王 曉 強(qiáng)，高 富 強(qiáng)

(洛陽(yáng)理工學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

0 引 言

“一帶一路”、西部大開(kāi)發(fā)及東西部經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整等國(guó)家戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)和實(shí)施，給西北及周邊地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇和挑戰(zhàn)，同時(shí)也將黃土地區(qū)的工程建設(shè)問(wèn)題提到了前所未有的高度[1-2]。黃土的獨(dú)特空間結(jié)構(gòu)體系是造成當(dāng)?shù)亟?構(gòu))筑物地基失穩(wěn)的主要原因[3-4]。黃土作為一種獨(dú)特的地質(zhì)載體，具有獨(dú)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(zhì)和工程力學(xué)特征易受到外界因素影響，由此誘發(fā)的建(構(gòu))筑物地基病害問(wèn)題和致災(zāi)特性一直以來(lái)也備受關(guān)注。已有研究表明，黃土場(chǎng)地基礎(chǔ)的失穩(wěn)破壞嚴(yán)重威脅到建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[9-10]。因此，改善黃土的宏觀力學(xué)行為[11]，是目前環(huán)境巖土工程領(lǐng)域亟需解決的工程問(wèn)題之一。

處理不良地質(zhì)場(chǎng)地的方法通?？煞譃槲锢硎侄?強(qiáng)夯等)、化學(xué)手段(化學(xué)試劑等)以及復(fù)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(xué)手段多添加硅酸鹽水泥、固化劑等具有強(qiáng)粘合性的材料。目前，由于傳統(tǒng)的纖維存在諸如價(jià)格昂貴、污染土壤環(huán)境和地下水等問(wèn)題，玄武巖纖維的出現(xiàn)彌補(bǔ)了相關(guān)不足。玄武巖憑借其天然、高性能、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)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(duì)膨脹土三軸剪切特性的影響，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維對(duì)黏聚力影響顯著，而對(duì)內(nèi)摩擦角無(wú)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(duì)膨脹土直接剪切強(qiáng)度和收縮變形特征的影響規(guī)律。高磊等[18-19]通過(guò)直接剪切試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)研究了玄武巖纖維摻量對(duì)黏土剪切特性的影響，并從微觀角度進(jìn)行了描述。而關(guān)于黃土地區(qū)的化學(xué)處理，李云章[20]早在1982年就開(kāi)展了濕陷性黃土地基堿液處理方法的工程實(shí)踐，而直至現(xiàn)階段，大多學(xué)者僅針對(duì)堿液處理黃土的基本性質(zhì)展開(kāi)探究[21-24]，并未探討堿液濃度對(duì)加固效果的影響，且關(guān)于堿液處理和纖維加筋聯(lián)合對(duì)污染黃土進(jìn)行加固的研究更是鮮有報(bào)道。

本文針對(duì)豫西黃土開(kāi)展室內(nèi)研究，采用硫酸鈉溶液對(duì)試樣進(jìn)行污染，基于正交設(shè)計(jì)對(duì)污染后的土樣開(kāi)展考慮纖維長(zhǎng)度、纖維摻量以及堿液濃度影響的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透特性試驗(yàn)，通過(guò)極差分析和方差分析相結(jié)合的方法對(duì)玄武巖纖維加固污染黃土的影響因素進(jìn)行分析，以期為實(shí)際工程中玄武巖纖維長(zhǎng)度、摻量的選擇以及堿液濃度的選取提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)黃土樣

試驗(yàn)所用黃土取自豫西三門峽市一基坑，土質(zhì)較為均勻，取土深度1.5～3.0 m，其基本物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)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(shù)分別為35.43%和14.01。礦物成分分析可知，該地區(qū)黃土的化學(xué)成分主要以SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3為主。

表1 試驗(yàn)土樣的物理指標(biāo)

1.2 玄武巖纖維和堿液

試驗(yàn)所用玄武巖纖維為短切玄武巖纖維(見(jiàn)圖2)，玄武巖纖維絲的基本物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 玄武巖纖維物理力學(xué)參數(shù)

圖2 玄武巖纖維(長(zhǎng)6 mm)

試驗(yàn)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(yàn)方法設(shè)計(jì)

為充分體現(xiàn)加筋材料和化學(xué)溶液的影響，考慮玄武巖纖維摻量、玄武巖纖維長(zhǎng)度及堿液濃度3個(gè)因素對(duì)纖維-堿液加固黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透性的作用效果，每個(gè)因素設(shè)置3個(gè)水平，如表3所列。

