黃土滲透和強度性能的改良優化

朱 敏，倪萬魁，苑康澤，李 蘭，李向寧，王海曼

黃土滲透和強度性能的改良優化

朱 敏，倪萬魁，苑康澤，李 蘭，李向寧，王海曼

(長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054)

為探尋適用于黃土地區海綿城市建設的具有較高強度和防滲性能的路基換填材料，通過對摻入水泥、聚丙烯纖維、膨潤土的黃土進行強度和滲透性試驗，并基于正交試驗和田口方法的信噪比分析，獲得了改良黃土各摻量的最優配比方案。結果表明：水泥摻量對改良黃土的無側限抗壓強度影響最顯著，聚丙烯纖維摻量和長度對其滲透系數影響最大；改良黃土各摻量的最優配比為聚丙烯纖維長度取12 mm、聚丙烯纖維摻量取0.3%、膨潤土和水泥摻量分別取3%和8%；在3、7、14 d養護齡期下，最優配比改良黃土的強度和滲透性能均優于不同配比的石灰改良黃土。改良的黃土各摻量最優配比可為黃土地區海綿城市道路建設中的路基處理提供參考。

改良黃土；聚丙烯纖維；膨潤土；無側限抗壓強度；滲透系數

濕陷性黃土地區海綿城市的道路建設項目不僅需要控制路面雨水徑流和下滲，還需處理低影響開發設施的組合銜接關系，致使路基處于復雜的入滲環境。若路基墊層防滲效果欠佳，水穩性差，則下部黃土遇水結構破壞，強度降低，會導致路面開裂和塌陷，危害車輛和行人。因此，研究具有較高強度和較好抗滲性能的路基換填材料對濕陷性黃土地區海綿城市道路建設意義重大。

國內外學者針對黃土的強度和滲透性改良取得了一定成果。王銀梅等[1]研究水泥和SH固化材料對黃土強度和滲透性能的影響，并得出合適的摻比；張麗萍等[2]研究黃土摻入SAA等化學固化劑后力學和水力方面的性能；M. S. Jalil等[3]研究了再生聚酯纖維與納米SiO2作為黃土新型穩定劑對黃土基本參數和抗剪強度的影響，表明新型穩定劑的摻入會降低黃土的最大干密度而增大其最優含水率，且在4%左右摻入比時抗剪強度最大；M. Monire等[4]采用天然沸石和再生聚酯纖維替代水泥，得出強度性能方面等效的摻入配比組合；Zhang Youchao等[5]對水泥、石灰、沙子和稻草摻入黃土后的應力應變狀態進行系統試驗，并提出其本構模型；Yang Bohan等[6]研究改性聚丙烯纖維對水泥固化黃土的強度影響，表明纖維在0.30%~0.45%摻量時無側限抗壓強度最高。針對各種材料配比方案的研究方法，溫亮等[7]運用正交試驗研究水泥、粉煤灰、煤渣、吹填粉細砂混合料的強度；H. Vardhan 等[8]運用人工神經網絡模型研究密度、水分、纖維含量對土壤無側限抗壓強度的影響。上述研究多側重于黃土強度或滲透性等單方面性能的改良，針對兩者綜合考慮的研究較少。

鑒于海綿城市道路建設的需求，通過對摻入水泥、聚丙烯纖維、膨潤土的黃土進行強度和滲透性能試驗，基于正交試驗和田口方法的信噪比分析，確定改良黃土各摻量的最優配比，并與石灰改良黃土進行對比分析，為黃土地區海綿城市道路建設提供參考。

1 試驗過程

1.1 土樣及材料性質

試驗土樣取自陜西省西安市西咸新區，取樣深度3 m。天然含水率12.2%，塑性指數10.8，濕陷系數0.093，屬于粉質黏土。試驗纖維采用聚丙烯纖維，為高強度束狀單絲有機纖維，化學性質穩定，相關指標見表1。水泥使用當地常用的32.5普通硅酸鹽水泥，相關指標見表2。膨潤土為納基膨潤土，主要成分為蒙脫石，具有很好的膨脹性、吸附性等(表3)。

