堿渣混合加筋砂土直剪試驗研究

林 旭，楊步仁，朱進軍

（連云港職業技術學院建筑工程學院，江蘇連云港222006）

純堿作為一種非常重要的工業原料，在我國工業化進程中發揮了不可或缺的作用。目前氨堿法制堿工藝較為成熟，應用廣泛，每生產1噸純堿，其中含廢渣約300～600kg[1]。連云港地處東部沿海地區，具有豐富的海洋資源，連云港堿廠作為20世紀80年代中國三大堿廠之一，為國家工業化生產提供了大量原材料，工業堿渣作為制堿過程中排放的廢棄物，無論堆放或者排入海洋都會對環境造成極大的污染，嚴重制約了企業的可持續發展戰略，造成企業生產負擔[2]。因此，筆者從堿渣的資源化利用角度進行研究，以期為其資源化利用的可行性提供依據。

張鵬等通過對濱海軟土摻入堿渣的混合試樣進行無側限抗壓強度的試驗，認為堿渣摻量對混合土強度有一定程度提高作用[3]。馬純杰等認為堿渣具有良好的級配特性，與其他工程土能夠較好地混合形成穩定密實結構[4]。邵勇等通過抗壓強度試驗分析了堿渣淤泥制磚法的可行性，為堿渣資源化利用提供了較好的工程依據[5]。于水軍等通過堿渣與粉煤灰混合物的擊實試驗和強度試驗，相關各項指標均符合國家標準，表明堿渣是一種良好的路基填筑材料[2]。鄭敬云等通過在淤泥中加入堿渣等固化劑，對混合土進行了直剪試驗、固結試驗和無側限抗壓強度等試驗，通過堿渣摻入量研究固化材料的經濟性和適用性[6]。楊久俊等通過試驗得出，堿渣與粉煤灰和水泥的混合能夠產生絡合物，具備了制作砂漿混合料的條件[7]。徐林榮等研究了豎向荷載、土工格柵及剪切速率對膨脹土與格柵的界面作用特性[8]。Chia-Nan Liu等人研究了砂土與土工格柵的界面特性，揭示了界面摩擦特性的規律[9]。徐超等控制豎向循環荷載的施加，通過動力試驗手段來研究筋土界面強度特性[10]。由于堿渣自身的力學性能較差，需要配以一定量的固化劑來提高其強度，導致堿渣工程應用的效果不是很理想。同時，關于堿渣砂土混合土的土工合成材料加筋性能方面的試驗研究少有報道。所以，筆者旨在通過室內直剪試驗來研究土工格柵加筋下的堿渣砂土的加筋土界面性能，分析混合堿渣摻入量及砂土的顆粒級配對于堿渣混合土抗剪強度以及變形特性的影響，以期為工程應用提供一定的理論依據。

1 試驗設備與材料選取

1.1 試驗設備

本試驗采用Geocomp公司生產的室內直剪儀，如圖1所示。該儀器由自動化設備構成，豎向反力框架用來施加豎向荷載，儀器左側配置操作控制面板，能夠實現豎向加載、水平剪切以及采集數據和處理結果等功能，并且可通過控制剪切速率和剪切應力模擬實際工況。

圖1 室內直剪儀

直剪儀剪切盒的有效尺寸為305mm×305mm×100mm，下剪切盒較上剪切盒略長，可以有效降低由于剪切面積減小造成的截面應力分布不均勻的問題。水平及豎向應力通過伺服電機實現加載，水平及豎向剪切位移由高精度傳感器采集，由自帶軟件對原始試驗數據進行采集分析。

1.2 試驗材料

1.2.1 砂樣

土樣采用福建ISO標準砂，通過0.4mm篩孔直徑將其篩分成細顆粒砂、粗顆粒砂和原狀標準砂三種，來研究摻入堿渣的不同顆粒級配混合砂土的界面特性。三種砂的物理性質指標如表1所示，顆粒級配曲線如圖2所示，具體土樣如圖3所示。

