硅灰加固宁波软土的试验研究

王泽平 王常明 江 南 张在恒

(1.吉林大学 建设工程学院，吉林长春 130021；2.宁波市岩土工程有限公司，浙江宁波 315000)

0 引言

天然状态下软土具有低强度、高孔隙、高压缩性等特点，一般情况下不能直接满足各类基础工程的建设需要[1]，需要采取一定的方法来改善软土地基的强度，以提高其承载能力和抗变形能力。常用来加固软土的方法有加筋、排水、强夯、化学加固等几类。张 奇等[2]通过研究加筋土的力学性质发现麦秸秆可显著提高软土的抗剪力学性能。陈慧娥等[3]对不同地区软土水泥加固后研究表明，粒度成分及有机质含量对加固效果有很大影响。贾敏才等[4]结合具体工程研究发现在有效加固深度范围内，高能级强夯能有效消除滨海含软土夹层粉细砂的液化势。雷华阳等[5]利用室内模型试验等手段表明，交替式真空预压法可有效解决排水板淤堵问题，加固效果更均匀。任连伟等[6]探究了试剂的不同配合比对化学电渗法处治软黏土地基加固效应的影响。

通过在软土中掺入一些外掺剂来改变软土物质成分与结构，从而改善力学性能，是一种常用的加固手段。随着科学的发展、认识的提高、研究方法的改进，国内外学者从不同的工程应用目的出发，研制和开发了一系列土加固材料，经常采用生石膏、纤维和粉煤灰等固化剂对软土地基进行加固[7-10]，并取得了良好的效果。黄 新等[11]研究了石膏在地基加固中的适用条件及加固机理。李丽华等[12]从环保、再利用的角度出发，将稻壳灰用于加强土体强度的改良之中。

硅灰是钢厂和铁合金厂生产硅钢和硅铁时产生的一种烟尘经静电除尘而回收的粉尘[13]，大量堆积会造成粉尘飞扬，长期吸入易形成矽肺病，严重危害环境与操作人员的健康；不仅如此，硅灰还需要大量的堆放场地[14]。因此，硅灰的回收与利用符合当下生产形势十分必要。硅灰中80%以上粒子粒径小于1 μm，平均粒径在0.1～0.3 μm,比表面积为20～28 m2/g[15]。成分以SiO2为主，密度小，黏结性强，附着力大。硅灰多应用于改良水泥、混凝土的力学性能与参数[16-17]，但用来作为改善软土性质的外掺剂相对较少。

本次研究通过室内三轴压缩试验，总结了宁波鄞州地区一种淤泥质黏土掺入硅灰后的应力应变关系及抗剪强度指标的变化规律，并通过扫描电镜试验，研究了硅灰对软土的力学性质的影响机理。

1 试样及试验方案

1.1 材料选取

试验选取的硅灰为河南铂润铸造材料有限公司生产的硅灰，SiO2含量为92%，还含有少量的Al2O3、Fe2O3、MgO，硅灰呈灰白色粉末状态，粒径约为0.1～0.2 μm。

试验所用的试样取自宁波市鄞州区，取样深度位于地下5～6 m，所取土样为深灰色淤泥质黏土，试样的基本物理力学性质指标如表1所示。

表1 试样物理力学性质指标

1.2 试样制备

将试样从土样筒中取出，先对土样完整均匀程度进行描述，并将土样切成碎块，取其中有代表性土样装入铝盒中用作测定含水率。把碎块放入105 ℃干燥箱中烘干8 h。将烘干的土样放在橡皮板上用木碾碾散，之后过φ2 mm土壤筛。

本次试验试样中硅灰的掺入量分别为0%、5%、15%、25%，根据预设掺入量与土充分搅拌均匀，进行试样的制备。试样统一通过分层击实法制备。采用标准质量的击实锤，将试样分三层置于模具中，分层击实，减少气泡与内部空洞的产生。试样控制含水率45%，同时控制试样密度维持在原状样密度左右，见表2。试样尺寸为φ39.1 mm×80 mm。试样成型脱模后，立即用保鲜膜密封包装，放入常温保湿缸中保存，待用。

