玄武巖纖維-堿液加固黃土的強度和滲透特性研究

王 曉 強，高 富 強

(洛陽理工學院 土木工程學院，河南 洛陽 471023)

0 引 言

“一帶一路”、西部大開發及東西部經濟結構調整等國家戰略的不斷推進和實施，給西北及周邊地區的經濟發展帶來了機遇和挑戰，同時也將黃土地區的工程建設問題提到了前所未有的高度[1-2]。黃土的獨特空間結構體系是造成當地建(構)筑物地基失穩的主要原因[3-4]。黃土作為一種獨特的地質載體，具有獨特的骨架顆粒連接形式和排列方式[5-8]，其自身的物理性質和工程力學特征易受到外界因素影響，由此誘發的建(構)筑物地基病害問題和致災特性一直以來也備受關注。已有研究表明，黃土場地基礎的失穩破壞嚴重威脅到建(構)筑物的穩定和人民的生命財產安全[9-10]。因此，改善黃土的宏觀力學行為[11]，是目前環境巖土工程領域亟需解決的工程問題之一。

處理不良地質場地的方法通常可分為物理手段(強夯等)、化學手段(化學試劑等)以及復合手段等[12-14]。其中物理手段多添加加筋材料(如玄武巖纖維、劍麻纖維等)，化學手段多添加硅酸鹽水泥、固化劑等具有強粘合性的材料。目前，由于傳統的纖維存在諸如價格昂貴、污染土壤環境和地下水等問題，玄武巖纖維的出現彌補了相關不足。玄武巖憑借其天然、高性能、耐高溫、耐腐蝕等特點快速成為物理加固手段的新寵[15]。尤波等[16]研究了不同的玄武巖纖維摻量對膨脹土三軸剪切特性的影響，發現玄武巖纖維對黏聚力影響顯著，而對內摩擦角無顯著影響。張丹等[17]將玄武巖纖維加入膨脹土中，研究了纖維摻量對膨脹土直接剪切強度和收縮變形特征的影響規律。高磊等[18-19]通過直接剪切試驗和三軸試驗研究了玄武巖纖維摻量對黏土剪切特性的影響，并從微觀角度進行了描述。而關于黃土地區的化學處理，李云章[20]早在1982年就開展了濕陷性黃土地基堿液處理方法的工程實踐，而直至現階段，大多學者僅針對堿液處理黃土的基本性質展開探究[21-24]，并未探討堿液濃度對加固效果的影響，且關于堿液處理和纖維加筋聯合對污染黃土進行加固的研究更是鮮有報道。

本文針對豫西黃土開展室內研究，采用硫酸鈉溶液對試樣進行污染，基于正交設計對污染后的土樣開展考慮纖維長度、纖維摻量以及堿液濃度影響的無側限抗壓強度和滲透特性試驗，通過極差分析和方差分析相結合的方法對玄武巖纖維加固污染黃土的影響因素進行分析，以期為實際工程中玄武巖纖維長度、摻量的選擇以及堿液濃度的選取提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗黃土樣

試驗所用黃土取自豫西三門峽市一基坑，土質較為均勻，取土深度1.5～3.0 m，其基本物理力學指標見表1。黃土的顆粒分析曲線如圖1所示。黃土的液限和塑性指數分別為35.43%和14.01。礦物成分分析可知，該地區黃土的化學成分主要以SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3為主。

表1 試驗土樣的物理指標

1.2 玄武巖纖維和堿液

試驗所用玄武巖纖維為短切玄武巖纖維(見圖2)，玄武巖纖維絲的基本物理力學參數見表2。

表2 玄武巖纖維物理力學參數

圖2 玄武巖纖維(長6 mm)

試驗所用堿液為廣東光華科技股份有限公司的氫氧化鈉(分析純)與去離子水按照比例混合制成。分別將20，40 g和60 g氫氧化鈉(分析純)溶于250 ml去離子水中，然后分別定容至1 000 mL，制成濃度分別為0.5，1.0 mol/L和1.5 mol/L的堿液。

1.3 試驗方法設計

為充分體現加筋材料和化學溶液的影響，考慮玄武巖纖維摻量、玄武巖纖維長度及堿液濃度3個因素對纖維-堿液加固黃土的無側限抗壓強度和滲透性的作用效果，每個因素設置3個水平，如表3所列。

表3 正交試驗因素水平表

1.4 試樣準備及試驗過程

本次試驗依據GB/T 50123-2019《土工試驗方法標準》[25]進行重塑試樣的準備及制備。將現場取回的黃土樣風干后過2 mm篩，放入密封裝置中保存。已有的研究資料表明，纖維和土混合的方法大體上可分為兩類：① 先將備用風干土料與水進行混合后，加入纖維絲，養護后進行試樣制作；② 先將備用風干土料與纖維絲混合后，再加入水，養護后進行試樣制作。由于纖維絲分散后與土樣的拌和需要一定時間，考慮到試驗先加水后會損失部分水分，且先將風干土料與纖維絲進行拌和能夠使纖維絲更加均勻，故建議使用第二類方法。為了探索堿液加固的效果，本次試驗將不同濃度的堿液代替去離子水與風干土及纖維絲的混合物進行拌和。

