黄土渗透和强度性能的改良优化

朱 敏，倪万魁，苑康泽，李 兰，李向宁，王海曼

黄土渗透和强度性能的改良优化

朱 敏，倪万魁，苑康泽，李 兰，李向宁，王海曼

(长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054)

为探寻适用于黄土地区海绵城市建设的具有较高强度和防渗性能的路基换填材料，通过对掺入水泥、聚丙烯纤维、膨润土的黄土进行强度和渗透性试验，并基于正交试验和田口方法的信噪比分析，获得了改良黄土各掺量的最优配比方案。结果表明：水泥掺量对改良黄土的无侧限抗压强度影响最显著，聚丙烯纤维掺量和长度对其渗透系数影响最大；改良黄土各掺量的最优配比为聚丙烯纤维长度取12 mm、聚丙烯纤维掺量取0.3%、膨润土和水泥掺量分别取3%和8%；在3、7、14 d养护龄期下，最优配比改良黄土的强度和渗透性能均优于不同配比的石灰改良黄土。改良的黄土各掺量最优配比可为黄土地区海绵城市道路建设中的路基处理提供参考。

改良黄土；聚丙烯纤维；膨润土；无侧限抗压强度；渗透系数

湿陷性黄土地区海绵城市的道路建设项目不仅需要控制路面雨水径流和下渗，还需处理低影响开发设施的组合衔接关系，致使路基处于复杂的入渗环境。若路基垫层防渗效果欠佳，水稳性差，则下部黄土遇水结构破坏，强度降低，会导致路面开裂和塌陷，危害车辆和行人。因此，研究具有较高强度和较好抗渗性能的路基换填材料对湿陷性黄土地区海绵城市道路建设意义重大。

国内外学者针对黄土的强度和渗透性改良取得了一定成果。王银梅等[1]研究水泥和SH固化材料对黄土强度和渗透性能的影响，并得出合适的掺比；张丽萍等[2]研究黄土掺入SAA等化学固化剂后力学和水力方面的性能；M. S. Jalil等[3]研究了再生聚酯纤维与纳米SiO2作为黄土新型稳定剂对黄土基本参数和抗剪强度的影响，表明新型稳定剂的掺入会降低黄土的最大干密度而增大其最优含水率，且在4%左右掺入比时抗剪强度最大；M. Monire等[4]采用天然沸石和再生聚酯纤维替代水泥，得出强度性能方面等效的掺入配比组合；Zhang Youchao等[5]对水泥、石灰、沙子和稻草掺入黄土后的应力应变状态进行系统试验，并提出其本构模型；Yang Bohan等[6]研究改性聚丙烯纤维对水泥固化黄土的强度影响，表明纤维在0.30%~0.45%掺量时无侧限抗压强度最高。针对各种材料配比方案的研究方法，温亮等[7]运用正交试验研究水泥、粉煤灰、煤渣、吹填粉细砂混合料的强度；H. Vardhan 等[8]运用人工神经网络模型研究密度、水分、纤维含量对土壤无侧限抗压强度的影响。上述研究多侧重于黄土强度或渗透性等单方面性能的改良，针对两者综合考虑的研究较少。

鉴于海绵城市道路建设的需求，通过对掺入水泥、聚丙烯纤维、膨润土的黄土进行强度和渗透性能试验，基于正交试验和田口方法的信噪比分析，确定改良黄土各掺量的最优配比，并与石灰改良黄土进行对比分析，为黄土地区海绵城市道路建设提供参考。

1 试验过程

1.1 土样及材料性质

试验土样取自陕西省西安市西咸新区，取样深度3 m。天然含水率12.2%，塑性指数10.8，湿陷系数0.093，属于粉质黏土。试验纤维采用聚丙烯纤维，为高强度束状单丝有机纤维，化学性质稳定，相关指标见表1。水泥使用当地常用的32.5普通硅酸盐水泥，相关指标见表2。膨润土为纳基膨润土，主要成分为蒙脱石，具有很好的膨胀性、吸附性等(表3)。

