碱渣混合加筋砂土直剪试验研究

2021-08-19杨步仁朱进军

连云港职业技术学院学报 2021年2期

林旭，杨步仁，朱进军

（连云港职业技术学院建筑工程学院，江苏连云港222006）

纯碱作为一种非常重要的工业原料，在我国工业化进程中发挥了不可或缺的作用。目前氨碱法制碱工艺较为成熟，应用广泛，每生产1吨纯碱，其中含废渣约300～600kg[1]。连云港地处东部沿海地区，具有丰富的海洋资源，连云港碱厂作为20世纪80年代中国三大碱厂之一，为国家工业化生产提供了大量原材料，工业碱渣作为制碱过程中排放的废弃物，无论堆放或者排入海洋都会对环境造成极大的污染，严重制约了企业的可持续发展战略，造成企业生产负担[2]。因此，笔者从碱渣的资源化利用角度进行研究，以期为其资源化利用的可行性提供依据。

张鹏等通过对滨海软土掺入碱渣的混合试样进行无侧限抗压强度的试验，认为碱渣掺量对混合土强度有一定程度提高作用[3]。马纯杰等认为碱渣具有良好的级配特性，与其他工程土能够较好地混合形成稳定密实结构[4]。邵勇等通过抗压强度试验分析了碱渣淤泥制砖法的可行性，为碱渣资源化利用提供了较好的工程依据[5]。于水军等通过碱渣与粉煤灰混合物的击实试验和强度试验，相关各项指标均符合国家标准，表明碱渣是一种良好的路基填筑材料[2]。郑敬云等通过在淤泥中加入碱渣等固化剂，对混合土进行了直剪试验、固结试验和无侧限抗压强度等试验，通过碱渣掺入量研究固化材料的经济性和适用性[6]。杨久俊等通过试验得出，碱渣与粉煤灰和水泥的混合能够产生络合物，具备了制作砂浆混合料的条件[7]。徐林荣等研究了竖向荷载、土工格栅及剪切速率对膨胀土与格栅的界面作用特性[8]。Chia-Nan Liu等人研究了砂土与土工格栅的界面特性，揭示了界面摩擦特性的规律[9]。徐超等控制竖向循环荷载的施加，通过动力试验手段来研究筋土界面强度特性[10]。由于碱渣自身的力学性能较差，需要配以一定量的固化剂来提高其强度，导致碱渣工程应用的效果不是很理想。同时，关于碱渣砂土混合土的土工合成材料加筋性能方面的试验研究少有报道。所以，笔者旨在通过室内直剪试验来研究土工格栅加筋下的碱渣砂土的加筋土界面性能，分析混合碱渣掺入量及砂土的颗粒级配对于碱渣混合土抗剪强度以及变形特性的影响，以期为工程应用提供一定的理论依据。

1 试验设备与材料选取

1.1 试验设备

本试验采用Geocomp公司生产的室内直剪仪，如图1所示。该仪器由自动化设备构成，竖向反力框架用来施加竖向荷载，仪器左侧配置操作控制面板，能够实现竖向加载、水平剪切以及采集数据和处理结果等功能，并且可通过控制剪切速率和剪切应力模拟实际工况。

图1 室内直剪仪

直剪仪剪切盒的有效尺寸为305mm×305mm×100mm，下剪切盒较上剪切盒略长，可以有效降低由于剪切面积减小造成的截面应力分布不均匀的问题。水平及竖向应力通过伺服电机实现加载，水平及竖向剪切位移由高精度传感器采集，由自带软件对原始试验数据进行采集分析。

1.2 试验材料

1.2.1 砂样

土样采用福建ISO标准砂，通过0.4mm筛孔直径将其筛分成细颗粒砂、粗颗粒砂和原状标准砂三种，来研究掺入碱渣的不同颗粒级配混合砂土的界面特性。三种砂的物理性质指标如表1所示，颗粒级配曲线如图2所示，具体土样如图3所示。

表1 砂土的物理性质指标

图2 砂土级配曲线

图3 试验用标准砂

1.2.2 碱渣

碱渣来自连云港碱厂废弃的碱渣堆放池，呈现流塑状态，需要进行晾晒粉碎后方可使用。其化学成分主要包含CaO、CaCl2、SiO2、MgO等，碱性成分较高，活性好，经测定含水量约85%，液限为68.9%，塑限为41%。碱渣试样如图4所示。

图4 碱渣

1.2.3 土工合成材料

本试验所用的土工合成材料为聚丙烯双向拉伸土工格栅，其在道路边坡工程中具有广泛的应用。在车辆荷载作用下，土工格栅和土体之间的摩阻力对土体侧向变形起到了制约作用，对路堤断面以及旧路改造的沉降情况进行有效的改善。土工格栅试样如图5所示，相关技术指标详见表2。

