水玻璃固化黃土過程中電阻率參數(shù)的試驗研究

黃鳳鳳，周 偉，劉彥忠，2，董曉強，2

(1.太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原030024;2.山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，山西 太原030006)

0 引 言

硅化法作為一種典型的化學(xué)注漿法在處理濕陷性黃土地基、軟土地基、填土地基以及加固既有建筑物地基等方面取得了良好的效果［1-4］。硅化法加固土體的機理在于將硅酸鈉溶液注入土體后，其溶液中的Na+與黃土中的Ca2+、Mg2+發(fā)生置換反應(yīng)產(chǎn)生硅膠，從而達到加固土體的目的［5-8］。一直以來，許多從事巖土工程的專家和工程師都對硅化法中使用的漿液成分和注漿方法做了改進［9-11］，但在工程實踐過程中，土體結(jié)構(gòu)受施工環(huán)境、施工方法等因素的影響較大，特別是在硅化法施工時，雖然有較好的加固效果，但會產(chǎn)生較大的附加沉降［12］，因此，在硅化法注漿加固過程中，需要對被注漿土體結(jié)構(gòu)進行連續(xù)的監(jiān)測，以保證工程質(zhì)量，并指導(dǎo)注漿加固效果的評價。電阻率法是一種快捷、方便、無損的土體檢測方法，眾多的專家學(xué)者將其應(yīng)用于巖土工程的研究中，并且取得了許多有益的成果［13-15］。土電阻率的影響因素較多，包括土的孔隙率、土顆粒排列形狀、固體顆粒成分、孔隙水充填率和膠結(jié)狀態(tài)等［16-17］。

本文采用改造后的固結(jié)裝置，對施加上部荷載的重塑黃土注射水玻璃，模擬硅化法加固黃土，觀測固化過程中黃土的附加變形，同步測試電阻率的變化，結(jié)合土體結(jié)構(gòu)變化探討電阻率變化機理，以拓展電阻率法在黃土硅化加固監(jiān)測等方面的應(yīng)用。

1 試驗材料與方法

試驗采用太原黃土，呈黃色，粉土，土質(zhì)較均勻。其基本物理指標見表1，顆粒分析曲線見圖1，濕陷曲線見圖2。將原狀黃土碾碎、烘干、過篩，按照15%的含水量加水拌和均勻，裝入塑料袋密封后標準養(yǎng)護24 h，使土樣中水氣分布平衡。

表1 黃土基本物理指標Tab.1 The basic physical properties of the soil

圖1 黃土的顆粒級配曲線Fig.1 Particle size analysis curve of loess

圖2 濕陷曲線Fig.2 Collapsible curve

水玻璃注漿固化試驗在改造后的一維固結(jié)儀上進行，如圖3 所示。圖中環(huán)刀為自制的高強度絕緣塑料環(huán)刀(內(nèi)徑為80 mm，高度為30 mm)，在環(huán)刀內(nèi)壁的4 個方向粘有4 片長方形銅電極片(高為10 mm，寬為5 mm)，用以測試土樣橫向阻抗;環(huán)刀上部和下部透水石與土樣的接觸面中心均粘有1 片銅電極片(直徑為33 mm)，用以測試土樣豎向阻抗;銅電極片上均有導(dǎo)線引出與LCR 數(shù)字電橋相連。環(huán)刀內(nèi)壁電極片分布如圖4 所示。試驗分別測試了圖示1-3 方向和2-4 方向重塑土的橫向阻抗，最后取平均值得到黃土的橫向阻抗值。為方便向土樣注入水玻璃，在上透水石上打8 個分布均勻的注漿孔，注漿孔分布如圖5 所示。

將上述重塑黃土置于圖3 裝置中，干密度控制為1.2 g/cm3，對土樣施加50 kPa 的荷載，待受壓穩(wěn)定后，使用注射器從土樣上部注入水玻璃(濃度為20%)，水玻璃溶液與土體孔隙體積比為0.2∶1，然后觀測不同固化時間土樣的附加變形，并測試土樣在不同電流頻率下的豎向和橫向阻抗(電流頻率分別為50、102、5×102、103、5×103、104、5×104、105、5×105、106Hz)。

