土工格柵加筋粉煤灰改良黃土力學特性研究

王麗麗，謝婉麗，鐘秀梅，等.土工格柵加筋粉煤灰改良黃土力學特性研究［J］.地震工程學報，2024，46（2）：349357.DOI：10.20000j.10000844.20231008001

摘要：

隨著西部黃土地區城鎮化進程的加快，填挖結合的新增用地方式要求地基處理技術需要重點解決填方區的強度與變形問題。論文將粉煤灰作為改性填料對黃土進行改良，通過直剪試驗、三軸試驗、濕陷試驗與掃描電鏡試驗，分析不同粉煤灰摻入比條件下加筋與未加筋黃土試樣的強度變化規律、宏觀破壞特征和微結構特征。結果表明：采用粉煤灰改良和土工格柵加筋后，黃土的最優含水率增大，最大干密度降低。當粉煤灰摻入比λ=20%時，加筋改良效果最好，黃土的峰值強度、殘余強度和等效內摩擦角均有大幅提高，側向變形顯著減小，且能有效降低其濕陷性。微結構分析表明：粉煤灰對黃土的改良主要體現在顆粒直接填充和化學結晶體交織成的網狀填充兩種類型的強化作用，改良后黃土的孔隙率與孔隙尺寸均有所下降。研究結果可為黃土地區填方邊坡與填方路基的改良加固提供參考。

關鍵詞：

改良黃土;粉煤灰;土工格柵;應力應變;破壞特征;微結構特征

中圖分類號：TU41文獻標志碼：A文章編號：10000844（2024）02-0349-09

DOI：10.20000j.10000844.20231008001

0引言

隨著“一帶一路”倡議的深入推進和我國城鎮化建設的飛速發展，黃土高原地區已成為我國社會經濟發展戰略轉移的重點區域，原有土地難以滿足城鎮規模發展的需要，導致城市建設向河谷邊緣和高階地拓展，削山造地已成為新增用地的主要方式。對于填方區與填挖結合區而言，其變形和失穩的特殊之處在于：（1）不均勻變形問題。由于黃土的固結涉及時間效應，填方體會發生工后沉降［12］，且由于作為承載體的填方邊坡和路基的坡面實際上是處于無側限狀態，因此臨坡一側的變形較大，填方體易發生面向臨空面一側的鼓脹變形，導致填方體之上的基建工程產生沉降變形及結構開裂等破壞［3］。（2）由于填挖交界面兩側土體的密度與固結度不同，導致填挖交界面處的變形不協調、不連續的問題。因此，對填方區黃土進行改良處理時需要重點處理填方體的不均勻變形問題。