1.2 試驗方案

由于水泥和聚丙烯纖維在改良效果上具有協同效應，可提高強度并增強韌性，在復雜入滲條件下更加穩定。膨潤土在降低土壤滲透性的同時可吸附重金屬等污染物質[9]，能滿足海綿城市復雜入滲條件下的防滲和環保要求。因此以水泥摻量、聚丙烯纖維長度、聚丙烯纖維摻量、膨潤土摻量為試驗因素。出于經濟和工程適用性考慮，每個因素取3個水平，其具體數值取可反映其影響規律的代表性數值[10-13]，聚丙烯纖維長度() 取6、12、18 mm，聚丙烯纖維摻量()取0.1%、0.3%、0.5%、水泥摻量()取3%、5%、8%、膨潤土摻量()取1.5%、3%、4.5%，摻量為質量比，即材料和干土的比值，數據見表4。試驗考慮了4種因素3個水平，適用于正交試驗設計表L9(34)，共9組試驗數據(表5)。

表1 聚丙烯纖維物理性質

表2 水泥性能參數

表3 膨潤土主要化學成分

表4 試驗因素與水平

表5 L9(34)正交試驗設計表和試驗數據

1.3 試樣制備

先將試驗用土碾碎，放置干燥處風干，測其含水率，再將土樣過篩，復測其含水率，后按照正交試驗表格設置的配比把膨潤土、水泥、聚丙烯纖維混入，為使聚丙烯纖維在試樣中均勻分布，可先將聚丙烯纖維浸水散開，風干后拌入，方法為濕拌法。加水拌和至各組試樣最優含水率，以94%壓實度制備[14]。制作的樣品均放入保濕箱進行濕潤養護，箱內養護溫度為 20℃左右，濕度為70%，初始養護齡期為3 d。無側限抗壓強度試樣為圓柱樣，底面直徑39.1 mm、高80 mm，試驗儀器為YSH-2 型石灰土無側限壓力儀，控制試驗速率為0.8 mm/s，至少進行3次平行試驗。滲透試驗試樣為滲透環刀樣，底面直徑61.8 mm、高40 mm，試驗儀器為TST-55 型滲透儀，每次試驗測得滲透系數需在同一個數量級下波動不超過3。

1.4 分析方法

田口方法的參數設計過程采用正交試驗表構建實驗數組，在考慮結果穩健性前提下，利用均值、信噪比和方差進行多級分析，優化具有一個或多個性能特征的試驗方案。信噪比分析是最主要的分析手段，信噪比作為優化分析中的評估特征值，物理意義明確，值愈大代表愈接近特性目標[15-16]。主要分析步驟如下：

①確定特性指標的優選目的，分為3類，包括望大(特性目標愈大愈好)、望小(特性目標愈小愈好)、望目(愈接近某一確定的特性目標值愈好)，本試驗主要涉及望大和望小特性。

②統計和計算試驗數據，采用下面的公式計算望大特性、望小特性的信噪比；

③進行極差、方差和信噪比分析。

④確定最優試驗配比方案并進行預測和檢驗。

在各因素水平中，信噪比最大的因子水平最優。因此，對于具有多個性能指標的綜合性能優選，田口方法中最直接的分析方法是信噪比累加法，即將不同性能指標下的信噪比進行加和，加和后信噪比最大的因子水平對優選目標最顯著，若綜合性能中各單獨指標的單位差異過大或要求不同權重，則需進行均一化或加權處理。

2 結果與討論

正交試驗表(表5)中9組試樣養護到3 d后進行強度和滲透試驗，獲得的滲透系數和無側限抗壓強度數據進行信噪比處理后見表6。表6中信噪比均一化累加和經滲透系數和無側限抗壓強度信噪比均一化后相加而得，旨在獲得考慮無側限抗壓強度和滲透系數綜合指標的最優配比方案。