表2 部分试样密度

为了观测不同硅灰掺入量的硅灰加固土的结构特征，取三轴压缩方向为电镜观察方向，切割成1 cm×1 cm×2 cm条状，然后做好标记放入液氮罐中冷冻1 h，取出后放入真空泵进行抽真空8 h，使土样既干燥又不变形，保持原始结构形态。冻干之后，将土样小心掰断，获得未受扰动的断面作为电镜扫描的观察面，并用洗耳球吹去试样表面的扰动颗粒。试样及时干燥封存用于扫描电镜测试。

1.3 试验方案

对上述4种硅灰掺入量的试样，分别设计4种不同围压(50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa)下进行不固结不排水剪切试验，共16组试样，每组含三个平行样，每组数据取平均值进行统计。三轴仪为南京土壤仪器厂生产的TCK-1型三轴试验测量控制仪。试验时试样的剪切速率均为0.4 mm/min，所有试样均在剪切达到一定轴向应变(20%)后停机。试验方案如表3所示。

表3 试验方案

续表

2 试验结果与分析

2.1 不同硅灰掺入量下加固土的应力应变关系(见表4)

图1为不同硅灰掺入量在不同围压下加固土试样的主应力差与轴向应变关系。

弹性模量是材料重要的性能参数，从宏观角度来说，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，从微观角度来说，则是各粒子之间相互作用强度的反映。弹性模量也可视为衡量材料抵抗弹性变形能力的指标。

胡克定律中所用到的弹性模量实际上是常规三轴试验(σ1-σ3)-εa曲线的切线斜率，即切线弹性模量Et，切点取坐标原点ε=0。

引入切线弹性模量Et，将试样抵抗变形的能力数值化，弹性模量公式，即

表4 应力-应变曲线各原点处切线模量

根据表4可知，试样抵抗变形的能力随硅灰掺入量的增加而增加，但增幅呈先增加后减少的趋势。当硅灰掺入量逐步增加时，能充分发挥其良好的填充性，使得其抗变形的能力增强，在5%～15%区间增幅明显。但随着硅灰掺入量的进一步增加至过量的情况下，抗变形的能力反而下降。

2.2 试样抗剪强度的变化特征

取15%轴向应变时主应力差值作为破坏点，以剪应力为纵坐标，法向应力为横坐标，在横坐标轴以破坏时的(σ1+σ3)/2为圆心，以(σ1-σ3)/2为半径，在τ-σ应力平面上绘制破坏应力圆，并绘制不同围压下破损应力圆的包线，求出抗剪强度参数。抗剪强度参数与硅灰掺入量之间的关系如图2和图3所示。由图可知，内摩擦角随着硅灰掺入量的增加呈先增加后减小的趋势，黏聚力随着硅灰掺入量的增加呈逐步增加的趋势。

图2 内摩擦角与硅灰掺入量关系

图3 黏聚力与硅灰掺入量关系

取应力应变曲线破坏点处的破坏偏应力绘制不同围压情况下硅灰掺入量对破坏偏应力的影响曲线，如图4所示。

图4 试样破坏偏应力与硅灰掺入量的关系

由图4可知，硅灰对宁波软土的强度有显著的作用。同一围压下，随着硅灰掺入量的增加，破坏偏应力显著增大，且呈线性关系，破坏偏应力与硅灰掺入量的关系式可拟合为：

Y=mX+n

(1)

式中：Y为破坏偏应力；X为硅灰掺入量；m、n为拟合参数。各围压(50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa)下的拟合参数分别为：m=1.400、1.434、1.463、1.485；n=4.00、8.41、10.96、13.71。