將數(shù)字電橋測得的阻抗值經(jīng)過式ρ=|Z|·S/L 換算得到電阻率值，其中，ρ 為電阻率值(Ω·m);|Z|為阻抗值(Ω);S 為銅電極片面積(m2);L 為電極片之間的距離(m)。

圖3 改造后的黃土固結(jié)裝置Fig.3 Developed consolidation device

圖4 環(huán)刀內(nèi)壁電極片分布圖Fig.4 Distribution of electrodes

圖5 注漿孔分布圖Fig.5 Distribution of grouting hole

2 電阻率結(jié)構(gòu)特性參數(shù)

國內(nèi)外眾多學(xué)者對土的電阻率特性做了大量而有益的研究工作，提出了電阻率結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，并用于土的結(jié)構(gòu)研究，主要包括結(jié)構(gòu)因子F、形狀因子f 和各向異性系數(shù)A。

2.1 結(jié)構(gòu)因子F

土的孔隙結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性通過結(jié)構(gòu)因子F(無量綱)反映。表達式如下:

2.2 形狀因子f

形狀因子f(無量綱)是反映土顆粒間膠結(jié)作用和描述土體顆粒形狀特征的參數(shù)，其表達式如下:

2.3 各向異性系數(shù)A

各向異性系數(shù)A(無量綱)可反映土體顆粒的定向排列和各向異性大小，表達式如下:

式(1)～(5)中，ρV、ρH分別為土豎向和橫向電阻率值(Ω·m);ρw為土中孔隙水電阻率值(Ω·m);FV、FH分別為土豎向和橫向結(jié)構(gòu)因子;為土平均結(jié)構(gòu)因子;n 為孔隙率(%)為土平均形狀因子;A 為土各向異性系數(shù)。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 電流頻率對電阻率影響

圖6、圖7 為固化過程中不同時間點測得的土豎向電阻率—電流頻率關(guān)系曲線、橫向電阻率—電流頻率關(guān)系曲線。在圖6 和圖7 中A 直線(5×104Hz)、B 直線(5×104Hz)的兩邊，曲線呈現(xiàn)不同的變化趨勢，即當(dāng)電流頻率范圍為50 ～5×104Hz 時，豎向和橫向電阻率均隨電流頻率的升高而急速下降。當(dāng)電流頻率范圍為5×104～1×106Hz 時，豎向和橫向電阻率隨電流頻率升高而趨于穩(wěn)定。由此可見，電流頻率對電阻率值的影響不容忽視，當(dāng)采用交流電測試土電阻率時，電流頻率的選取顯得尤為重要?；谝陨辖Y(jié)果，較合理的電流頻率范圍為5×104～1×106Hz，此范圍內(nèi)電流頻率對電阻率值的測試影響最小。測試為方便比較，下文均采用電流頻率為5×104Hz 下測得的數(shù)據(jù)進行分析。

圖6 土樣豎向電阻率與電流頻率關(guān)系Fig.6 Relationships between vertical resistivity and frequency

3.2 附加變形與固化時間關(guān)系

根據(jù)注漿試驗和濕陷試驗分別得出了土體的附加變形量和濕陷量，并繪制了黃土的附加變形量—固化時間—濕陷量關(guān)系曲線，如圖8 所示。依據(jù)附加變形量、濕陷量隨固化時間變化規(guī)律，可將圖8 中兩條曲線劃分為3 個階段:快速上升段(約100 min 前)、緩升段(100 ～200 min)和平穩(wěn)段(200 min 后)。由圖8 可知，水玻璃固化黃土?xí)a(chǎn)生一定的附加變形，在平穩(wěn)段，附加變形超過濕陷量的1/3。因此，在實際工程中必須考慮注漿產(chǎn)生的附加變形對建筑物的影響。

圖7 土樣橫向電阻率與電流頻率關(guān)系Fig.7 Relationships between horizontal resistivity and frequency

圖8 附加變形量—固化時間—濕陷量曲線Fig.8 Curves of addition displacement-solidified time-collapse selltlement