表6 數據的信噪比處理

2.1 滲透性分析

為考察水泥摻量、聚丙烯纖維長度、聚丙烯纖維摻量和膨潤土摻量對滲透系數的影響程度及獲得顯著性影響因素，進行極差分析和方差分析，分析結果見表7和表8。

表7 滲透系數信噪比極差分析

表8 滲透系數信噪比方差分析

由表7滲透系數的極差分析可知，各因素水平中極差從大到小分別為聚丙烯纖維摻量、聚丙烯纖維長度、水泥和膨潤土。其中聚丙烯纖維摻量的聚丙烯纖維長度極差相對較大，這是因為纖維在土體中均勻分布，一定程度上增大了水分子在土顆粒間的滲流通道，使滲透性增強。常志璐等[17]研究椰絲纖維對固化土的滲透系數影響也得到類似的結果。

聚丙烯纖維摻量和聚丙烯纖維長度的滲透系數信噪比均隨著因數水平變大，呈先緩慢增加后急劇減小的變化趨勢，表明存在一個最優的因素水平，根據結果可知，12 mm長度和0.3%摻量水平最優。這是因為加入少量較短的纖維時，盡管有利于連通孔隙并疏導水分，但聚丙烯纖維呈中空狀，受擠壓會形成閉孔隙，在膨潤土遇水膨脹和水泥固化共同作用下也會抑制滲流。在纖維摻量和長度增加后，由于試樣尺寸等因素，疏導水分作用和纖維本身孔隙中的毛細作用起到的“虹吸”作用會加強，大于抑制作用，進而加速滲透，使信噪比值減小，不利于滲透。

膨潤土摻量水平和滲透系數信噪比呈負相關，接近于線性關系。這表明膨潤土顆粒在試樣中均勻分布，遇水膨脹，減少試樣中的較大孔隙，滲流遭到抑制，摻量越大，作用越明顯。

水泥摻量在3%時滲透系數信噪比最大，隨摻量增加呈先減小后增大趨勢。這是因為水泥在一定摻量下對試樣的滲透性的影響和被摻入土本身性質、干密度、養護環境等因素有很大關系，通常在摻量較低時，水泥的固化作用通常會優先封閉或者減少較大孔隙，不利于滲透，在摻量較大時抑制效果作用便不明顯。陶高梁等[18]在研究低摻量(4%~12%)水泥對紅黏土滲透系數影響時有類似的結論。

綜上，12 mm長度、0.3 %摻量的聚丙纖維配合4.5%膨潤土摻量及3%水泥摻量是滲透系數的最優配比選擇。

通過方差分析可以說明各因素對滲透系數的影響程度，由于試驗設計為4因素3水平的正交表格，可通過各因素均方差所占百分比去說明各因素的影響程度。根據表8中滲透系數的方差分析，聚丙烯纖維長度和摻量的值分別為40.55%和35.91%，均大于膨潤土和水泥因素值和，因此，影響滲透系數的顯著性因素為聚丙烯纖維長度和聚丙烯纖維摻量。

2.2 無側限抗壓強度分析

由表9無側限抗壓強度的極差分析可知：水泥因素的信噪比極差最大，其極差值大于其余3個因素水平極差值和的2倍，表明水泥對無側限抗壓強度的影響遠大于聚丙烯纖維長度和聚丙烯纖維摻量以及膨潤土摻量的影響。

水泥摻量對無側限抗壓強度影響隨摻量近似線性增加，這是因為水泥摻入土中可分別通過水化反應和置換反應生成水化硅酸鈣和水化硫酸鋁鈣， 2種反應物附著在土顆粒表面，填充空隙，提高土體強度，摻量越大，生成反應物越多。

