堿液加固黃土的電阻率特征試驗(yàn)及其效果評(píng)價(jià)

劉 華，胡文樂，王鐵行，王松鶴，劉乃飛，胡鵬飛，谷宏全

(1. 西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安 710055; 2. 西安建筑科技大學(xué)陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710055； 3. 西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，陜西西安 710048)

0 引 言

中國(guó)黃土分布廣泛，其地層連續(xù)完整、厚度大,且具有水敏性及特殊的工程特性等，已經(jīng)引起相關(guān)學(xué)者和工程人員的高度關(guān)注[1-3]。作為黃土集中分布的西北和華北等地是黃土地質(zhì)災(zāi)害的高發(fā)地區(qū)，建(構(gòu))筑物的安全穩(wěn)定受到嚴(yán)重威脅和挑戰(zhàn)，黃土的工程性質(zhì)演變及工程致災(zāi)研究成為巖土工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一[4-5]。出于加固地基的目的，黃土場(chǎng)地經(jīng)物理、化學(xué)、生物或復(fù)合手段等相關(guān)技術(shù)改良處理后應(yīng)用于工程建設(shè)，其中堿液處理技術(shù)作為化學(xué)加固[6-7]的手段之一，具有提升強(qiáng)度、減少濕陷、水穩(wěn)性好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)[8]。對(duì)于如何評(píng)價(jià)加固后黃土場(chǎng)地的穩(wěn)定狀態(tài)和各項(xiàng)表征指標(biāo)，目前多以傳統(tǒng)的力學(xué)破壞試驗(yàn)方法為主，其成本高、技術(shù)復(fù)雜。因此，需建立快速的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)手段和體系，對(duì)堿液處理原狀黃土的物理力學(xué)特性進(jìn)行研究在黃土地區(qū)有重要意義?；诖?，構(gòu)建堿液處理黃土場(chǎng)地的檢測(cè)手段、反演特征和評(píng)價(jià)體系顯得格外重要。

自20世紀(jì)80年代初將電學(xué)測(cè)試方法引入污染土的保護(hù)及處理研究中以來(lái)[9-13]，目前已有大量的研究和工程應(yīng)用[14]。查甫生等[15-16]對(duì)非飽和土及污染土的電阻率特性及工程應(yīng)用進(jìn)行了探討。Chu等[17-18]對(duì)電阻率法檢測(cè)污染土的測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了論證，并將電阻率對(duì)評(píng)價(jià)污染土特性的響應(yīng)程度進(jìn)行了分析。劉漢龍等[19-25]分析了酸堿溶液對(duì)土體力學(xué)指標(biāo)的影響，任禮強(qiáng)等[26]通過將過篩風(fēng)干土與堿液拌合，對(duì)其抗剪強(qiáng)度及水化學(xué)作用機(jī)理進(jìn)行了討論，劉華等[27]分析了酸堿液對(duì)原狀黃土壓縮指標(biāo)特征的影響。黃土具有典型結(jié)構(gòu)性，在浸泡和重塑過程中其原有結(jié)構(gòu)體系幾乎無(wú)法得到重現(xiàn)，水化學(xué)侵蝕的過程會(huì)對(duì)黃土結(jié)構(gòu)造成部分影響，進(jìn)而影響到黃土的物理力學(xué)指標(biāo)。結(jié)合前人研究發(fā)現(xiàn)[25-27]，堿液中Na+，OH-并不會(huì)對(duì)地下水造成威脅，堿液是依靠其自身與土體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這給不破壞既有場(chǎng)地的結(jié)構(gòu)性前提下如何進(jìn)行堿液加固及其檢測(cè)評(píng)價(jià)提供了新的思路。

基于此，本文對(duì)水化學(xué)作用后電阻率指標(biāo)與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，探討電阻率法在堿液處理黃土場(chǎng)地工程特性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。試驗(yàn)以銅川原狀黃土為研究對(duì)象，配置不同濃度的堿液，在實(shí)驗(yàn)室模擬堿液處理黃土場(chǎng)地的工況。通過電阻率測(cè)試和直剪試驗(yàn)，對(duì)不同濃度的堿液處理原狀黃土的抗剪強(qiáng)度和電阻率特征進(jìn)行分析，以期為黃土場(chǎng)地的處理、檢測(cè)、評(píng)價(jià)及保護(hù)提供有價(jià)值的參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)取樣