所有試樣按照1.70 g/cm3的密度進行制樣。無側限抗壓強度所需試樣為直徑50 mm、高度100 mm的圓柱土樣。按照上述方法要求將所需土樣分為3等份，分3層進行壓實，2層交界面處進行刮毛處理，每組試樣制備不少于3個平行試樣。滲透性試驗所需試樣為直徑39.1 mm、高度80 mm的三軸試樣，試樣制作過程采用圓柱形脫模制樣儀器制作，分3層填入并壓實，界面刮毛處理，每組試樣制備亦不少于3個平行試樣。無側限抗壓強度采用應變式無側限壓縮儀，滲透試驗采用GDS三軸滲透儀。

2 結果與分析

基于正交試驗的設計和試驗結果，采用極差分析和方差分析相結合的方法，分別對無側限抗壓強度和滲透系數的主次影響因素進行分析。

2.1 因素極差分析

正交試驗的設計和結果如表4所列。正交設計的極差分析結果如表5～6所列。無側限抗壓強度及滲透系數隨各因素的變化趨勢如圖3～4所示。

表4 正交試驗設計及結果

表5 無側限抗壓強度極差分析

圖3 無側限抗壓強度變化趨勢

(1)對于無側限抗壓強度，極差RC>RA>RB，可見玄武巖纖維-堿液加固黃土的無側限抗壓強度的主次影響因素依次為堿液濃度、玄武巖纖維摻量、玄武巖纖維長度。從表5中可以看出：A因素K3最大，B因素K2最大，C因素K3最大，據此可以判斷最優水平組合為A3B2C3，即極差分析得出的最優組合為：纖維摻量0.9%、纖維長度6 mm、堿液濃度1.5 mol/L。從圖3可以看出：隨著玄武巖纖維摻量的增加，無側限抗壓強度不斷提高，纖維摻量為0.9%時，抗壓強度達到最大。隨著玄武巖纖維長度的增加，無側限抗壓強度呈現先增大后減小的變化趨勢，纖維長度為6 mm時無側限抗壓強度達到最大。隨著堿液濃度的增加，無側限抗壓強度顯著增加，且在堿液濃度為1.5 mol/L時強度達到最大。

(2)由滲透特性試驗結果及方差分析可知，極差為RA>RC>RB，玄武巖纖維-堿液加固黃土的滲透系數的主次影響因素依次為玄武巖纖維摻量、堿液濃度、玄武巖纖維長度。從表6中可以看出：A因素K1最大，B因素K1最大，C因素K3最大，據此可以判斷能夠使滲透系數最大的水平組合為A1B1C3，即纖維摻量0.3%、纖維長度3 mm、堿液濃度1.5 mol/L。從圖4可以看出：隨著玄武巖纖維摻量的增加，滲透系數不斷降低，纖維摻量為0.9%時，滲透系數達到最小。隨著玄武巖纖維長度的增加，滲透系數呈現逐漸減小的變化趨勢，纖維長度為9 mm時滲透系數達到最小。隨著堿液濃度的增加，滲透系數先減小后顯著增加，且在堿液濃度為1.0 mol/L時的滲透系數達到最小。

表6 滲透系數極差分析

圖4 滲透系數變化趨勢

2.2 因素方差分析

極差分析方法較為簡單，可以直觀地反映出各因素的主次順序，但不能反映試驗條件變化引起的數據演變規律，無法分析和揭示其背后的機理。因此，進一步對試驗數據進行方差分析。

方差分析中，需假定每一次試驗為獨立試驗，其試驗指標服從正態分布，且每個正態分布的均值方差相等。計算數據的總離差平方(“即因素的離差平方和”與“誤差的離差平方和”之和)，并進行F檢驗。得出的無側限抗壓強度方差分析結果如表7所列，滲透系數的方差分析結果如表8所列。

表7 無側限抗壓強度方差分析

表8 滲透系數方差分析

由表7可知，各因素對無側限抗壓強度影響的顯著程度依次為：C>A>B，即堿液濃度和纖維摻量對壓實試樣的無側限抗壓強度的影響更為顯著，纖維長度對壓實試樣的無側限抗壓強度的影響為顯著。從表8可以看出，各因素對滲透系數影響的顯著程度依次為：A>C>B，即纖維摻量對滲透系數的影響更顯著，堿液濃度次之，纖維長度最小。綜合上述，無側限抗壓強度和滲透系數的差異主要由不同水平的A、B、C 3個因素所致；纖維摻量對試樣的無側限抗壓強度和滲透系數的影響都為極顯著，而纖維長度對無側限抗壓強度的影響為顯著，纖維長度和堿液濃度對滲透系數的影響為顯著。