表1 砂土的物理性質指標

圖2 砂土級配曲線

圖3 試驗用標準砂

1.2.2 堿渣

堿渣來自連云港堿廠廢棄的堿渣堆放池，呈現流塑狀態，需要進行晾曬粉碎后方可使用。其化學成分主要包含CaO、CaCl2、SiO2、MgO等，堿性成分較高，活性好，經測定含水量約85%，液限為68.9%，塑限為41%。堿渣試樣如圖4所示。

圖4 堿渣

1.2.3 土工合成材料

本試驗所用的土工合成材料為聚丙烯雙向拉伸土工格柵，其在道路邊坡工程中具有廣泛的應用。在車輛荷載作用下，土工格柵和土體之間的摩阻力對土體側向變形起到了制約作用，對路堤斷面以及舊路改造的沉降情況進行有效的改善。土工格柵試樣如圖5所示，相關技術指標詳見表2。

圖5 土工格柵

表2 土工合成材料技術指標

2 試驗方案

為系統研究堿渣混合砂土試樣的筋土界面剪切特性的影響因素，筆者和課題組成員認真研究，制定了以下的試驗方案：（1）堿渣擬按照8%、15%、30%的比例與標準砂土攪拌混合，施加豎向荷載100kPa；（2）采用15%的堿渣摻入量混合細顆粒砂土和粗顆粒砂土以及標準砂，密實狀態下施加豎向荷載50kPa、100kPa、150kPa；（3）通過擊實手段控制堿渣摻入量為15%的標準砂形成密實與松散兩種狀態，施加豎向荷載50kPa、100kPa、150kPa；根據《公路工程土工合成材料試驗規程》考慮土工格柵開口較大，剪切速率定為1.3mm/min以保證試驗過程中土工格柵能夠較快發揮摩阻力。由于儀器豎向加載架的限制，可通過專用重錘擊實次數和裝填質量來控制：將試樣分5層，每層2cm裝填砂土，并用擊錘擊實至標定高度，以盡可能確保密實度相近。試驗方案見表3。

表3 試驗方案匯總

3 試驗結果分析

堿渣作為一種工業廢料，對環境和場地都會產生不良影響，如果進行合理的資源化利用，則具有重要的工程意義。為了更好地論證堿渣作為路基填料的可行性，以堿渣摻量、混合土樣的顆粒級配、密實度等作為控制變量，通過室內直剪試驗對堿渣混合砂加筋土的界面特性進行深入分析。

3.1 堿渣摻入量的影響

不同堿渣摻入量下混合土樣的直剪試驗結果如圖6所示，隨著堿渣摻入量從0%～30%逐漸增加，筋土界面強度呈有規律的降低。當堿渣摻量為0%時，界面剪切強度最大為40.62kPa，呈現出較明顯的剪切軟化特征；摻量為30%時，堿渣砂土界面強度最小為27.12kPa，強度減少近33.2%，剪切強度軟化程度較低。這是因為，不含有堿渣的原狀標準砂土顆粒級配良好，筋土界面最初呈現剪縮密實狀態，故前期剪切強度較高；當砂土達到最大密實度后發生剪切膨脹，界面強度出現明顯軟化。

圖6 堿渣摻入量對堿渣砂土界面強度的影響

堿渣摻入量對堿渣砂土的筋土界面剪切強度起到相反作用。堿渣摻入量對界面峰值強度及殘余強度的影響如圖7所示，可以發現二者呈現出同樣的規律。當堿渣摻入量由8%增加至15%時，界面剪切強度同樣是降低，但是相較0%～8%摻入量峰值剪切強度出現了強度下降放緩的趨勢，而0%～8%和15%～30%強度變化基本一致。這說明，當堿渣摻量為15%時，既能有效利用堿渣作為標準砂的混合料進行路基填筑，同時對剪切強度的不利影響較小。