3.3 橫向和豎向電阻率隨固化時間的變化規(guī)律

圖9 為黃土固化過程中豎向電阻率與固化時間的關(guān)系曲線。圖10 為黃土固化過程中橫向電阻率與固化時間的關(guān)系曲線?？梢钥闯?隨固化時間的增加，豎向和橫向電阻率均呈先減小后穩(wěn)定的趨勢，且減小趨勢主要集中在注漿后初始階段(約200 min 之前)，200 min 之后，豎向與橫向電阻率減小的幅度與速率都變緩顯著，最終趨于穩(wěn)定。對比圖8，隨著固化時間的增加，重塑黃土的橫向和豎向電阻率變化大致可劃分為3 個不同的變化階段:快速下降段(約100 min 前)、緩降段(100 ～200 min)和平穩(wěn)段(200 min 后)。結(jié)合土體發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，可以從以下兩個角度來解釋豎向與橫向電阻率的變化規(guī)律。

①影響土體導(dǎo)電有很多因素，孔隙水導(dǎo)電是其中重要的因素之一，所以土體的導(dǎo)電能力很大程度上取決于孔隙水的導(dǎo)電能力。注漿后，水玻璃迅速填充土體孔隙，土體孔隙水中導(dǎo)電陽離子(Na+)大量增加，孔隙水導(dǎo)電能力增強，土體導(dǎo)電能力增強，電阻率減小，電導(dǎo)率增大，因而黃土注漿后初始階段，其豎向與橫向電阻率均不斷減小。隨著置換反應(yīng)的進行，在土顆粒表面形成硅酸凝膠藻膜，產(chǎn)生的大量硅膠導(dǎo)致土中的毛細管網(wǎng)被堵塞，隨著硅膠逐漸增厚和硬化，土體孔隙水通道被堵塞，導(dǎo)電通路減少。因此，土體豎向和橫向電阻率減小的速度和幅度都減緩并最終逐漸穩(wěn)定。

②含水量與飽和度是能夠明顯影響土的電阻率的兩個因素，兩者增大均能夠?qū)е峦翆?dǎo)電能力增強。在土中注入水玻璃后，黃土的含水量和飽和度均增大，因而豎向與橫向電阻率不斷降低。隨著反應(yīng)的進行，土中逐漸形成硅膠固體，土中液態(tài)水減少，豎向和橫向電阻率逐漸保持穩(wěn)定。

圖9 土樣豎向電阻率與固化時間關(guān)系Fig.9 Relationship between vertical resistivity and solified time

圖10 土樣橫向電阻率與固化時間關(guān)系Fig.10 Relationship between horizontal resistivity and solified time

3.4 平均結(jié)構(gòu)因子隨固化時間的變化規(guī)律

圖11 示出了不同電流頻率下孔隙水的電阻率，根據(jù)式(1)～(3)可計算出平均結(jié)構(gòu)因子。圖12 示出了黃土固化過程中平均結(jié)構(gòu)因子與固化時間的關(guān)系曲線?？梢钥闯?隨著固化時間的增加，平均結(jié)構(gòu)因子先減小，最終保持穩(wěn)定。

平均結(jié)構(gòu)因子隨固化時間變化的曲線大致可劃分為3 個不同的階段:溶解階段、置換階段和固結(jié)階段。

①溶解階段(約100 min 前):平均結(jié)構(gòu)因子急速減小，變化幅度很大，表明此階段土體結(jié)構(gòu)變化很劇烈。這是由于在已經(jīng)達到一個相對穩(wěn)定狀態(tài)下的土體中注入水玻璃后，水玻璃漿液具有溶解作用，使得原本穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)再次破壞，結(jié)構(gòu)性減弱，平均結(jié)構(gòu)因子減小。

②置換階段(100 ～200 min):本階段水玻璃溶液中的Na+與黃土中的Ca2+、Mg2+發(fā)生置換反應(yīng)，產(chǎn)生的硅膠造成土顆粒位置發(fā)生改變，土中產(chǎn)生的硅膠越來越多，但尚未硬化，土體強度未有提高，平均結(jié)構(gòu)因子繼續(xù)降低。

③固結(jié)階段(200 min 后):本階段土體中置換反應(yīng)逐漸完成，膠膜逐漸增厚和硬化，從而增強土粒間的聯(lián)結(jié)、堵塞土顆粒間隙，使得土的強度得到提高，能夠承受原有的上部壓力，土體結(jié)構(gòu)達到穩(wěn)定，平均結(jié)構(gòu)因子逐漸保持穩(wěn)定。

圖11 不同電流頻率下孔隙水的電阻率Fig.11 Electrical resistivity of pore water based on different electrical current frequencies

