c和內摩擦角φ值，詳見表4。

圖1是不同質量分數的Na2SiO3溶液和CaCl2溶液與黏聚力的關系曲線，圖2是Na2SiO3溶液和CaCl2溶液以1∶1的質量分數改良時的內摩擦角的關系曲線，圖中可以看出試樣的黏聚力和內摩擦角均是隨著溶液百分含量的增大而有所提高，其中，黏聚力增長的比較緩慢，而內摩擦角則增大的較為明顯，相比于A0組的素土，B3組溶液改良土的黏聚力增幅較小，而內摩擦角卻增加了71.80%。其原因是Na2SiO3溶液和CaCl2溶液發生雙水解反應，生成了硅酸凝膠、氫氧化鈣及氯化鈉，以及少量的Na2SiO3與生成的微容物Ca(OH)2溶液發生反應生成了水合硅酸鈣和氫氧化鈉。反應方程式如下：

式中，m為系數，根據反應條件、狀態確定。

表4 兩種溶液改良土的強度指標Table 4 Strength indices of the soil modified with the mixture of the two solutions

其主要加固機理是：經過Na2SiO3溶液和CaCl2溶液的相互作用和養護后，土體中生成大量的硅酸凝膠（SiO2(m-1)H2O）與微量的水合硅酸鈣（CaSiO3?2H2O）凝膠，而凝膠是一種致密體，生成后隨即黏附于土顆粒表面，逐漸成長，最終完全包裹土顆粒而使土顆粒逐步變大，堵塞土中縫隙，進而對試樣進一步填充，從而使得土樣更加密實，增強了土顆粒之間的相互擠壓。另一方面，生成的硅酸凝膠及水合硅酸鈣凝膠圍繞著土顆粒逐漸成長，其膠凝作用使土顆粒逐步團聚，最終將緊鄰的土顆粒聯結在一起，加強了土顆粒之間的聯系，間接地增強了土顆粒間的咬合能力，因此內摩擦角增大。但由于養護時間不足，硅酸凝膠和水合硅酸鈣的膠結作用發揮不充分，因而黏聚力增長的不明顯。且生成的硅酸凝膠和水合硅酸鈣未完全硬化，其本身的強度未充分發揮。

圖1 兩種溶液（1∶1）作用對黏聚力的影響Fig.1 Effects of the mixture of the two solutions (1∶1) on cohesion

圖2 兩種溶液（1∶1）作用對內摩擦角的影響Fig.2 Effect of the mixture of the two solutions (1∶1) on internal friction angle

2.2 纖維摻量對強度指標的影響

為分析玻璃纖維含量對抗剪強度指標的影響，試驗選出A0、C0、C1、C2、C3組數據，經分析，得到在控制干密度、含水率的條件下，玻璃纖維的百分含量對強度指標的影響，詳細的黏聚力c和內摩擦角φ值見表5。

表5 纖維土的強度指標Table 5 Fiber soil strength index

從圖3中可以看出, 在控制干密度、含水率及在不加入Na2SiO3溶液和CaCl2溶液的條件下,隨著玻璃纖維百分含量的增加，黏聚力一直在增長，相比于素土組A0，纖維土的黏聚力均大于素土，纖維摻量為0.8%時，纖維土黏聚力達到最大，相比于素土，黏聚力提高了47.06%。由圖4中可知,隨著纖維百分含量的增加，內摩擦角φ不斷增大，當摻量為0.8%時，內摩擦角達到最大，當摻量超過0.8%后，內摩擦角變化不明顯。

圖3 纖維摻量對黏聚力的影響Fig. 3 Effect of addition rate of the fiber on cohesion

圖4 纖維摻量對內摩擦角的影響Fig. 4 Effect of addition rate of the fiber on internal friction angle