1.2 试验方案

由于水泥和聚丙烯纤维在改良效果上具有协同效应，可提高强度并增强韧性，在复杂入渗条件下更加稳定。膨润土在降低土壤渗透性的同时可吸附重金属等污染物质[9]，能满足海绵城市复杂入渗条件下的防渗和环保要求。因此以水泥掺量、聚丙烯纤维长度、聚丙烯纤维掺量、膨润土掺量为试验因素。出于经济和工程适用性考虑，每个因素取3个水平，其具体数值取可反映其影响规律的代表性数值[10-13]，聚丙烯纤维长度() 取6、12、18 mm，聚丙烯纤维掺量()取0.1%、0.3%、0.5%、水泥掺量()取3%、5%、8%、膨润土掺量()取1.5%、3%、4.5%，掺量为质量比，即材料和干土的比值，数据见表4。试验考虑了4种因素3个水平，适用于正交试验设计表L9(34)，共9组试验数据(表5)。

表1 聚丙烯纤维物理性质

表2 水泥性能参数

表3 膨润土主要化学成分

表4 试验因素与水平

表5 L9(34)正交试验设计表和试验数据

1.3 试样制备

先将试验用土碾碎，放置干燥处风干，测其含水率，再将土样过筛，复测其含水率，后按照正交试验表格设置的配比把膨润土、水泥、聚丙烯纤维混入，为使聚丙烯纤维在试样中均匀分布，可先将聚丙烯纤维浸水散开，风干后拌入，方法为湿拌法。加水拌和至各组试样最优含水率，以94%压实度制备[14]。制作的样品均放入保湿箱进行湿润养护，箱内养护温度为 20℃左右，湿度为70%，初始养护龄期为3 d。无侧限抗压强度试样为圆柱样，底面直径39.1 mm、高80 mm，试验仪器为YSH-2 型石灰土无侧限压力仪，控制试验速率为0.8 mm/s，至少进行3次平行试验。渗透试验试样为渗透环刀样，底面直径61.8 mm、高40 mm，试验仪器为TST-55 型渗透仪，每次试验测得渗透系数需在同一个数量级下波动不超过3。

1.4 分析方法

田口方法的参数设计过程采用正交试验表构建实验数组，在考虑结果稳健性前提下，利用均值、信噪比和方差进行多级分析，优化具有一个或多个性能特征的试验方案。信噪比分析是最主要的分析手段，信噪比作为优化分析中的评估特征值，物理意义明确，值愈大代表愈接近特性目标[15-16]。主要分析步骤如下：

①确定特性指标的优选目的，分为3类，包括望大(特性目标愈大愈好)、望小(特性目标愈小愈好)、望目(愈接近某一确定的特性目标值愈好)，本试验主要涉及望大和望小特性。

②统计和计算试验数据，采用下面的公式计算望大特性、望小特性的信噪比；

③进行极差、方差和信噪比分析。

④确定最优试验配比方案并进行预测和检验。

在各因素水平中，信噪比最大的因子水平最优。因此，对于具有多个性能指标的综合性能优选，田口方法中最直接的分析方法是信噪比累加法，即将不同性能指标下的信噪比进行加和，加和后信噪比最大的因子水平对优选目标最显著，若综合性能中各单独指标的单位差异过大或要求不同权重，则需进行均一化或加权处理。

2 结果与讨论

正交试验表(表5)中9组试样养护到3 d后进行强度和渗透试验，获得的渗透系数和无侧限抗压强度数据进行信噪比处理后见表6。表6中信噪比均一化累加和经渗透系数和无侧限抗压强度信噪比均一化后相加而得，旨在获得考虑无侧限抗压强度和渗透系数综合指标的最优配比方案。