圖12 平均結(jié)構(gòu)因子與固化時間關(guān)系Fig.12 Relationship between average formation factor and solified time

3.5 平均形狀因子隨固化時間的變化規(guī)律

圖13 為黃土固化過程中平均形狀因子與固化時間的關(guān)系曲線?？梢姡S著固化時間增加，平均形狀因子先減小，最終保持穩(wěn)定。

對比圖12 和圖13 可見，平均形狀因子與平均結(jié)構(gòu)因子的變化規(guī)律基本一致，也可將平均形狀因子與固化時間的關(guān)系曲線劃分為3 個不同階段。

①溶解階段(約100 min 前):此階段平均形狀因子減小的速度和幅度均較大，表明土膠結(jié)強度劇烈下降，土顆粒之間的膠結(jié)作用急劇減弱。這是由于在注入水玻璃之后，土中孔隙液增加，土體飽和度增大，在上部壓力的作用下造成土顆?；疲z結(jié)強度減弱，平均形狀因子減小。

②置換階段(100 ～200 min):平均形狀因子繼續(xù)減小，但減小的幅度相對溶解階段變小。本階段土體中陽離子間發(fā)生置換反應(yīng)，有硅膠產(chǎn)生，硅膠尚未凝固，土體膠結(jié)強度繼續(xù)減弱，平均形狀因子減小。

③固結(jié)階段(200 min 后):平均形狀因子基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。此階段固化反應(yīng)逐漸完成，土中產(chǎn)生了大量硅膠，土體結(jié)構(gòu)逐漸保持穩(wěn)定，這一階段的變形量很小，平均形狀因子逐漸趨于穩(wěn)定。

3.6 各向異性系數(shù)隨固化時間的變化規(guī)律

圖14 為黃土固化過程中各向異性系數(shù)與固化時間的關(guān)系曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，黃土的各向異性系數(shù)隨著固化時間的增加先快速增大而后呈穩(wěn)定趨勢。在固化初期(200 min 前)，各向異性系數(shù)增大速度和幅度均較大;隨著固化時間的增加，各向異性系數(shù)增大幅度逐漸變緩，最終趨于穩(wěn)定。

在溶解階段和置換階段，各向異性系數(shù)增大的原因在于，在土中注入水玻璃后，土中導(dǎo)電離子增多，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的硅膠導(dǎo)致土的電阻率減小，豎向的減小幅度相對橫向的小，從圖9 可知，水玻璃與土之間的化學(xué)反應(yīng)前期是土的附加沉降量增大較明顯的階段，此階段土顆粒發(fā)生滑移，位置發(fā)生改變，也導(dǎo)致了各向異性系數(shù)的增大;固結(jié)階段，土中的各種物理化學(xué)反應(yīng)的完成，土樣趨于穩(wěn)定，黃土的各向異性系數(shù)也逐漸穩(wěn)定。

圖13 平均形狀因子與固化時間關(guān)系Fig.13 Relationship between average shape factor and solified time

4 結(jié) 論

通過對重塑黃土注射水玻璃，進行連續(xù)豎向及橫向電阻率測試，研究了固化過程中電阻率結(jié)構(gòu)特性參數(shù)的變化規(guī)律，探討了土體結(jié)構(gòu)變化機理，得出了以下結(jié)論。

①試驗測試時，電流頻率對電阻率值的影響明顯，且不容忽略，建議選用電流頻率范圍為5×104～1×106Hz。

②豎向和橫向電阻率均隨著固化時間的增加先減小，最終保持穩(wěn)定，且兩者的減小過程均集中在注漿后初始階段(約200 min 前)，之后，豎向和橫向電阻率逐漸趨于穩(wěn)定。

③依據(jù)土的平均結(jié)構(gòu)因子隨固化時間的變化曲線，可將黃土硅化固化過程劃分為3 個不同階段:溶解階段、置換階段與固結(jié)階段。平均結(jié)構(gòu)因子隨固化時間的增加先減小，最終保持穩(wěn)定。平均形狀因子的變化規(guī)律與平均結(jié)構(gòu)因子一致。

④各向異性系數(shù)隨固化時間的增加先快速增大并最終趨于穩(wěn)定。

圖14 圖14 各向異性系數(shù)與固化時間關(guān)系Fig.14 Relationship between electrical anisotropy index and solified time

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