表9 無側限抗壓強度信噪比極差分析

聚丙烯纖維長度水平對無側限抗壓強度的影響為先減小再增加，在18 mm時相對較好，但整體在信噪比均值附近小幅度變化；聚丙烯纖維摻量水平增加時，無側限抗壓強度呈近似線性增大，在0.5%摻量取值最優。這是因為聚丙烯纖維摻入土體中呈現復雜的三維空間交錯網格，限制土顆粒相對位移，且通過擠壓可增大土顆粒和纖維摩擦力，宏觀上表現出抗壓強度增大，土體韌性增加，但需控制在一定范圍內。而纖維長度受試樣大小、纖維均勻分布等因素影響較大，無側限抗壓強度在一定范圍內隨著長度增加難以呈線性增長趨勢。

隨著膨潤土摻量增加，無側限抗壓強度信噪比呈緩慢增加再減小趨勢，在3%時相對較優，和王澤東等[19]研究膨潤土對水泥土的無側限抗壓強度影響結論類似。

綜上，18 mm長度、0.5%摻量的聚丙纖維配合3%膨潤土摻量及8%水泥摻量是無側限抗壓強度的最優配比選擇。

基于表10中無側限抗壓強度的方差分析，水泥摻量的值為93.61%，聚丙烯纖維長度和聚丙烯纖維摻量及膨潤土摻量的值累計不超過7%，因此影響無側限抗壓強度的顯著性因素為水泥摻量。

表10 無側限抗壓強度信噪比方差分析

2.3 綜合性能分析

滲透系數和無側限抗壓強度是2個不同的性能指標，數值單位差異很大；通過田口方法中的信噪比分析對數據進行處理后，無側限抗壓強度和滲透系數信噪比值的極差分別為10.09和24.36，相差依舊較大，說明利用信噪比累加法綜合分析2個指標的最優選，無法保證滲透系數和無側限抗壓強度的同等權重，因此，利用“均一化”處理，將不同指標信噪比值分別除以其極差，再利用信噪比累加法獲得綜合最優配比(表6)。

經“均一化”處理后，信噪比累加和的極差分析見表11，由表11獲得信噪比累加和的主效應圖，可直觀表現各因素的優選性(圖1)。因信噪比越大表示結果越好，故聚丙烯纖維長度取12 mm，聚丙烯摻量取0.3%，膨潤土摻量取3%，水泥摻量取8%是綜合性能的最優配比方案。

表11 綜合性能信噪比極差分析

圖1 信噪比累加和的主效應圖

2.4 對比分析

綜合性能的最優配比方案為：聚丙纖維長度12 mm、0.3%聚丙纖維摻量配合3%膨潤土摻量及8%水泥摻量。其3 d養護齡期的無側抗壓強度和滲透系數分別為1 174.5 kPa和8.087×10–6cm/s。試驗測得未摻和材料的壓實黃土無側限抗壓強度為41.4 kPa，滲透系數為4.261×10–5cm/s，縱向對比可知，最優配比樣無側限抗壓強度是壓實黃土樣的28倍，滲透系數則相比降低了81%。

目前，在黃土地區采用石灰改良黃土應用較廣，其在強度和滲透性上均具有較好的改良效果，因此，橫向對比對象選擇灰土，配比選擇1︰9、2︰8和3︰7[20]。試驗考慮3、7、14 d養護齡期下最優配比試樣與不同配比灰土的無側限抗壓強度和滲透系數對比，結果如圖2和圖3所示。由圖可知，不同齡期下灰土3種配比的滲透系數總體變化不大，在同一個數量級下波動小于2，除3︰7灰土隨齡期近線性減小外，其余2個配比灰土變化趨勢不明顯，整體上1︰9灰土滲透系數最小。最優配比試樣滲透系數隨著齡期略微增加，在14 d時超過1︰9灰土試樣，但差距較小。綜合而言，最優配比試樣滲透系數在不同齡期下最小。