表6 数据的信噪比处理

2.1 渗透性分析

为考察水泥掺量、聚丙烯纤维长度、聚丙烯纤维掺量和膨润土掺量对渗透系数的影响程度及获得显著性影响因素，进行极差分析和方差分析，分析结果见表7和表8。

表7 渗透系数信噪比极差分析

表8 渗透系数信噪比方差分析

由表7渗透系数的极差分析可知，各因素水平中极差从大到小分别为聚丙烯纤维掺量、聚丙烯纤维长度、水泥和膨润土。其中聚丙烯纤维掺量的聚丙烯纤维长度极差相对较大，这是因为纤维在土体中均匀分布，一定程度上增大了水分子在土颗粒间的渗流通道，使渗透性增强。常志璐等[17]研究椰丝纤维对固化土的渗透系数影响也得到类似的结果。

聚丙烯纤维掺量和聚丙烯纤维长度的渗透系数信噪比均随着因数水平变大，呈先缓慢增加后急剧减小的变化趋势，表明存在一个最优的因素水平，根据结果可知，12 mm长度和0.3%掺量水平最优。这是因为加入少量较短的纤维时，尽管有利于连通孔隙并疏导水分，但聚丙烯纤维呈中空状，受挤压会形成闭孔隙，在膨润土遇水膨胀和水泥固化共同作用下也会抑制渗流。在纤维掺量和长度增加后，由于试样尺寸等因素，疏导水分作用和纤维本身孔隙中的毛细作用起到的“虹吸”作用会加强，大于抑制作用，进而加速渗透，使信噪比值减小，不利于渗透。

膨润土掺量水平和渗透系数信噪比呈负相关，接近于线性关系。这表明膨润土颗粒在试样中均匀分布，遇水膨胀，减少试样中的较大孔隙，渗流遭到抑制，掺量越大，作用越明显。

水泥掺量在3%时渗透系数信噪比最大，随掺量增加呈先减小后增大趋势。这是因为水泥在一定掺量下对试样的渗透性的影响和被掺入土本身性质、干密度、养护环境等因素有很大关系，通常在掺量较低时，水泥的固化作用通常会优先封闭或者减少较大孔隙，不利于渗透，在掺量较大时抑制效果作用便不明显。陶高梁等[18]在研究低掺量(4%~12%)水泥对红黏土渗透系数影响时有类似的结论。

综上，12 mm长度、0.3 %掺量的聚丙纤维配合4.5%膨润土掺量及3%水泥掺量是渗透系数的最优配比选择。

通过方差分析可以说明各因素对渗透系数的影响程度，由于试验设计为4因素3水平的正交表格，可通过各因素均方差所占百分比去说明各因素的影响程度。根据表8中渗透系数的方差分析，聚丙烯纤维长度和掺量的值分别为40.55%和35.91%，均大于膨润土和水泥因素值和，因此，影响渗透系数的显著性因素为聚丙烯纤维长度和聚丙烯纤维掺量。

2.2 无侧限抗压强度分析

由表9无侧限抗压强度的极差分析可知：水泥因素的信噪比极差最大，其极差值大于其余3个因素水平极差值和的2倍，表明水泥对无侧限抗压强度的影响远大于聚丙烯纤维长度和聚丙烯纤维掺量以及膨润土掺量的影响。

水泥掺量对无侧限抗压强度影响随掺量近似线性增加，这是因为水泥掺入土中可分别通过水化反应和置换反应生成水化硅酸钙和水化硫酸铝钙， 2种反应物附着在土颗粒表面，填充空隙，提高土体强度，掺量越大，生成反应物越多。

表9 无侧限抗压强度信噪比极差分析

聚丙烯纤维长度水平对无侧限抗压强度的影响为先减小再增加，在18 mm时相对较好，但整体在信噪比均值附近小幅度变化；聚丙烯纤维掺量水平增加时，无侧限抗压强度呈近似线性增大，在0.5%掺量取值最优。这是因为聚丙烯纤维掺入土体中呈现复杂的三维空间交错网格，限制土颗粒相对位移，且通过挤压可增大土颗粒和纤维摩擦力，宏观上表现出抗压强度增大，土体韧性增加，但需控制在一定范围内。而纤维长度受试样大小、纤维均匀分布等因素影响较大，无侧限抗压强度在一定范围内随着长度增加难以呈线性增长趋势。