試驗(yàn)所用的黃土試樣取自銅川市某在建基坑，取樣深度為2～3 m，土質(zhì)較為均勻，屬Q(mào)3黃土，如圖1所示。取樣點(diǎn)布設(shè)基本滿足同一水平面且較為集中，最大限度保證土性參數(shù)的穩(wěn)定

圖1 銅川取樣點(diǎn)

和均勻。此外，在運(yùn)輸、切樣及試驗(yàn)前準(zhǔn)備過程中盡最大可能控制土樣不受擾動(dòng)。試樣的基本物理指標(biāo)如表1所示，粒徑累積分析曲線如圖2所示。

1.2 試樣制備

以蒸餾水為基液制備0.1，0.5，1.0，2.0 mol·L-1四種濃度的NaOH溶液，并設(shè)置增濕試樣

表1 試樣的基本物理指標(biāo)Tab.1 Basic Physical Index of Test Sample

圖2 黃土粒徑分布曲線

(蒸餾水)組作為標(biāo)準(zhǔn)比照組。電阻率測(cè)試及直接剪切試驗(yàn)共需75個(gè)試樣，包括堿液處理試樣4組共計(jì)60個(gè)，增濕試樣1組共計(jì)15個(gè)。堿液處置的土樣采用自行裝配的處理裝置(圖3)，可在常溫常壓下對(duì)原狀土樣進(jìn)行處理。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[28]，用內(nèi)徑尺寸為6.18 cm、高為2.0 cm的環(huán)刀在控制擾動(dòng)范圍的情況下切取原狀土樣，將處理后的試樣在定性濾紙保護(hù)的條件下逐個(gè)密封并保存48 h，處理后試樣的含水率為25%。

圖3 原狀土樣的處理裝置

1.3 試驗(yàn)方法及過程

圖4 試樣電阻率測(cè)試基本電路圖

A，V分別表示高精度電流表和電壓表?？刂茰y(cè)試過程中電壓U穩(wěn)定在12 V，此時(shí)試樣的電阻率理論計(jì)算公式為

(1)

本文采取4個(gè)平行試樣的電阻率平均值作為各處理狀態(tài)的電阻率值。

按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[28]，采用應(yīng)變控制式直接剪切試驗(yàn)儀進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)施加垂直壓力P依次為100，200，300，400 kPa。控制剪切速率為0.8 mm·min-1，設(shè)置最大剪切位移為8 mm，無(wú)峰值出現(xiàn)時(shí)取剪切位移為4 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 堿液處理后土體界限含水率的變化

土體的界限含水率是決定土體工程力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)，直接影響著土體可塑狀態(tài)的變化。堿土作用后的界限含水率變化規(guī)律研究對(duì)后期評(píng)估黃土場(chǎng)地的工程實(shí)踐有著重要意義。

采用液限、塑限聯(lián)合測(cè)定儀對(duì)堿液處理后的土體液限、塑限進(jìn)行測(cè)定，堿處理試樣的液限和塑限變化情況如圖5(a)所示。由圖5(a)可以看出：堿處理試樣的液限范圍在35%～40%，塑限范圍在20%～24%；液限變化幅度在5%以內(nèi)，塑限變化幅度在3%以內(nèi)。

圖5 堿液處理黃土的界限含水率

堿液在處理土體時(shí)并未析出相關(guān)膠體，而是與土體發(fā)生土-水化學(xué)作用，導(dǎo)致土體粒度、形態(tài)、礦物成分以及結(jié)合水膜厚度、雙電層結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化，進(jìn)而引起土的液限、塑限發(fā)生變化。由于采用的液限、塑限聯(lián)合測(cè)定儀是基于強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行的測(cè)定，結(jié)合前人研究成果[20-25]可知：一方面堿液中的膠體離子產(chǎn)生膠結(jié)作用提高了土體塑限；另一方面堿液與土體反應(yīng)可能生成具有膠體性質(zhì)的鹽類致使液限、塑限增高。