表3 正交試驗(yàn)因素水平表

1.4 試樣準(zhǔn)備及試驗(yàn)過(guò)程

本次試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[25]進(jìn)行重塑試樣的準(zhǔn)備及制備。將現(xiàn)場(chǎng)取回的黃土樣風(fēng)干后過(guò)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(fēng)干土料與水進(jìn)行混合后，加入纖維絲，養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行試樣制作；② 先將備用風(fēng)干土料與纖維絲混合后，再加入水，養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行試樣制作。由于纖維絲分散后與土樣的拌和需要一定時(shí)間，考慮到試驗(yàn)先加水后會(huì)損失部分水分，且先將風(fēng)干土料與纖維絲進(jìn)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(yàn)將不同濃度的堿液代替去離子水與風(fēng)干土及纖維絲的混合物進(jìn)行拌和。

所有試樣按照1.70 g/cm3的密度進(jìn)行制樣。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(jìn)行壓實(shí)，2層交界面處進(jìn)行刮毛處理，每組試樣制備不少于3個(gè)平行試樣。滲透性試驗(yàn)所需試樣為直徑39.1 mm、高度80 mm的三軸試樣，試樣制作過(guò)程采用圓柱形脫模制樣儀器制作，分3層填入并壓實(shí)，界面刮毛處理，每組試樣制備亦不少于3個(gè)平行試樣。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度采用應(yīng)變式無(wú)側(cè)限壓縮儀，滲透試驗(yàn)采用GDS三軸滲透儀。

2 結(jié)果與分析

基于正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果，采用極差分析和方差分析相結(jié)合的方法，分別對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)的主次影響因素進(jìn)行分析。

2.1 因素極差分析

正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和結(jié)果如表4所列。正交設(shè)計(jì)的極差分析結(jié)果如表5～6所列。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及滲透系數(shù)隨各因素的變化趨勢(shì)如圖3～4所示。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度極差分析

圖3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)

(1)對(duì)于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，極差RC>RA>RB，可見(jiàn)玄武巖纖維-堿液加固黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(zhǎng)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(jù)此可以判斷最優(yōu)水平組合為A3B2C3，即極差分析得出的最優(yōu)組合為：纖維摻量0.9%、纖維長(zhǎng)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷提高，纖維摻量為0.9%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。隨著玄武巖纖維長(zhǎng)度的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，纖維長(zhǎng)度為6 mm時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。隨著堿液濃度的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度顯著增加，且在堿液濃度為1.5 mol/L時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大。

(2)由滲透特性試驗(yàn)結(jié)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(shù)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(zhǎng)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(jù)此可以判斷能夠使?jié)B透系數(shù)最大的水平組合為A1B1C3，即纖維摻量0.3%、纖維長(zhǎng)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(shù)不斷降低，纖維摻量為0.9%時(shí)，滲透系數(shù)達(dá)到最小。隨著玄武巖纖維長(zhǎng)度的增加，滲透系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì)，纖維長(zhǎng)度為9 mm時(shí)滲透系數(shù)達(dá)到最小。隨著堿液濃度的增加，滲透系數(shù)先減小后顯著增加，且在堿液濃度為1.0 mol/L時(shí)的滲透系數(shù)達(dá)到最小。

表6 滲透系數(shù)極差分析

圖4 滲透系數(shù)變化趨勢(shì)

2.2 因素方差分析

極差分析方法較為簡(jiǎn)單，可以直觀地反映出各因素的主次順序，但不能反映試驗(yàn)條件變化引起的數(shù)據(jù)演變規(guī)律，無(wú)法分析和揭示其背后的機(jī)理。因此，進(jìn)一步對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

方差分析中，需假定每一次試驗(yàn)為獨(dú)立試驗(yàn)，其試驗(yàn)指標(biāo)服從正態(tài)分布，且每個(gè)正態(tài)分布的均值方差相等。計(jì)算數(shù)據(jù)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(jìn)行F檢驗(yàn)。得出的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度方差分析結(jié)果如表7所列，滲透系數(shù)的方差分析結(jié)果如表8所列。

表7 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度方差分析

表8 滲透系數(shù)方差分析

由表7可知，各因素對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(duì)壓實(shí)試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響更為顯著，纖維長(zhǎng)度對(duì)壓實(shí)試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響為顯著。從表8可以看出，各因素對(duì)滲透系數(shù)影響的顯著程度依次為：A>C>B，即纖維摻量對(duì)滲透系數(shù)的影響更顯著，堿液濃度次之，纖維長(zhǎng)度最小。綜合上述，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)的差異主要由不同水平的A、B、C 3個(gè)因素所致；纖維摻量對(duì)試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)的影響都為極顯著，而纖維長(zhǎng)度對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響為顯著，纖維長(zhǎng)度和堿液濃度對(duì)滲透系數(shù)的影響為顯著。