3 作用機理討論

目前，國內外不少學者通過試驗揭示了纖維加筋土體的工程性質演變規律及加固機理[26-28]。阮波等[13]通過正交設計探明了纖維加筋水泥土的參數優化特性，并指出了纖維加筋水泥土的強度強化機制。江朝華等[14]對比了玄武巖纖維和聚丙乙烯纖維加筋水泥土的抗壓、抗折、抗彎等力學性能，通過SEM電鏡揭示了兩種加筋材料的加固特性。尤波等[16]通過三軸試驗研究了玄武巖纖維加筋膨脹土的強度特性，并指出了其破壞特征。張丹等[17]將玄武巖纖維摻入膨脹土中研究了纖維加筋膨脹土的強度和收縮變形特征，指出了纖維作為加筋材料的顯著成效。高磊等[18-19]通過三軸試驗和SEM測試，發現玄武巖纖維強化黏土的作用機制主要為纖維的“握裹”作用和纖維網作用。而李云章[20]指出黃土地區較為特殊的堿液加固方法：堿液本身并不具備膠體性質，但與黃土中的氧化物反應后可生成膠體，從而增強了顆粒間的連接，提高了土體的強度。從化學反應式(1)～(7)可以看出，由于堿液中的OH-與土體中的金屬氧化物發生一系列的化學反應，生成膠體使土顆粒能夠彼此自行膠結，抗壓強度增大。堿液-黃土作用下土顆粒表層的硅鋁酸鹽會逐漸由固相向液相轉化，此時會降低土顆粒表面的摩擦力，而相鄰的土顆粒表面會在轉化過程中生成非水穩定性的溶合膠結，并且這種膠結在反應式(8)完成后生成具有水穩定性的絡合物，使得膠結物強度更高，這種膠結作用提高了顆粒間相互嵌入和連鎖作用產生的咬合力，從而抗壓強度增大。因此，也說明此種情況下與土顆粒表面的膨脹與軟化帶來的液相趨勢作用相比，顆粒間的互鎖結構狀態作用占據主導地位。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Ca2++2OH-→Ca(OH)2↓

(8)

通過在試樣中摻入玄武巖纖維和堿液，充分發揮纖維和堿液兩者的強化作用，能使加固后黃土的抗壓強度提高而滲透系數降低。如圖5所示，在纖維加筋-堿液加固的共同作用下，會產生二者彼此互相強化的耦合作用效果：堿液與黃土發生化學反應生成膠體絡合物，改變土顆粒之間的排列及連接狀態，進一步形成顆粒間的互鎖結構，提高土體的強度。纖維在土中的分布如圖5所示：一方面存在顆粒之間互相咬合及握裹作用；另一方面纖維間彼此交織，提高了交織作用，使得強度增加。而在纖維加筋與堿液加固共存的情況下，堿液生成的膠體會進一步增強顆粒與顆粒之間的連接、顆粒與纖維間的握裹作用力以及纖維與纖維之間的交織作用。此外，在無側限抗壓強度試驗過程中，纖維的抗拉作用尤為顯著，且隨著纖維摻量的增加，逐漸增強。在臨近破壞狀態時，纖維的存在有助于抑制裂紋的擴展，提高了試樣的力學性能。

圖5 纖維-堿液加筋黃土作用機理示意

4 結 論

基于正交試驗的設計和試驗結果，采用極差分析和方差分析相結合的方法，分別對纖維-堿液加固黃土的無側限抗壓強度和滲透系數的主次影響因素進行分析，得到以下幾點結論：

(1)玄武巖纖維-堿液加固黃土的作用顯著，影響纖維-堿液加筋黃土無側限抗壓強度的主次因素依次為：堿液濃度、玄武巖纖維摻量、玄武巖纖維長度；而影響其滲透系數的主次因素依次為：玄武巖維摻量、堿液濃度、玄武巖纖維長度。

(2)無側限抗壓強度和滲透系數的差異主要由纖維摻量、長度及堿液濃度的不同水平所致，纖維摻量對試樣的無側限抗壓強度和滲透系數的影響都為極顯著，而纖維長度對無側限抗壓強度的影響為顯著，纖維長度和堿液濃度對滲透系數的影響為顯著。

(3)纖維摻量0.3%、纖維長度3 mm、堿液濃度1.5 mol/L時纖維-堿液加筋黃土的無側限抗壓強度最大；纖維摻量0.9%、纖維長度9 mm、堿液濃度1.0 mol/L時滲透系數最小。纖維加筋與堿液加固共存的情況下，堿液生成的膠體會進一步增強顆粒與顆粒之間的連接、顆粒與纖維間的握裹作用力以及纖維與纖維之間的交織作用。