掺加硅灰和石灰条件下的超盐渍土抗剪特征研究

李宏波，田军仓，边　兴

(1.宁夏大学土木与水利工程学院， 宁夏银川750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心， 宁夏银川750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心， 宁夏银川750021)



掺加硅灰和石灰条件下的超盐渍土抗剪特征研究

李宏波1,2,3，田军仓1,2,3，边兴1

(1.宁夏大学土木与水利工程学院， 宁夏银川750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心， 宁夏银川750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心， 宁夏银川750021)

为了揭示石灰和硅灰胶结超盐渍土的抗剪强度规律，对采自宁夏平罗县姚伏镇的超盐渍土分别掺入硅灰和石灰进行超盐渍土固化，其中，硅灰掺量分别为1%、3%、5%，石灰掺量分别为硅灰掺量的20%、40%、60%。并利用三轴仪对7、28 d龄期固化的超盐渍土进行抗剪强度指标测定。试验结果表明：7 d龄期,1%硅灰掺量的固化超盐渍土的摩擦角随石灰掺量的增加呈现先增加后减小的变化趋势，28d龄期，1%硅灰掺量的超盐渍土的摩擦角随石灰掺量的增加而减小；7 、28 d龄期，3%、5%硅灰掺量的固化超盐渍土的摩擦角和黏聚力随着石灰掺量的增加而增加。鉴于超盐渍土的抗剪强度由摩擦角和黏聚力共同决定，而随硅灰和石灰掺量的增加，固化超盐渍土的摩擦角和黏聚力的变化趋势不一致，为了易于确定固化超盐渍土中硅灰和石灰土最佳掺量，文中给出了抗剪强度临界深度的判断公式，可依据判别公式来确定硅灰和石灰的最佳掺量。

超盐渍土；硅灰；石灰；抗剪强度；临界深度

0　引　言

盐渍土是指易溶盐含量大于0.3%的土壤，按其含盐量分可为弱盐渍土、中盐渍土、强盐渍土和超盐渍土等[1]。盐渍化土层中含有大量可溶性无机盐类，随着温度、湿度和浓度的变化，这些盐类的状态发生积聚或淋溶，同时，盐类离子的腐蚀性也发生变化，这就导致盐渍土的工程性质反复多变。盐渍土作为工程地基土的主要病害为冻胀、溶陷、盐胀和盐腐蚀等[2-3]。

中国盐渍化土地面积约有20多万平方公里，约占全国土地总面积的2.1%，宁夏回族自治区各类盐渍土土地约占宁夏可利用土地面积的7.87%，全国平均盐渍土土地约占全国可利用土地面积的2.4%，宁夏盐渍土面积占有比例是全国的3倍多。随着我国西部大开发以及铁路工程、水利工程设施、工业建筑的不断建设发展，许多工程不可避免地要建在盐渍土地基之上，所面临的工程病害问题日趋突出[4]，尤其是对宁夏地区工程建设的影响更为显著，因此，对盐渍土的工程力学性能进行改良显得尤为重要。

现有研究中涉及到的盐渍土改性剂主要有水泥、石灰、粉煤灰、麦秆和组合固化剂等。Miller等[5]分别进行了水泥和生石灰加固土的无侧限抗压强度试验，结果表明水泥加固土的效果更好；李英涛等[6]对水泥加固盐渍土进行了微观试验研究，结果表明，水泥改变了盐渍土的颗粒椭圆度、颗粒个数、颗粒等效圆直径等微观指标，增强了盐渍土强度；于新等[7]对水泥石灰改良盐渍土的力学性能进行了研究，认为5%石灰和3%水泥改良氯盐渍土较好；李宏波等[8]研究了水泥粉煤灰固化超盐渍土，表明水泥和粉煤灰共同作用提高了超盐渍土的抗剪指标值。Ismail等[9]对水泥石灰改良土进行了三轴试验，结果表明，石灰和水泥掺量不同会影响加固土的屈服形式(延性和脆性屈服)。张超等[10]和杨晓松等[11]分别对粉煤灰加固盐渍土进行了研究，认为合适掺量的粉煤灰可以提高盐渍土的抗剪强度；李宏波等[12]对粉煤灰加固超盐渍土的研究表明，随着养护龄期的增加，因粉煤灰本身活性很低，单一掺入粉煤灰并不能提高超盐渍土的抗剪强度。李敏等[13]和杨继位等[14]利用麦秆加固盐渍土，结果表明麦秆可以提高盐渍土的力学性能。固化剂改良盐渍土主要是化学加固方法，高分子复合型固化剂可有效提高盐渍土的工程性能[15-16]。