图5 土工格栅

表2 土工合成材料技术指标

2 试验方案

为系统研究碱渣混合砂土试样的筋土界面剪切特性的影响因素，笔者和课题组成员认真研究，制定了以下的试验方案：（1）碱渣拟按照8%、15%、30%的比例与标准砂土搅拌混合，施加竖向荷载100kPa；（2）采用15%的碱渣掺入量混合细颗粒砂土和粗颗粒砂土以及标准砂，密实状态下施加竖向荷载50kPa、100kPa、150kPa；（3）通过击实手段控制碱渣掺入量为15%的标准砂形成密实与松散两种状态，施加竖向荷载50kPa、100kPa、150kPa；根据《公路工程土工合成材料试验规程》考虑土工格栅开口较大，剪切速率定为1.3mm/min以保证试验过程中土工格栅能够较快发挥摩阻力。由于仪器竖向加载架的限制，可通过专用重锤击实次数和装填质量来控制：将试样分5层，每层2cm装填砂土，并用击锤击实至标定高度，以尽可能确保密实度相近。试验方案见表3。

表3 试验方案汇总

3 试验结果分析

碱渣作为一种工业废料，对环境和场地都会产生不良影响，如果进行合理的资源化利用，则具有重要的工程意义。为了更好地论证碱渣作为路基填料的可行性，以碱渣掺量、混合土样的颗粒级配、密实度等作为控制变量，通过室内直剪试验对碱渣混合砂加筋土的界面特性进行深入分析。

3.1 碱渣掺入量的影响

不同碱渣掺入量下混合土样的直剪试验结果如图6所示，随着碱渣掺入量从0%～30%逐渐增加，筋土界面强度呈有规律的降低。当碱渣掺量为0%时，界面剪切强度最大为40.62kPa，呈现出较明显的剪切软化特征；掺量为30%时，碱渣砂土界面强度最小为27.12kPa，强度减少近33.2%，剪切强度软化程度较低。这是因为，不含有碱渣的原状标准砂土颗粒级配良好，筋土界面最初呈现剪缩密实状态，故前期剪切强度较高；当砂土达到最大密实度后发生剪切膨胀，界面强度出现明显软化。

图6 碱渣掺入量对碱渣砂土界面强度的影响

碱渣掺入量对碱渣砂土的筋土界面剪切强度起到相反作用。碱渣掺入量对界面峰值强度及残余强度的影响如图7所示，可以发现二者呈现出同样的规律。当碱渣掺入量由8%增加至15%时，界面剪切强度同样是降低，但是相较0%～8%掺入量峰值剪切强度出现了强度下降放缓的趋势，而0%～8%和15%～30%强度变化基本一致。这说明，当碱渣掺量为15%时，既能有效利用碱渣作为标准砂的混合料进行路基填筑，同时对剪切强度的不利影响较小。

图7 碱渣掺入量对界面峰值及残余强度的影响

3.2 颗粒级配的影响

通过施加荷载50kPa、100kPa、150kPa竖向应力水平下不同颗粒级配的碱渣混合砂土界面直剪试验结果，可以看出，掺入15%碱渣的标准砂混合土样的界面剪切强度明显低于细颗粒碱渣砂土和粗颗粒碱渣砂土，分别低了48%、30.1%和45%，这与日本山口大学相关学者利用离散元来研究颗粒级配对于筋土界面强度影响的研究结论类似。刘瑜等学者通过电镜扫描研究福建标准砂的微观结构，发现标准砂呈现无尖锐外观的不规则块体结构，并且颗粒粗糙程度与颗粒几何大小没有明显关联[11]。这是因为碱渣细颗粒砂土和粗颗粒砂土具有较为接近的表面粗糙度，筋土界面剪切强度来源于筋材土体的摩阻力和土颗粒内部的机械咬合力，故两者的界面剪切强度值相近。试验结果如图8、图9、图10所示。

图8 50kPa下颗粒级配与碱渣砂土界面强度关系图

图9 100kPa下颗粒级配与碱渣砂土界面强度关系图

图10 150kPa下颗粒级配与碱渣砂土界面强度关系图

3.3 密实度对界面特性的影响

在50kPa、100kPa和150kPa竖向应力作用下，松散与密实碱渣标准砂土筋土界面强度关系曲线图分别如图11、图12和图13所示。不难看出，密实碱渣混合砂土的筋土界面强度明显高于松散状态，分别高出42%、18%和10%。同时，剪切位移为10mm～15mm时，密实砂土达到峰值剪切强度以后便出现强度软化，这与松散砂土剪切强度硬化特征有明显区别。

图11 50kPa下密实度与碱渣砂土界面强度关系图

图12 100kPa下密实度与碱渣砂土界面强度关系图

图13 150kPa下密实度与碱渣砂土界面抗剪关系图

3.4 碱渣混合砂土界面强度拟合

根据3种不同级配碱渣混合砂土样的直剪试验结果，分别绘制出筋土界面峰值剪切强度与残余剪切强度的库伦强度曲线图，如图14、图15所示。碱渣标准砂土的界面内摩擦角正切值明显低于细颗粒碱渣砂土和粗颗粒碱渣砂土，而似粘聚力较高。当竖向应力小于75kPa时，碱渣细颗粒土的界面剪切强度低于粗颗粒土，而后强度高于后者，即细颗粒碱渣混合土样的拟合曲线斜率较大，强度形成过程较快。残余强度的发展规律与混合土样一致。