随着膨润土掺量增加，无侧限抗压强度信噪比呈缓慢增加再减小趋势，在3%时相对较优，和王泽东等[19]研究膨润土对水泥土的无侧限抗压强度影响结论类似。

综上，18 mm长度、0.5%掺量的聚丙纤维配合3%膨润土掺量及8%水泥掺量是无侧限抗压强度的最优配比选择。

基于表10中无侧限抗压强度的方差分析，水泥掺量的值为93.61%，聚丙烯纤维长度和聚丙烯纤维掺量及膨润土掺量的值累计不超过7%，因此影响无侧限抗压强度的显著性因素为水泥掺量。

表10 无侧限抗压强度信噪比方差分析

2.3 综合性能分析

渗透系数和无侧限抗压强度是2个不同的性能指标，数值单位差异很大；通过田口方法中的信噪比分析对数据进行处理后，无侧限抗压强度和渗透系数信噪比值的极差分别为10.09和24.36，相差依旧较大，说明利用信噪比累加法综合分析2个指标的最优选，无法保证渗透系数和无侧限抗压强度的同等权重，因此，利用“均一化”处理，将不同指标信噪比值分别除以其极差，再利用信噪比累加法获得综合最优配比(表6)。

经“均一化”处理后，信噪比累加和的极差分析见表11，由表11获得信噪比累加和的主效应图，可直观表现各因素的优选性(图1)。因信噪比越大表示结果越好，故聚丙烯纤维长度取12 mm，聚丙烯掺量取0.3%，膨润土掺量取3%，水泥掺量取8%是综合性能的最优配比方案。

表11 综合性能信噪比极差分析

图1 信噪比累加和的主效应图

2.4 对比分析

综合性能的最优配比方案为：聚丙纤维长度12 mm、0.3%聚丙纤维掺量配合3%膨润土掺量及8%水泥掺量。其3 d养护龄期的无侧抗压强度和渗透系数分别为1 174.5 kPa和8.087×10–6cm/s。试验测得未掺和材料的压实黄土无侧限抗压强度为41.4 kPa，渗透系数为4.261×10–5cm/s，纵向对比可知，最优配比样无侧限抗压强度是压实黄土样的28倍，渗透系数则相比降低了81%。

目前，在黄土地区采用石灰改良黄土应用较广，其在强度和渗透性上均具有较好的改良效果，因此，横向对比对象选择灰土，配比选择1︰9、2︰8和3︰7[20]。试验考虑3、7、14 d养护龄期下最优配比试样与不同配比灰土的无侧限抗压强度和渗透系数对比，结果如图2和图3所示。由图可知，不同龄期下灰土3种配比的渗透系数总体变化不大，在同一个数量级下波动小于2，除3︰7灰土随龄期近线性减小外，其余2个配比灰土变化趋势不明显，整体上1︰9灰土渗透系数最小。最优配比试样渗透系数随着龄期略微增加，在14 d时超过1︰9灰土试样，但差距较小。综合而言，最优配比试样渗透系数在不同龄期下最小。

图2 渗透系数对比

图3 无侧限抗压强度对比

横向对比可知，最优配比试样在不同龄期下无侧限抗压强度均大于不同配比灰土，且随龄期增加而增大，在14 d龄期时增大趋势尚未减小。不同配比灰土无侧限抗压强度同样随龄期增加而增加，但在养护14 d时增加趋势已明显放缓，其中除3︰7灰土强度数值明显偏小，1︰9灰土和2︰8灰土强度数值在不同龄期下较为接近。