圖2 滲透系數對比

圖3 無側限抗壓強度對比

橫向對比可知，最優配比試樣在不同齡期下無側限抗壓強度均大于不同配比灰土，且隨齡期增加而增大，在14 d齡期時增大趨勢尚未減小。不同配比灰土無側限抗壓強度同樣隨齡期增加而增加，但在養護14 d時增加趨勢已明顯放緩，其中除3︰7灰土強度數值明顯偏小，1︰9灰土和2︰8灰土強度數值在不同齡期下較為接近。

3 結論

a. 在黃土中摻加聚丙烯纖維、膨潤土、水泥可顯著提高土體無側限抗壓強度，同時降低其滲透系數。

b. 試驗設置的4種因素3個水平中，水泥摻量對無側限抗壓強度影響最顯著，其影響遠大于聚丙烯纖維和膨潤土，且隨摻量增加強度增大。聚丙烯纖維長度和摻量對滲透系數影響最顯著，且隨長度和摻量水平變化滲透系數均先緩慢減小，再急劇增大。

c. 在3 d養護齡期下無側限抗壓強度和滲透系數綜合性能的最優配比方案是：聚丙烯纖維長度12 mm、聚丙烯纖維摻量0.3%、膨潤土摻量3%、水泥摻量8%。

d.在3、7、14 d養護齡期下對比最優配比方案試樣和不同配比石灰改良黃土試樣的強度和滲透性表明，最優配比方案試樣總體占優。

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Improvement and optimization of permeability and strength properties of loess

ZHU Min, NI Wankui , YUAN Kangze, LI Lan, LI Xiangning, WANG Haiman

(College of Geology Engineering and Geomatics, Chang’an University, Xi’an 710054, China)

When constructing a sponge city in a collapsible loess region, the reinforcement of the loess roadbed needs to consider the permeability. In order to explore the roadbed fillers with higher strength and impermeability suitable for the construction of sponge city in loess area, this experimental study was performed to investigate the effect of polypropylene fibers in combination with cement and bentonite as a new stabilizer for improving the geotechnical properties of the loess. The Taguchi method was applied to the experiments and a standard L9 Orthogonal Array with four factors(Polypropylene fiber length, Polypropylene fiber content, cement content and bentonite content) and three levels were chosen. A series of unconfined compression and permeability tests were conducted on each specimen. And the signal-to-noise ratio analysis of orthogonal test and Taguchi method had obtained the optimal proportioning scheme for each mixing amount of improved loess. The results of these tests showed: that the most effective material for increasing the unconfined compressive strength of the samples was cement. Polypropylene fiber has the greatest influence on the permeability coefficient of the samples. Taking unconfined compressive strength and permeability coefficient as evaluation indexes, the optimum conditions for curing times of 3 days were Polypropylene fiber length(12 mm)、content(0.3%), cement content(8%) and bentonite content(3%). The optimum conditions test results were also superior in comparison with the lime-loess at 3, 7, and 14 days of curing time. The results of the study provide some reference for the subgrade treatment in sponge city road construction.

improved loess; polypropylene fibers; bentonite; unconfined compressive strength; permeability coefficient

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TU444

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.026

1001-1986(2020)06-0195-06

2020-04-22；

2020-09-23

陜西省重點研發計劃項目(2019ZDLSF05-07)

Key R&D Projects of Shaanxi Province(2019ZDLSF05-07)

朱敏，1995年生，男，安徽蕪湖人，碩士研究生，從事黃土改良方面的研究. E-mail：714074428@qq.com

倪萬魁，1965年生，男，寧夏固原人，工學博士，教授，博士生導師，研究方向為巖土力學與工程. E-mail：niwankui@chd.edu.cn

朱敏，倪萬魁，苑康澤，等. 黃土滲透和強度性能的改良優化[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(6)：195–200.

ZHU Min，NI Wankui，YUAN Kangze，et al. Improvement and optimization of permeability and strength properties of loess[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：195–200.

(責任編輯 周建軍)