近年來，從節能環保角度出發，將建筑與工業廢棄料作為填料，與土工合成材料進行復合加筋的方式成為工程界與學術界關注的熱點。國內，王麗艷等［4］、李麗華等［56］、黃詳等［7］、郝建斌等［8］將廢棄鋼渣、建筑垃圾、稻殼灰、粉煤灰等作為改性填料，探討了改性填料的改良機制與改良后加筋土的力學性能；宋飛等［9］、褚峰等［10］在土工格室、纖維紗加筋土動力變形與動強度方面做了代表性的研究。國外，Prabhakara等［11］、Santos等［12］及Silva等［13］探討了廢棄鋼渣、建筑垃圾、粉煤灰和橡膠顆粒等材料與土工格柵聯合加固的機理，證實了廢舊填料與土工合成材料復合加筋技術的有效性和可靠性；Fabian等［14］、Abedi等［15］、Gao等［16］及Zhang等［17］采用室內試驗的方法，對土工合成材料加筋土的變形加固機制進行了探討。位于我國西北的黃土高原地區，每年由于發電和取暖會產生大量燃煤副產品，粉煤灰便是其中的一種主要組成成分?，F有的研究表明，粉煤灰是一種具有高吸附性和強吸水性的環境友好型填料［18］，將粉煤灰用作壩基、路基與地基的填充材料可有效降低土體的自重，減少沉降，提高土體抗剪強度。在粉煤灰改良黃土的抗濕陷與震陷方面，王俊等［1920］、李長雨等［21］、楊曉松等［22］做了大量工作。研究結果表明，粉煤灰作為改性材料，可使黃土的滲透系數增大，在處理黃土濕陷和變形方面具有良好的效果。對于填方工程而言，臨坡側的大變形引起地基和路基的不均勻沉降是限制工程用地的最大問題，土工格柵加筋技術可提高地基的整體性和抗拉強度［23］，有效限制側向位移，尤其是在處理填挖結合面處的變形協調方面，目前土工格柵加筋技術被證實是最有效的方法之一。因此，土工格柵加筋粉煤灰改良黃土方法是一種處理填方區黃土豎向變形與側向變形的有效方法。但是，土工合成材料加筋方法要求填料應優選級配、透水性較好的砂類土、碎（礫）石類土，以保證筋帶與填料之間能發揮較大的摩擦力，而黃土地區以黃土為主，只能就地取材，采用黃土作為加筋土填料。目前，土工格柵加筋黃土的相關力學特性、變形特性與關鍵技術等研究成果仍然較為匱乏，將粉煤灰與土工格柵粉同時用于處理黃土變形的相關研究成果相對較少。因此，研究粉煤灰土工格柵加筋改良黃土的物理力學特性具有重要意義。

基于以上分析，本文首先通過擊實試驗確定不同配合比的粉煤灰混合料最優含水率及最大干密度。在最優含水率及最大干密度條件下，在試樣中部加入土工格柵筋材，通過直剪試驗測定筋土界面摩擦強度。開展不同圍壓條件的三軸壓縮試驗，總結粉煤灰土工格柵加筋黃土的應力應變曲線變化規律和破壞特點，得到粉煤灰土工格柵對黃土的增強規律，繼而，基于強度與變形隨粉煤灰摻入比的變化規律，提出粉煤灰的最優摻入比。最后，通過掃描電鏡試驗，對粉煤灰土工格柵加筋三軸壓縮試樣破壞前后的筋土界面的微結構進行了分析，從細觀角度提出了粉煤灰土工格柵對黃土的增強機制。

1試驗方案

定義粉煤灰的摻入比λ=mfmd，即干燥的粉煤灰質量與干燥的黃土質量之比。粉煤灰摻入比分別為0、15%、20%、25%、30%共5種，土工格柵采用2cm（長）×2cm（寬）的經編類格柵，格柵放置在三軸試樣和直剪試樣的中間位置。三軸樣的直徑與高度為50mm×100mm。

采用靜壓制樣方法：先稱12試樣的重量，然后將格柵加入制樣桶正中間的位置，再加入剩余的12重量土體，通過兩端同時加壓，使試樣壓縮成型;成型后在制樣裝置內靜置10min后將試樣取出。

本試驗選用C類粉煤灰，其主要成分為SiO2（50%）、Al2O3（22.3%）、Fe2O3（10.5%）、CaO（7.2%）及少量Na、Mg等氧化物。

2粉煤灰配合比對最優含水率與最大干密度的影響

有研究表明，黏土在最優含水率狀態下，其加筋效果最為顯著［24］，因此對不同摻入比粉煤灰改良黃土進行了擊實試驗。試驗結果如圖1所示，圖中wop代表最優含水率，ρd代表最大干密度，λ代表粉煤灰摻入比。