3 作用機(jī)理討論

目前，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)揭示了纖維加筋土體的工程性質(zhì)演變規(guī)律及加固機(jī)理[26-28]。阮波等[13]通過(guò)正交設(shè)計(jì)探明了纖維加筋水泥土的參數(shù)優(yōu)化特性，并指出了纖維加筋水泥土的強(qiáng)度強(qiáng)化機(jī)制。江朝華等[14]對(duì)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(xué)性能，通過(guò)SEM電鏡揭示了兩種加筋材料的加固特性。尤波等[16]通過(guò)三軸試驗(yàn)研究了玄武巖纖維加筋膨脹土的強(qiáng)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(qiáng)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(guò)三軸試驗(yàn)和SEM測(cè)試，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維強(qiáng)化黏土的作用機(jī)制主要為纖維的“握裹”作用和纖維網(wǎng)作用。而李云章[20]指出黃土地區(qū)較為特殊的堿液加固方法：堿液本身并不具備膠體性質(zhì)，但與黃土中的氧化物反應(yīng)后可生成膠體，從而增強(qiáng)了顆粒間的連接，提高了土體的強(qiáng)度。從化學(xué)反應(yīng)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(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，生成膠體使土顆粒能夠彼此自行膠結(jié)，抗壓強(qiáng)度增大。堿液-黃土作用下土顆粒表層的硅鋁酸鹽會(huì)逐漸由固相向液相轉(zhuǎn)化，此時(shí)會(huì)降低土顆粒表面的摩擦力，而相鄰的土顆粒表面會(huì)在轉(zhuǎn)化過(guò)程中生成非水穩(wěn)定性的溶合膠結(jié)，并且這種膠結(jié)在反應(yīng)式(8)完成后生成具有水穩(wěn)定性的絡(luò)合物，使得膠結(jié)物強(qiáng)度更高，這種膠結(jié)作用提高了顆粒間相互嵌入和連鎖作用產(chǎn)生的咬合力，從而抗壓強(qiáng)度增大。因此，也說(shuō)明此種情況下與土顆粒表面的膨脹與軟化帶來(lái)的液相趨勢(shì)作用相比，顆粒間的互鎖結(jié)構(gòu)狀態(tài)作用占據(jù)主導(dǎo)地位。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Ca2++2OH-→Ca(OH)2↓

(8)

通過(guò)在試樣中摻入玄武巖纖維和堿液，充分發(fā)揮纖維和堿液兩者的強(qiáng)化作用，能使加固后黃土的抗壓強(qiáng)度提高而滲透系數(shù)降低。如圖5所示，在纖維加筋-堿液加固的共同作用下，會(huì)產(chǎn)生二者彼此互相強(qiáng)化的耦合作用效果：堿液與黃土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成膠體絡(luò)合物，改變土顆粒之間的排列及連接狀態(tài)，進(jìn)一步形成顆粒間的互鎖結(jié)構(gòu)，提高土體的強(qiáng)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(qiáng)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(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)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(qiáng)。在臨近破壞狀態(tài)時(shí)，纖維的存在有助于抑制裂紋的擴(kuò)展，提高了試樣的力學(xué)性能。

圖5 纖維-堿液加筋黃土作用機(jī)理示意

4 結(jié) 論

基于正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果，采用極差分析和方差分析相結(jié)合的方法，分別對(duì)纖維-堿液加固黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)的主次影響因素進(jìn)行分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(zhǎng)度；而影響其滲透系數(shù)的主次因素依次為：玄武巖維摻量、堿液濃度、玄武巖纖維長(zhǎng)度。

(2)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)的差異主要由纖維摻量、長(zhǎng)度及堿液濃度的不同水平所致，纖維摻量對(duì)試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)的影響都為極顯著，而纖維長(zhǎng)度對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響為顯著，纖維長(zhǎng)度和堿液濃度對(duì)滲透系數(shù)的影響為顯著。

(3)纖維摻量0.3%、纖維長(zhǎng)度3 mm、堿液濃度1.5 mol/L時(shí)纖維-堿液加筋黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大；纖維摻量0.9%、纖維長(zhǎng)度9 mm、堿液濃度1.0 mol/L時(shí)滲透系數(shù)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(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)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。