崔永成[17]利用硅灰改良土的力学性能，认为硅灰可以提高加固土的无侧限强度；李宏波等[18]利用水泥和硅灰复配改良超盐渍土，认为硅灰和水泥掺入超盐渍土中可以提高其黏聚力和摩擦角；韩松等[19]认为硅灰可减少混凝土的早期收缩；梁咏宁等[20]认为硅灰可提高混凝土的抗侵蚀能力；刘斌云等[21]和杨文武等[22]认为硅灰可以提高混凝土的抗氯离子渗透性和抗冻性。前人研究结果表明，硅灰加入混凝土中可改善其强度、变形特性和抗腐蚀性，但研究还处于初期阶段。为此,本研究拟在盐渍土中加入石灰和硅灰，以探讨在碱性条件下硅灰胶结超盐渍土的能力，研究硅灰和石灰对固化超盐渍土的抗剪强度指标的影响规律，为确定宁夏平罗地区改良固化超盐渍土的合适硅灰和石灰掺量提供依据，为提高其工程力学性能和减小对钢筋混凝土基础的腐蚀提供参考。

1　试验研究

1.1试验材料

采用中通伟业工程材料有限公司生产的硅灰(SF)，其化学成分见表1；采用宁夏中卫市寺口子生产的石灰(Ca)。超盐渍土取自宁夏平罗县姚伏镇，其化学成分见表2，其液限为36.54，塑限为22.2；电导率16.4 ms，全盐20.96%，pH值为8.85，属于超盐渍土。

表1　硅灰的化学成分Tab.1　Chemical composition of silica fume　%

表2　超盐渍土的化学分析Tab.2　Chemical composition of saline soil 　mmol·kg-1

表3　试验方案Tab.3　Experiment scheme

1.试件编号SF1Ca20中，SF1表示1%掺量的硅灰，Ca20表示20%掺量的石灰，其余试件编号依次类推。

1.2试验方案

超盐渍土中分别掺入硅灰和石灰进行超盐渍土固化，其中，硅灰掺量分别为1%，3%，5%；石灰掺量分别是硅灰掺量的20%、40%，60%。试验方案见表3。

1.3试件制备

盐渍土的最大干密度为1.58 g/cm3，最佳含水量为23.2%，按96%压实度每组分别制作8个试块，依照三轴试验规程分别测定7 d、28 d龄期的抗剪强度指标。试验剪切速率为0.4 mm/min，试样剪切变形达到其15%的轴向应变后停机。

2　试验结果与分析

2.1抗剪强度分析

2.1.17 d龄期抗剪强度分析

7 d龄期试样的抗剪强度指标见表4。

表4　7 d龄期抗剪强度指标Tab.4　Shear strength index at age 7 d

由表4和图1、图2可见：对于相同硅灰掺量的超盐渍土，其黏聚力随着石灰掺量的增加而增加。对于1%硅灰掺量的超盐渍土，当石灰掺量由20%增加到60%时，其黏聚力增加了62.3%；对于3%硅灰掺量的超盐渍土，当石灰掺量由20%增加到60%时，其黏聚力增加了5.3%；对于5%硅灰掺量的超盐渍土，当石灰掺量由20%增加到60%时，其黏聚力增加了35.8%。对于1%硅灰掺量的超盐渍土，当石灰掺量由20%增加到60%时，其摩擦角呈先增加后减小的趋势；对于3%、5%硅灰掺量的超盐渍土，当石灰掺量由20%增加到60%时，其摩擦角均呈增加的变化趋势。

图17 d龄期石灰和硅灰掺量与黏聚力的关系

Fig.1Correlation between dosage of lime-siliconfume and cohesion at age 7 d

图27 d龄期石灰和硅灰掺量与摩擦角的关系

Fig.2Correlation between dosage of lime-silicon fume and friction angle at age 7 d

2.1.228 d龄期抗剪强度分析

28 d龄期试样的抗剪强度指标见表5。

由表5和图3、图4可见：1%硅灰掺量的超盐渍土，石灰掺量由20%增加到60%时，其黏聚力增加了78.6%；3%、5%硅灰掺量的超盐渍土，石灰掺量由20%增加到60%时，其黏聚力随着石灰掺量的增加呈现先增加后减小的趋势。对于1%硅灰掺量的超盐渍土，石灰掺量由20%增加到60%时，其摩擦角呈减小的趋势；对于3%、5%硅灰掺量的超盐渍土，当石灰掺量由20%增加到60%时，其摩擦角基本有线性增加的趋势。

表5　28 d龄期抗剪强度指标Tab.5　Shear strength indexat age 28 d

图328 d龄期石灰和硅灰掺量与黏聚力的关系

Fig.3Correlation between dosage of lime-siliconfume and cohesion at age 28 d

图428 d龄期石灰和硅灰掺量与摩擦角的关系

Fig.4Correlation between dosage of lime-siliconfume and friction angle at age 28 d