由圖1知，黃土最優含水率隨著粉煤灰摻入比的增加而逐漸增大，這是由于粉煤灰具有良好的吸水性和吸附性，隨著粉煤灰摻入比的增加，混合料的保水能力逐漸增強，因此其最優含水率逐漸增大。黃土最大干密度隨著粉煤灰摻入比的增加總體呈現減小的變化趨勢，在摻入比為20%時略有增大。這是由于粉煤灰的顆粒比黃土顆粒大，且粉煤灰顆粒為多孔隙結構，相對密度小，因此隨著粉煤灰摻入比的增加，混合料的最大干密度趨于減小。黃土最優含水率和最大干密度隨粉煤灰摻入比的變化趨勢與祝艷波等［25］對粉煤灰改良紅泥層巖的研究結果一致。綜合黃土最優含水率與最大干密度隨粉煤灰摻入比的變化規律可知：摻入粉煤灰后，黃土的持水性變好，相對密度降低，這對于改善黃土的濕陷性和震陷性都是有益的。

3粉煤灰土工格柵改良黃土的筋土界面抗剪強度

在最優含水率和最大干密度條件下，制作不同摻入比的黃土直剪重塑樣，在重塑樣的中間部位加入土工格柵，通過直剪試驗測定筋土界面的抗剪強度。圖2為筋土界面抗剪強度τ′隨粉煤灰摻入比λ的變化曲線，圖3為未加筋時的粉煤灰改良黃土抗剪強度τ隨粉煤灰摻入比λ的變化曲線。

由圖2和圖3知：隨著粉煤灰摻量的增大，加筋和未加筋界面黃土抗剪強度皆呈先增大后減小的變化趨勢，在λ=15%～20%之間時，抗剪強度最大。

綜上，非加筋粉煤灰改良黃土抗剪強度與加筋粉煤灰改良黃土筋土界面抗剪強度差值Δτ=τ-τ′隨粉煤灰摻入比λ的變化規律，如圖4所示。

分析圖4知：（1）未加筋與加筋黃土的抗剪強度差隨粉煤灰摻入比的變化與抗剪強度變化趨勢類似，呈現先增大后減小的變化。（2）當Δτ為負值時，表明黃土筋土界面的抗剪強度大于未加筋時的抗剪強度，當圍壓σ3＞100kPa，λ≥25%后，Δτ為負值，黃土筋土界面的抗剪強度大于未加筋時的抗剪強度。（3）隨著圍壓的增大，Δτ值逐漸減小，即隨著筋材埋深的增加，筋土界面抗剪強度逐漸增大。綜上所述，由于土工格柵的存在，導致黃土筋土界面摩擦強度降低的情況隨著圍壓和粉煤灰摻入比的增加而減小。

4土工格柵加筋粉煤灰改良黃土的強度特性

圖5～圖7為不同圍壓下三軸壓縮試驗試樣的應力應變曲線，其中，ε為試樣軸向應變，σ3為圍壓，σ1為軸壓，（σ1-σ3）為偏應力。

分析圖5～圖7知：（1）粉煤灰與土工格柵對黃土強度的增強效應明顯。黃土在經過粉煤灰和土工格柵的改良后，其偏應力有明顯的增大。（2）相較于未加筋黃土試樣，不同粉煤灰摻入比加筋試樣之間的強度差值更明顯，且λ=20%時加筋試樣的殘余強度（15%應變對應的強度）大于未加筋試樣，50kPa、100kPa與200kPa的圍壓下，殘余強度分別提高了16.8%、15.3%與24.6%，這說明粉煤灰摻入比λ=20%時的加筋效果最好，同時也體現了格柵對土體增強作用的滯后現象。（3）綜合圍壓、粉煤灰摻量與加筋作用對黃土抗剪強度的影響知：隨著圍壓的增大和粉煤灰摻入比的提高，應力應變曲線逐漸由應變軟化型變為應變硬化型。考慮圍壓和密度的影響，有研究表明［26］，在低圍壓下應力應變曲線的變化規律與土體的密實度有關，松砂呈應變硬化型，密砂呈應變軟化型。對于黃土而言，粉煤灰的摻入在一定程度上填補了黃土的大孔隙結構，增大了土顆粒的密實度。因此，在低圍壓下，以λ=20%為界，隨著粉煤灰摻入比的增加應力應變曲線先呈應變軟化型，后呈應變硬化型，由此也進一步說明，粉煤灰對黃土的改良存在最優比。