其主要加固機理是：土中加入纖維后，細小的纖維絲被緊緊擠壓在土顆粒間，與土顆粒交織在一起，相互交錯、搭接，形成了諸多的纖維網，因此，增強了對土顆粒的約束能力，一定程度上限制土顆粒的自由移動，間接地增加了土的內聚力。當土體受到壓應力而發生形變時，由于土中纖維能夠承受較大的拉應力，因此，纖維的摻入極大地增強了土體的抵抗變形的能力，使得土體與纖維協調變形，共同承受壓應力，提高了土體的整體性，因此黏聚力增加，但當纖維摻量超過0.8%時，由于土中纖維含量過多，導致大量的土顆粒被分隔開，土顆粒之間的相互作用減弱，因而黏聚力減小。內摩擦角逐步增大的原因可能是土樣剪切面上的纖維分布與剪切方向不平行，一定程度上增大了土顆粒與纖維之間的咬合摩擦力，但是，當纖維摻量超過0.8%時，由于過多的土顆粒被纖維分隔開，導致土顆粒間的咬合作用減弱，一定程度上抵消了部分土顆粒與纖維之間的咬合摩擦力。

2.3 Na2SiO3溶液、CaCl2溶液和玻璃纖維聯合改良土的應力-應變關系

溶液纖維復合土在不同纖維摻量、不同圍壓下的應力-應變關系與素土的比較見圖5a～圖5c。從圖5a～圖5c中可以看出，在3個圍壓下，溶液、纖維聯合改良土的偏應力曲線均在素土偏應力曲線之上，當軸向應變小于1%時，各曲線偏應力增長迅速，但各曲線相差不大，當軸向應變大于1%時，隨著軸向應變的增加，偏應力曲線間距逐步增大，這說明當應變很小時，纖維的作用未完全發揮，故對偏應力的影響較小，纖維的加筋作用只有在稍大一點的軸向應變時才能發揮出來。且從纖維加筋溶液改良土的曲線來看，在相同的軸向應變時，隨著纖維含量的增加，偏應力明顯增大，曲線的斜率k也在逐漸增大，當兩種溶液的質量分數為20%，纖維摻量為0.8%，軸向應變為15%時，D3組的偏應力均大于其他組的偏應力，纖維加筋溶液改良土的曲線斜率k均大于素土，即kD3＞kD2＞kD4＞kD1＞kD0＞kA0，且在圍壓為100 kPa時，纖維加筋溶液改良土組D3的偏應力為443.73 kPa，較素土增長了112.29%，當纖維超過0.8%時，偏應力逐步減小。其主要原因是：一方面，土樣經過溶液改良后，生成的硅酸凝膠和水合硅酸鈣填充了土樣的孔隙，使土樣更加密實。另一方面，玻璃纖維具有較大抗拉強度，當軸向應變稍大一點時，纖維能夠將土顆粒緊緊包裹。隨著軸向應變的增大，纖維的加筋作用發揮的愈加明顯，因此產生相同的軸向應變時，纖維加筋土能夠承受更大的壓應力。且溶液和纖維聯合作用時，由于土樣更加密實，土顆粒與纖維的接觸愈發緊密，極大的增強二者協調變形的能力。當纖維摻量超過0.8%時，過多的纖維積聚在一團，阻斷了土顆粒的聯系，減弱了土顆粒間的引力，降低了試樣的均勻性和整體性，導致偏應力減小。

圖5 不同圍壓下偏應力與軸向應變的關系曲線Fig. 5 Relationship between deviatoric stress and axial strain under different confining pressure

2.4 Na2SiO3溶液、CaCl2溶液和玻璃纖維聯合作用對強度指標的影響

為了分析在Na2SiO3溶液、CaCl2溶液及玻璃纖維聯合作用對試樣抗剪強度指標的影響，試驗選取A0、B3、D0、D1、D2、D3、D4組作為對照試驗組，經過數據分析，得出以下幾組試樣的強度指標，詳見表6。