3 结论

a. 在黄土中掺加聚丙烯纤维、膨润土、水泥可显著提高土体无侧限抗压强度，同时降低其渗透系数。

b. 试验设置的4种因素3个水平中，水泥掺量对无侧限抗压强度影响最显著，其影响远大于聚丙烯纤维和膨润土，且随掺量增加强度增大。聚丙烯纤维长度和掺量对渗透系数影响最显著，且随长度和掺量水平变化渗透系数均先缓慢减小，再急剧增大。

c. 在3 d养护龄期下无侧限抗压强度和渗透系数综合性能的最优配比方案是：聚丙烯纤维长度12 mm、聚丙烯纤维掺量0.3%、膨润土掺量3%、水泥掺量8%。

d.在3、7、14 d养护龄期下对比最优配比方案试样和不同配比石灰改良黄土试样的强度和渗透性表明，最优配比方案试样总体占优。

[1] 王银梅，高立成. 黄土化学改良试验研究[J]. 工程地质学报，2012，20(6)：1071–1077. WANG Yinmei，GAO Licheng. Experimental research on chemical improvement of loess[J]. Journal of Engineering Geology，2012，20(6)：1071–1077.

[2] 张丽萍，张兴昌，孙强. SSA土壤固化剂对黄土击实､抗剪及渗透特性的影响[J]. 农业工程学报，2009，25(7)：45–49. ZHANG Liping，ZHANG Xingchang，SUN Qiang. Effects of SSA soil stabilizer on compaction，shear strength and permeability characteristics of loess[J]. Transactions of the CSAE，2009，25(7)：45–49.

[3] JALIL M S，FARHAD H，RAHMAT-ALLAH B. Stabilizing geotechnical properties of loess soil by mixing recycled polyester fiber and Nano-SiO2[J]. Geotechnical and Geological Engineering，2020，38(2)：1151–1163.

[4] MONIRE M，REZA Z M ，AFSHIN K. Stress-strain behavior of loess soil stabilized with cement，zeolite，and recycled polyester fiber[J]. Journal of Materials in Civil Engineering，2019，31(12)：04019291.1–04019291.10.

[5] ZHANG Youchao，WANG Yihong，ZHAO Nana，et al. Experimental and stress-strain equation investigation on compressive strength of raw and modified soil in loess plateau[J]. Advances in Materials Science and Engineering，2016，2016：1–10.

[6] YANG Bohan，WENG Xingzhong，LIU Junzhong，et al. Strength characteristics of modified polypropylene fiber and cement-reinforced loess[J]. Journal of Central South University，2017，24(3)：560–568.

[7] 温亮，阎长虹，张政，等. 水泥–粉煤灰–煤渣–吹填粉细砂混合料强度试验[J]. 煤田地质与勘探，2019，47(1)：149–154. WEN Liang，YAN Changhong，ZHANG Zheng，et al. Test on the strength of the backfill fine sand mixture composed of cement-fly ash-cinder[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(1)：149–154.

[8] VARDHAN H，BORDOLOI S，GARG A，et al. Compressive strength analysis of soil reinforced with fiber extracted from water hyacinth[J]. Engineering Computations，2017，34(2)：330–342.

[9] 刘转年，周安宁，金奇庭. 粘土吸附剂在废水处理中的应用[J]. 环境污染治理技术与设备，2003，4(2)：54–58. LIU Zhuannian，ZHOU Anning，JIN Qiting. Application of clay adsorbents in wastewater treatment[J]. Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control，2003，4(2)：54–58.

[10] 马学宁，梁波. 水泥改良黄土力学特性试验研究[J]. 岩土工程技术，2005，19(5)：241–244. MA Xuening，LIANG Bo. Experimental study of mechanical performance of cement-improved loess[J]. Geotechnical Engineering Technique，2005，19(5)：241–244.