圖8是對加筋與未加筋試樣的三軸壓縮峰值強度進行總結分析。

分析圖8知：與直剪試驗的抗剪強度變化曲線類似，粉煤灰加筋改良黃土三軸壓縮強度隨著粉煤灰摻入比的增加呈先增大后減小的變化規律，在摻入比λ=20%時，強度最大。加筋試樣各摻入比間的強度差值比未加筋試樣明顯。

根據等效內摩擦角的計算公式：

φ′=arctantanφ+cδ

式中：δ為等值法向應力。

取3個圍壓的平均值116kPa，將各配比的等效內摩擦角隨λ的變化曲線總結如圖9所示。將不同圍壓下粉煤灰土工格柵改良黃土與粉煤灰改良黃土的強度差Δ（σ1-σ3）隨λ的變化曲線匯總如圖10所示。

由圖9知，加筋后土體的等效內摩擦角大于未加筋土體，加筋效果在粉煤灰摻入比3.2＜λ＜24.0時較好;結合圖10中加筋與未加筋黃土試樣的三軸抗壓強度差可知，粉煤灰摻入比λ=20%時土工格柵的加筋效應最好，此時在粉煤灰與土工格柵聯合改良下，圍壓為50kPa、100kPa與200kPa的黃土抗壓強度可分別提高12.3%、9.9%與15%。

5破壞特點

σ3=200kPa時，統計分析粉煤灰改良黃土加筋前、后的三軸壓縮試樣破壞特征，如圖11所示。

分析圖11所知，粉煤灰摻量λ≥20%時，在加筋區，試樣側向變形量明顯減小，說明土工格柵可有效限制黃土側向位移;結合加筋試樣三軸壓縮峰值強度隨粉煤灰摻入比變化規律知，λ=20%時，粉煤灰加筋改良黃土的強度與側向變形特性達到最優。通過格柵斷面破壞形態可知，格柵的搭接處為筋材的軟弱點，試樣破壞時沿兩個搭接點形成剪切破裂面，在加筋截面上形成了“X型”破壞，同時，由于筋材的存在，阻止了試驗剪切破裂面的貫通，這對于提高邊坡的變形穩定性是極為有利的。

6抗濕陷特性

傳統上認為原狀黃土才存在濕陷性，實際上重塑黃土由于大孔隙結構并未完全消失，導致遇水后仍然會發生較大變形。由于20%粉煤灰摻入比改良黃土表現出了良好的強度與變形特性，因此以20%粉煤灰摻入比為例，對比分析了改良前后黃土的濕陷系數，如表1所列。

由表1知，壓實純黃土的濕陷系數為0.007，20%粉煤灰改良黃土為0.006，20%粉煤灰土工格柵復合改良黃土為0.004。由此可知，粉煤灰與土工格柵符合加筋后可有效提高重塑黃土的抗濕陷性，這也驗證了圖1中最優含水率與最大干密度隨粉煤灰摻入比變化規律的正確性。

7微結構特性

試驗結束后將土樣風干，通過掃描電鏡試驗（500倍），對比分析加筋前、后三軸試樣中間部位截面的孔隙率、平均孔隙寬度、平均孔隙長度等參數，從細觀結構角度對粉煤灰土工格柵改良效果進行統計分析。

將每個掃描試塊拍攝6張以上圖片，利用PCAS孔隙分析軟件求解3張以上圖像的參數平均值。定義孔隙降低率=（加筋前孔隙率-加筋后孔隙率）×100%加筋前孔隙率。圖像的孔隙率、平均孔隙寬度、平均孔隙長度以及對應的變化率隨粉煤灰摻入比變化如圖12所示。