此次拟合结果R2值均大于0.99，说明式(1)拟合效果好。结合图4与拟合参数可知，不同围压下，随着硅灰掺入量的增加，破坏偏应力与围压呈正比例关系。

结合硅灰的特性可知，随着硅灰量的增加，硅灰逐渐填充于软土孔隙，在0%～5%时因硅灰的量较少且软土已扰动而增幅低于5%～15%阶段；在5%～15%阶段是软土内部结构逐步被充填的过程，因此增幅最为明显；15%～25%阶段破坏偏应力增加趋势变缓。

2.3 硅灰对软土的粒度成分影响

图5 硅灰掺入量对试样颗分曲线的影响

粒度成分是土体大小和组分的直接决定因素之一，颗粒大小及性质的差异会直接影响土体的孔隙分布，间接影响土体的力学性质。用于分析粒度成分的仪器为BT-9300LD激光粒度分布仪。图5为分布仪所得的颗分曲线，由颗分曲线得到硅灰对宁波软土粒度成分影响表(见表5)。由表5可知，宁波软土的不均匀系数Cu大于5，曲率系数Cc小于1，表现为不良级配土，说明某一粒组含量较多，不是所有粒径的颗粒均匀分配，颗粒间相对滑动时克服的阻力更大，宏观上表现为内摩擦角的增大，且均由粉粒、黏粒等小粒径的颗粒组成，所以易形成大量的细小孔隙。随着硅灰掺入量的增加，黏粒组含量有所增加，粉粒含量相对减少，结合硅灰粒径、黏粒组变化情况以及硅灰易附着、易团聚的特性可知，若硅灰均以单个颗粒形式存在，则黏粒组的占比应持续增长。但实际上随着硅灰掺入量增加，黏粒组占比并不是持续增长的，而是增幅逐渐放缓并随之出现下降趋势，说明当硅灰超过一定量时，团聚特性会表现得更加明显，使得黏粒组占比开始下降。

表5 硅灰对宁波软土粒度成分影响

2.4 硅灰加固宁波软土的微观结构特征

土样的微观结构试验选择扫描电子显微镜观察法。试验仪器为JSM-6700型场发射扫描电子显微镜。通过扫描电镜观察土样的结构形式、土粒之间的孔隙结构和孔隙形态，以及土粒之间的接触方式。

图6为该土未扰动试样扫描电镜下的微观结构图，可以看出宁波软土的基本结构是由大小约0.4～0.8 μm的单粒与大小不一的片状黏土颗粒形成的聚集体，颗粒以叠聚形式排列居多，呈絮凝状结构。小颗粒或粘附于大颗粒外面，或作为胶结物质填充于基本结构单元体之间，片状矿物间以边—面接触方式为主，颗粒定向性较低。试样孔隙约占总面积的20%。结合图7可知，原状土经烘干、碾碎、过筛重塑后，颗粒分布变得均匀，且片状黏土颗粒边缘碎裂状痕迹明显，孔隙占比增加。

图6 未扰动样扫描电镜下的微观结构(×5000)

图8—图10为不同硅灰掺入量的硅灰加固土在扫描电镜下的微观结构。硅灰在冷凝阶段气液固相变过程中由于受到表面张力的作用，形成了非结晶相无定形圆球状颗粒，且表面较为光滑，有些则是多个圆球颗粒粘在一起的团聚体[15]。图9、图10中能较为清楚直观地显示出硅灰颗粒与硅灰团聚体的形貌。从图中标尺可以估算硅灰颗粒粒径约为0.1～0.2 μm。

图7 人工制备土扫描电镜下的微观结构(硅灰掺入量0%，×5000)

图8 硅灰加固土扫描电镜下的微观结构(硅灰掺入量5%，×5000)

图9 硅灰加固土扫描电镜下的微观结构(硅灰掺入量15%，×5000)

图10 硅灰加固土扫描电镜下的微观结构(硅灰掺入量25%，×5000)

由图8可以清晰看到5%掺入量下硅灰主要粘附于土颗粒表面，孔隙的填充效果并不明显，孔隙占比依旧较高。图9中15%掺入量下，硅灰颗粒进一步填充于颗粒间的叠层中，而且比较小的土颗粒碎块之间也被硅灰颗粒粘附成较大的聚集体，孔隙占比开始逐渐减小。图10中25%掺入量下，硅灰颗粒充分填充于土颗粒结构单元体之中，大孔隙被填充，此时因为硅灰掺入量过量，硅灰已经形成由细粒团聚而形成的近似球状团块，这种团聚特性表明硅灰颗粒细小，且颗粒之间具有吸附作用。