圖7 堿渣摻入量對界面峰值及殘余強度的影響

3.2 顆粒級配的影響

通過施加荷載50kPa、100kPa、150kPa豎向應力水平下不同顆粒級配的堿渣混合砂土界面直剪試驗結果，可以看出，摻入15%堿渣的標準砂混合土樣的界面剪切強度明顯低于細顆粒堿渣砂土和粗顆粒堿渣砂土，分別低了48%、30.1%和45%，這與日本山口大學相關學者利用離散元來研究顆粒級配對于筋土界面強度影響的研究結論類似。劉瑜等學者通過電鏡掃描研究福建標準砂的微觀結構，發現標準砂呈現無尖銳外觀的不規則塊體結構，并且顆粒粗糙程度與顆粒幾何大小沒有明顯關聯[11]。這是因為堿渣細顆粒砂土和粗顆粒砂土具有較為接近的表面粗糙度，筋土界面剪切強度來源于筋材土體的摩阻力和土顆粒內部的機械咬合力，故兩者的界面剪切強度值相近。試驗結果如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 50kPa下顆粒級配與堿渣砂土界面強度關系圖

圖9 100kPa下顆粒級配與堿渣砂土界面強度關系圖

圖10 150kPa下顆粒級配與堿渣砂土界面強度關系圖

3.3 密實度對界面特性的影響

在50kPa、100kPa和150kPa豎向應力作用下，松散與密實堿渣標準砂土筋土界面強度關系曲線圖分別如圖11、圖12和圖13所示。不難看出，密實堿渣混合砂土的筋土界面強度明顯高于松散狀態，分別高出42%、18%和10%。同時，剪切位移為10mm～15mm時，密實砂土達到峰值剪切強度以后便出現強度軟化，這與松散砂土剪切強度硬化特征有明顯區別。

圖11 50kPa下密實度與堿渣砂土界面強度關系圖

圖12 100kPa下密實度與堿渣砂土界面強度關系圖

圖13 150kPa下密實度與堿渣砂土界面抗剪關系圖

3.4 堿渣混合砂土界面強度擬合

根據3種不同級配堿渣混合砂土樣的直剪試驗結果，分別繪制出筋土界面峰值剪切強度與殘余剪切強度的庫倫強度曲線圖，如圖14、圖15所示。堿渣標準砂土的界面內摩擦角正切值明顯低于細顆粒堿渣砂土和粗顆粒堿渣砂土，而似粘聚力較高。當豎向應力小于75kPa時，堿渣細顆粒土的界面剪切強度低于粗顆粒土，而后強度高于后者，即細顆粒堿渣混合土樣的擬合曲線斜率較大，強度形成過程較快。殘余強度的發展規律與混合土樣一致。

圖14 堿渣砂土界面峰值強度曲線擬合

圖15 堿渣砂土界面殘余強度曲線擬合

4 結論

本研究基于堿渣加筋砂土的直剪試驗結果，論證了堿渣資源化利用的可行性，為堿渣作為配料的路基施工提供技術參考，并得到以下結論。

（1）堿渣摻入量與堿渣砂土筋土界面剪切強度呈反比關系，當堿渣含量為8%～15%時，可以對堿渣進行有效利用，同時界面剪切強度削弱較為緩慢。

（2）堿渣標準砂土樣界面剪切強度明顯低于另外兩種混合砂樣約30%～48%，堿渣粗顆粒砂樣與細顆粒砂樣微觀結構粗糙度相近，故呈現數值近似的界面強度。

（3）密實狀態堿渣混合砂土界面強度較松散狀態表現出平均高約20%的界面剪切強度，在路基填料施工過程中必須達到規范要求的密實度，以保證強度的發揮。

（4）通過對3種堿渣混合砂樣進行庫倫強度曲線的擬合，發現堿渣細顆粒砂的界面剪切峰值強度和殘余強度值前期較低，在達到15mm剪切位移以后則略高于粗顆粒砂樣。