結合表6、圖6～圖7可以看出，在控制干密度為1.6 g·cm-3，含水率為18%時，素土的黏聚力略低于質量分數為20%的溶液改良土，而溶液改良土的黏聚力低于溶液、纖維復合改良土，且隨著纖維摻量的增加，纖維加筋溶液改良土的效果愈發顯著，當纖維摻量達到0.8%時，加筋效果最優，纖維加筋改良土的黏聚力相比于20%Na2SiO3溶液和20%CaCl2溶液作用時增大了72.39%，較素土提升了78.67%，當纖維超過0.8%后，改良土的黏聚力顯著下降。而溶液、纖維復合改良土的內摩擦角較兩種溶液單獨作用時變化不大。

其主要機理是：經過20%Na2SiO3溶液、20%CaCl2溶液初步改良后，生成的硅酸凝膠和水合硅酸鈣顆粒填充了土樣的孔隙和裂隙，使土樣變得更加密實，進一步增加了纖維與土顆粒的接觸面積，從而增大了土顆粒對纖維的擠壓，且硅酸凝膠和水合硅酸鈣的膠結作用進一步加強了纖維與土顆粒之間的黏結，增強了纖維限制土顆粒移動的作用以及土顆粒與纖維協調變形的能力，使得土樣的整體性得到提高，因此黏聚力進一步提升。當纖維摻量超過0.8%后，過多的纖維將大量的土顆粒分隔開，土顆粒間的引力大大減弱從而導致黏聚力減小。而纖維加筋溶液改良土的內摩擦角較兩種溶液單獨作用時變化不大，其原因可能是纖維的摻入并未改變土顆粒的粗糙程度，且由于土樣更加密實，土顆粒與纖維協調變形的能力大大提升，土樣的整體性得到提高，因此，土樣內部的剪切面開展的并不明顯，因而與剪切面相交的纖維和土顆粒之間的咬合摩擦作用沒有充分發揮。但當纖維含量超過0.8%時，纖維與土顆粒間的接觸面積雖然增加，但過多的纖維阻斷了土顆粒的咬合，且易抱團，降低了試樣的均勻性和整體性，導致內摩擦角未增加。

表6 添加兩種溶液和纖維后的強度指標Table 6 Strength indices of the soil modified with the two solutions and fiber in combination

圖6 纖維摻量對溶液（1∶1）改良土黏聚力的影響Fig. 6 Effect of addition rate of the fiber on cohesion of the soil already modified with the two solution(1∶1)

圖7 纖維摻量對溶液（1∶1）改良土內摩擦角的影響Fig. 7 Effect of addition rate of the fiber on soil internal friction angle of the soil already modified with the two solutions（1∶1）

3 結 論

在砂質黏性紫色土中加入Na2SiO3溶液和CaCl2溶液后，能有效提高土體的內摩擦角，對黏聚力的效果不明顯。隨著Na2SiO3溶液和CaCl2溶液的質量百分數的增大，土體的內摩擦角逐漸增大；在土中摻入一定量的玻璃纖維，能夠有效提高土體的黏聚力，隨著玻璃纖維摻量的增大，加筋效果也愈發明顯，當纖維達到0.8%時，其加筋效果最好，黏聚力增加了47.06%。同時，土體的內摩擦角也隨著纖維摻量的增大而逐漸提升，但當纖維摻量大于0.8%時，內摩擦角變化不明顯；在質量分數為20%Na2SiO3溶液和20%CaCl2溶液改良后的砂質黏性土中摻入玻璃纖維后，通過實驗結果可以看到，溶液、纖維聯合加固土的偏應力和黏聚力明顯大于溶液改良土和素土。當軸向應變大于1%，隨著纖維含量的增大，溶液、纖維聯合加固土的偏應力和黏聚力逐漸增大，其增長速率也在逐漸增加，且均大于素土，即kD3＞kD2＞kD4＞kD1＞kD0＞kA0。且軸向應變為15%時，質量分數為20%的溶液和0.8%的纖維聯合改良土（D3組）的效果最好，偏應力明顯大于其他組。而內摩擦角與溶液單獨改良時相差不大。研究表明，溶液、纖維聯合改良的效果要優于溶液單獨改良，相比于素土，黏聚力提升巨大，內摩擦角也有一定的提升。