圖5(b)反映了不同濃度堿液處理原狀黃土的電阻率及界限含水率隨堿液濃度的變化情況?？梢钥闯觯诓煌瑵舛鹊膲A液處理下，電阻率隨著濃度增加逐漸降低，液限、塑限、塑性指數(shù)隨著濃度增大均增大，以堿液濃度為中間變量，電阻率和界限含水率間存在相應(yīng)函數(shù)關(guān)系。

2.2 堿液處理后土體擊實(shí)特性

堿液處理后采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)儀進(jìn)行試樣的擊實(shí)，將過篩、風(fēng)干土顆粒與配置好的各濃度堿液拌合進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。不同堿液濃度處理下?lián)魧?shí)黃土的最大干密度和最優(yōu)含水率變化曲線如圖6(a)所示。總體而言，隨著堿液濃度的升高，最大干密度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)；除堿液濃度為0.1 mol·L-1時(shí)的最優(yōu)含水率較為異常外，其余均增大。分析其原因?yàn)椋簤A-土作用的4個(gè)階段依次經(jīng)歷了NaOH的溶解、侵蝕、膠結(jié)和溶解[29]，NaOH水解后大量的Na+進(jìn)入固定層和擴(kuò)散層，導(dǎo)致二層增厚，原有土顆粒中大量的Al3+，F(xiàn)e3+被置換，使土顆粒帶負(fù)電，根據(jù)庫(kù)侖定律，土顆粒及土顆粒團(tuán)聚體間存在同種電荷，因此，在相同擊實(shí)功下，NaOH處理土反而不易擊實(shí)。隨著堿液濃度的升高，土顆粒表面相互黏結(jié)表現(xiàn)為膨脹和軟化，形成強(qiáng)度高并且具有水硬性的鈣鋁硅酸鹽絡(luò)合物，這些絡(luò)合物將土顆粒黏結(jié)，同等擊實(shí)能量下?lián)魧?shí)效果降低。

圖6 堿液處理黃土的擊實(shí)參數(shù)變化

圖6(b)反映了不同濃度堿液作用下電阻率及最大干密度隨堿液濃度的變化情況。可以看出，以堿液濃度為中間變量，電阻率和最大干密度間存在函數(shù)相關(guān)關(guān)系。

2.3 堿液污染試樣的抗剪強(qiáng)度演變特征

根據(jù)堿液污染黃土試樣的直接剪切試驗(yàn)結(jié)果繪制剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線，如圖7所示。不同堿液濃度下的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線變化規(guī)律較為一致，受堿液污染后，不同堿液濃度下的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線總體上呈現(xiàn)應(yīng)變硬化型。

圖7 堿液處理黃土的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系曲線

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

抗剪強(qiáng)度與電阻率均是土體的固有參數(shù)，建立二者的相關(guān)關(guān)系對(duì)于后期利用地球物理方法評(píng)價(jià)堿液加固黃土場(chǎng)地的工程性能具有重要意義。以堿液濃度為中間變量，對(duì)抗剪強(qiáng)度及電阻率進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，如圖8(b)所示?？梢钥闯?，各級(jí)垂直壓力作用下的抗剪強(qiáng)度隨電阻率增加呈近似線性弱化趨勢(shì)。據(jù)此也可以看出運(yùn)用電阻率法評(píng)價(jià)堿液處理黃土場(chǎng)地工程性能的可行性。

圖8 堿液處理后試樣的抗剪強(qiáng)度變化

剪切模量是土體工程力學(xué)性質(zhì)分析的重要參數(shù)。圖9反映了不同垂直壓力作用下堿液處理原狀黃土的剪切模量變化情況。從圖9可以看出，在垂直壓力相同條件下，隨著堿液濃度的增加，剪切模量逐漸增大。在同種堿液濃度下，剪切模量隨著垂直壓力的增加逐漸增大。剪切模量的計(jì)算公式如式(8)～(10)所示

(8)

(9)

(10)

圖9 堿液處理后土體的剪切模量變化

式中：τ為剪應(yīng)力；ε為剪應(yīng)變；E為彈性模量；μ為泊松比，取值0.37；G為剪切模量；b為試驗(yàn)常量。

圖10給出了黏聚力和內(nèi)摩擦角變化規(guī)律，其基準(zhǔn)值是蒸餾水比對(duì)試樣。堿液加固黃土發(fā)生絮狀體溶解—再造等一系列反應(yīng)是造成這一現(xiàn)象的主要原因。堿液處理試樣的電阻率隨著堿液濃度的增加逐漸降低。因此，結(jié)合電阻率變化情況，堿液濃度為中間變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可以通過電阻率反演堿液濃度、黏聚力、內(nèi)摩擦角的變化。