[11] 唐朝生，施斌，蔡奕，等. 聚丙烯纤维加固软土的试验研究[J]. 岩土力学，2007，28(9)：1796–1800. TANG Chaosheng，SHI Bin，CAI Yi，et al. Experimental study on polypropylene fiber improving soft soils[J]. Rock and Soil Mechanics，2007，28(9)：1796–1800.

[12] 柴寿喜，石茜. 干密度和含水率对稻草加筋土强度与变形的影响[J]. 煤田地质与勘探，2013，41(1)：51–54. CHAI Shouxi，SHI Qian. Effect of dry density and water content on the strength and deformation of saline soil reinforced with rice straw[J]. Coal Geology & Exploration，2013，41(1)：51–54.

[13] 温亚楠，朱鸿鹄，施斌. 纳米膨润土加固黏土强度的试验研究[J].地下空间与工程学报，2016，12(增刊1)：39–43. WEN Yanan，ZHU Honghu，SHI Bin. Experimental study on improving clay strength using Nano-bentonite[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2016，12(Sup.1)：39–43.

[14] 中华人民共和国交通运输部. 黄土地区公路路基设计与施工技术规范：JTG/T D31–05–2017[S]. 北京：人民交通出版社，2017. Ministry of Transport of the People’s Republic of China. Technical specifications for design and construction of highway subgrade in Loess Area：JTG/T D31-05-2017[S]. Beijing：China Communications Press，2017.

[15] NALBANT M，GöKKAYA H，SUR G. Application of taguchi method in the optimization of cutting parameters for surface roughness in turning[J]. Materials and Design，2007，28(4)：1379–1385.

[16] OTTO K N，ANTONSSON E K. Extensions to the Taguchi method of product design[J]. Journal of Mechanical Design，1993，115(1)：5–13.

[17] 常志璐，裴向军，吴梦秋，等. 植物纤维加筋固化土抗压强度和渗透试验研究[J]. 工程地质学报，2017，25(4)：912–919. CHANG Zhilu，PEI Xiangjun，WU Mengqiu，et al. Experimental study on compressive strength and permeability of soil solidified with coconut-fiber and double polyethylene material[J]. Journal of Engineering Geology，2017，25(4)：912–919.

[18] 陶高梁，吴小康，杨秀华，等. 水泥土的孔隙分布及其对渗透性的影响[J]. 工程地质学报，2018，26(5)：1243–1249. TAO Gaoliang，WU Xiaokang，YANG Xiuhua，et al. Pore distribution of cement-soil and its effect on permeability[J]. Journal of Engineering Geology，2018，26(5)：1243–1249.

[19] 王泽东，周盛涛，方文，等. 膨润土改性水泥土力学特性试验研究[J]. 硅酸盐通报，2019，38(10)：3287–3292. WANG Zedong，ZHOU Shengtao，FANG Wen，et al. Experimental study on mechanical properties of cement soil modified by bentonite[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2019，38(10)：3287–3292.

[20] 韩晓雷，郅彬，郭志勇. 灰土强度影响因素研究[J]. 岩土工程学报，2002，24(5)：667–669. HAN Xiaolei，ZHI Bin，GUO Zhiyong. Research on the principal factors in strength of the lime-loess[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2002，24(5)：667–669.

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

请听作者语音介绍创新技术成果等信息，欢迎与作者进行交流

TU444

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.026

1001-1986(2020)06-0195-06

2020-04-22；

2020-09-23

陕西省重点研发计划项目(2019ZDLSF05-07)

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

朱敏，1995年生，男，安徽芜湖人，硕士研究生，从事黄土改良方面的研究. E-mail：714074428@qq.com

倪万魁，1965年生，男，宁夏固原人，工学博士，教授，博士生导师，研究方向为岩土力学与工程. E-mail：niwankui@chd.edu.cn

朱敏，倪万魁，苑康泽，等. 黄土渗透和强度性能的改良优化[J]. 煤田地质与勘探，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.

(责任编辑 周建军)