试样经过烘干碾碎重塑后原有的结构性降低，宏观上表现为内摩擦角、黏聚力的降低。随着硅灰掺入量的增加，硅灰颗粒间的相互吸引力逐渐增大，宏观上表现为黏聚力逐步得到恢复与增强；当硅灰掺入量较低时，硅灰颗粒起到的是阻力作用，使得内摩擦角增大；当硅灰颗粒过量填充时，因硅灰颗粒过于细小且充填密实，在可运动趋势状态下其颗粒与颗粒之间因外力发生运动时，硅灰颗粒会因充当“润滑剂”作用而使得需要克服的阻力减小，宏观上表现为相对较小的内摩擦角。结合图2，可知此时的微观结构与宏观表现统一。

借助Image-Pro Plus6.0图像分析软件对本次扫描电镜试验中所获取的微结构图像进行定量分析。表6为试样微结构的孔径分布情况。由表6可知，软土的孔径主要集中于<5 μm，约占95%。当硅灰掺入量为5%时，0～1 μm、1～2 μm、2～5 μm区间内的孔隙总量占比，相比于不掺硅灰的情况下仅变化1.72%，由此可知，此时硅灰主要填充于大孔隙之中。当硅灰掺入量为15%时，0～1 μm、1～2 μm区间内的孔隙占比已经高于90%，大孔隙继续减少，小孔隙增加。当硅灰掺入量达到25%时，大孔隙几乎完全被填充，0～1 μm区间内的小孔隙占比大幅度提高。由1～2 μm区间孔隙占比的变化情况可知，随着硅灰掺入量的不断增加，硅灰先对大孔隙进行填充，孔隙孔径被硅灰逐步填充减少到1～2 μm区间，乃至0～1 μm区间之中，致使0～1 μm区间孔隙占比提高，因硅灰的持续填充导致1～2 μm区间孔隙占比开始下降。综上所述，随着硅灰掺入量的不断增加，硅灰先主要对大孔隙进行填充，大孔隙逐步被小孔隙取代，再慢慢填充中、小孔隙，软土的密实程度逐步增加。

表6 试样微结构孔径分布表

结合三轴试验与扫描电镜可知，硅灰对宁波软土的影响主要是通过硅灰颗粒的填充和粘附微小土颗粒形成聚集体以及增强软土整体的密实程度，在宏观上改善软土的强度性质，而且由于硅灰的吸附特性以及团聚特性，可以保证硅灰加固宁波软土的时效性。本文对于三轴试验的选择上，考虑的仅是目前针对经常发生的快速施工下的不固结不排水强度来反应软土的情况，而未对其他情况进行分析。

3 结论

(1)硅灰可以很好地改善软土的黏聚力，随着硅灰掺入量增加，黏聚力随之增加。但硅灰对内摩擦角的影响相对有限，随着硅灰掺入量增加，内摩擦角呈现先增大后减小的趋势。硅灰掺入量在15%～20%左右可以在稳定内摩擦角大小的情况下，较大幅度提升土的黏聚力。

(2)硅灰可以很好地改善软土抵抗形变的能力。随着硅灰掺入量的增加，硅灰加固土的抗变形能力呈先增加后减小的趋势。同一围压下随着硅灰掺入量的增加，硅灰加固土的破坏偏应力增加较大，其增加程度与围压的增加呈正比关系。不同围压作用下随着掺入量的变化，破坏应变发展趋势存在差异。

(3)随着硅灰掺入量的增加，土中大孔隙逐步被填充，被小孔隙取代，硅灰加固土的密实程度不断增加。硅灰颗粒的赋存形式从开始量少的粘附填充逐步向量多的团聚过渡。