圖10 堿液處理試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角變化

3 堿液處理原狀黃土的電阻率評(píng)價(jià)

3.1 抗剪強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型

以剪應(yīng)變?chǔ)艦闄M坐標(biāo)，剪應(yīng)力τ為縱坐標(biāo)進(jìn)行試算，本文直剪試驗(yàn)中的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線總體上呈現(xiàn)硬化型，采用式(11)擬合較好。在擬合試算過程中參數(shù)α的取值總體在0.50附近波動(dòng)，因此，本文通過固定參數(shù)α的取值為0.50對(duì)所有的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線進(jìn)行重新試算，效果較為理想。

τ=βεα

(11)

式中：β為擬合參數(shù)。

選取各試樣的擬合參數(shù)β值進(jìn)行整理，并與堿液濃度進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，將不同垂直壓力下得到的函數(shù)關(guān)系式進(jìn)行對(duì)比，得到與垂直壓力間的關(guān)系式，并將其依次代入式(11)，得到式(12)，其表征了剪應(yīng)力τP-n-ε與垂直壓力、堿液濃度及水平應(yīng)變之間的關(guān)系。

τP-n-ε=(30.179 8n+0.761 6P+67.011)ε0.5

(12)

式中：n為堿液濃度。

同理，對(duì)各試樣的擬合參數(shù)β值進(jìn)行整理，并與電阻率進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，將不同垂直壓力下得到的函數(shù)關(guān)系式進(jìn)行對(duì)比，得到與垂直壓力間的關(guān)系式，并將其代入式(11)，得到式(13)，其表征了剪應(yīng)力τP-ρ- ε與垂直壓力、電阻率及水平應(yīng)變之間的關(guān)系。圖11為硬化模型參數(shù)擬合曲線。

τP-ρ-ε=(-1.928 4ρ+1.051P+137.467)ε0.5

(13)

圖11 硬化模型參數(shù)擬合曲線

3.2 電阻率評(píng)價(jià)

基于上述討論，堿液處理試樣的工程力學(xué)指標(biāo)及電學(xué)參數(shù)均隨堿液濃度變化呈現(xiàn)不同的函數(shù)關(guān)系。結(jié)合《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)[30]提出的土體工程特性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，考慮堿液處理情況下土體工程力學(xué)性質(zhì)及電學(xué)參數(shù)變化的特殊性，初步給出了堿液處理黃土工程性能評(píng)價(jià)等級(jí)，如表2所示。

表2 考慮土體不同指標(biāo)的堿液處理土體電阻率評(píng)價(jià)Tab.2 Resistivity Evaluation of Alkaline Treated Soil Considering Different Parameters of Soil

4 結(jié)語(yǔ)

(1)堿液處理黃土的液限、塑限均呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，可塑性增強(qiáng)。堿液處理黃土的剪應(yīng)力-水平應(yīng)變曲線總體呈現(xiàn)硬化型。隨著堿液濃度的增加，抗剪強(qiáng)度增大，黏聚力逐漸增大。礦物的吸附作用、溶蝕作用和離子的交換作用極有可能是構(gòu)成抗剪強(qiáng)度和黏聚力增加的主要因素。

(2)堿液處理試樣的抗剪強(qiáng)度與堿液濃度間近似呈線性正相關(guān)關(guān)系，電阻率與堿液濃度間近似呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，且抗剪強(qiáng)度與電阻率間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。黏聚力隨堿液濃度、電阻率的變化趨勢(shì)與抗剪強(qiáng)度一致。

(3)基于硬化模型，提出了基于堿液濃度及電阻率條件下的堿液處理試樣的剪應(yīng)力-水平應(yīng)變關(guān)系式。根據(jù)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化情況，提出了基于電阻率變化的堿液處理黃土場(chǎng)地工程性能程度的量化評(píng)價(jià)等級(jí)。