由圖12可知，加筋后，黃土在加筋截面的孔隙率和孔隙尺寸都有明顯下降。純黃土的平均孔隙率為12.6%，粉煤灰加筋改良后孔隙率最大下降48%。分析孔隙結構隨粉煤灰摻入比的變化趨勢知，隨著粉煤灰摻入比的增加，黃土的孔隙率和孔隙尺寸呈現先減小后增大的變化趨勢，在摻入比為20%時，加筋后的孔隙率與孔隙尺寸最小，孔隙降低率最大。為了分析產生這種變化趨勢的原因，提取黃土在不同摻入比加筋截面的典型微結構圖像，如圖13所示。為了與原狀黃土對比分析，圖13還展示了原狀黃土在放大600倍狀態下的結構圖。

從微結構圖像中可以看出，黃土經過重塑夯實和粉煤灰改良后，表現出了明顯的絮凝狀結構，土顆粒間的接觸方式由點接觸變為面接觸，以鑲嵌孔隙和膠結物孔隙為主。隨著粉煤灰摻入比的增加，從圖13中可以明顯看出，黃土大顆粒周圍被細小顆粒包裹，黃土的大孔隙大幅減少。粉煤灰與黃土顆粒表面物質發生反應產生的結晶體交織成網狀，這種網狀結構對中小孔隙的填充作用明顯，在大孔隙間網狀結構斷開，因此對大孔隙的填充能力較弱。隨著粉煤灰摻量的增加，粉煤灰與黃土顆粒表面物質發生反應產生的結晶體達到飽和，這也是土樣的抗剪強度在粉煤灰摻入比λ=20%時達到峰值的主要原因。隨著粉煤灰摻量的繼續增大，粉煤灰小球狀顆粒間的直接接觸增多，粉煤灰顆粒偏向于砂性［2728］，粒間庫侖力與范德華力小于黃土顆粒，導致土顆粒間的黏結力減小，因此粉煤灰改良黃土的抗剪強度（圖8）、等效內摩擦角（圖9）與孔隙結構（圖13）都隨摻入比λ的增加產生了明顯的極值點。

8結論

本文總結分析了土工格柵加筋粉煤灰改良黃土的強度與變形特征、濕陷性特點，提出了粉煤灰改良黃土的最優配比，并從微細觀角度揭示了粉煤灰對黃土的改良機制。主要得到了以下結論：

（1）在粉煤灰良好的吸水性和吸附性作用下，粉煤灰改良黃土的最優含水率隨著粉煤灰摻入比的增加而逐漸增大。粉煤灰多孔隙結構、小比重的物理特性導致隨著粉煤灰摻入比的增加，粉煤灰改良黃土的最大干密度變小。

（2）隨著粉煤灰摻量的增大，黃土筋土界面的抗剪強度呈現先增大后減小的變化趨勢，在λ=20%時，抗剪強度和殘余強度最大，加筋效果最好。殘余強度的大幅提高體現了格柵對土體增強作用的滯后現象。濕陷系數表明，采用土工格柵加筋和粉煤灰改良后，重塑黃土的濕陷性顯著降低。

（3）經過夯實、加筋和粉煤灰改良后，黃土孔隙率和孔隙尺寸下降明顯。粉煤灰與黃土顆粒表面物質發生反應產生的結晶體對中小孔隙的填充作用明顯，對大孔隙的填充作用有限。隨著粉煤灰摻入比的增加，粉煤灰對土顆粒的物理填充和化學膠結作用在摻入比λ=20%時達到飽和。

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（本文編輯：張向紅）

收稿日期：20231008

基金項目：地震科技星火計劃（XH23043YA）;甘肅省科技計劃（21JR7RA788）

第一作者簡介：王麗麗，女，博士，副研究員，主要從事巖土地震工程方面的科研工作。Email：wll_11539@163.com。

通信作者：謝婉麗（1974-），女，博士，教授，主要從事地質災害防控與加筋土技術方面的研究工作。Email：xiewanli@nwu.edu.cn。