2.2加固机理分析

硅灰、石灰与超盐渍土混合后，在Ca(OH)2碱性溶液的诱发条件下，硅灰和超盐渍土中活性较高的SiO2和Al2O3等氧化物与Ca(OH)2发生反应，生成具有胶结性的水化物。反应历程如下[1]：

SiO2+mCa(OH)2+xH2O→mCaO·SiO2·nH2O，Al2O3+mCa(OH)2+xH2O→mCaO·Al2O3·nH2O，Al2O3·2SiO2·2H2O+mCa(OH)2+xH2O→mCaO·Al2O3·2SiO2·nH2O，Fe2O3+mCa(OH)2+xH2O→mCaO·Fe2O3·nH2O。

上述反应的同时，硅灰和超盐渍土中活性高的矿物进入溶液，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙和氢氧化钙等水化物，生成的氢氧化钙继续提供碱性溶液，为连续生成具有胶结性的水化物提供了条件。反应历程如下：

n(2CaO·SiO2)+mH2O→(2n-1)CaO·nSiO2·(n-1)H2O+Ca(OH)2，nCaO·mAl2O3+fH2O→nCaO·mAl2O3·fH2O，nCaO·mAl2O3·fFe2O3+gH2O→(n-1)CaO·mAl2O3·(g-1)H2O+CaO·fFe2O3·H2O。

石灰硅灰反应机理：一方面，在上述两种反应的交互作用下，随着时间的推移，生成的胶凝物越来越多，其强度会随之增强；另一方面，在超盐渍土和石灰、硅灰的混合作用下，SO42-离子与Mg2+离子生成硫酸镁，这能够破坏水化硅酸钙和水化铝酸钙，使得超盐渍土的强度降低。可见，在两方面作用的作用下，固化超盐渍土的强度由硅灰、石灰和超盐渍土三者之间的配比决定，合理的配比可使其抗剪强度取得较佳值。

2.3抗剪强度随时间变化分析

随着龄期的变化，各组试样的抗剪强度指标发生了变化，28 d龄期与7 d龄期的抗剪强度指标差值见表6。

由表6和图5、图6可见：对于黏聚力，只有试件SF5Ca20 、SF5Ca40的黏聚力随龄期的增长，是增加的，所有试件在石灰掺量为40%时达到极值点(最大增幅或者最小降幅)，故可确定40%石灰掺量为黏聚力的最佳配比点。对于摩擦角，试件SF1Ca20、SF1Ca60、SF3Ca20、SF3Ca60的摩擦角随着龄期的增长是提高的，所有试件在石灰掺量为40%时达到最低点，故可确定40%石灰掺量为摩擦角的最劣配比点。

表6　抗剪强度指标的变化Tab.6　Change of shear strength indexes

图5石灰和硅灰掺量与黏聚力增量的关系

Fig.5Correlation between dosage of lime-silicon fume and cohesion increment at age 28 d

图6石灰和硅灰掺量与摩擦角增量的关系

Fig.6Correlation between dosage of lime-silicon fume and friction angle increment at age 28 d

2.4　抗剪强度参数分析

土的抗剪强度主要由土的摩擦角和黏聚力共同决定，在超盐渍土固化中，石灰和硅灰掺量对黏聚力和摩擦角的影响规律不一致，那么，其最佳掺量选取是由摩擦角决定还是由黏聚力决定需要进一步分析确定。

土的抗剪公式为：

τ=σtanφ+c=γhtanφ+c，

(1)

式(1)中，τ为剪应力，σ为竖向应力，φ为摩擦角，c为黏聚力，γ为土的容重，h为土的埋深。显而易见，抗剪强度由摩擦角(σtanφ)和黏聚力(c)共同决定。同种土样的黏聚力为定值， σtanφ的大小由σ确定，而σ由土样所处的埋深确定。不同土样其抗剪强度大小由其自身的摩擦角和黏聚力确定，如何确定两种土样为抗剪强度较大者成为需要解决的问题。例如，28 d龄期的土样SF3Ca40和SF5Ca20，土样SF3Ca40的黏聚力大，但摩擦小；土样SF5Ca20的黏聚力小，但摩擦大，那么是土样SF3Ca40的抗剪强度大还是土样SF5Ca20的抗剪强度大？为了解决此问题，可利用其抗剪强度差值Δτ确定。假定两种土样的容重相同(此处，土样中掺入的石灰和硅灰剂量较小，可忽略其对土样容重的影响)，则：

Δτ=γh(tanφ1-tanφ2)+c1-c2，

(2)

式(2)中，变量h即为土层所处的深度；φ1，φ2为土样1、土样2的摩擦角；c1，c2为土样1、土样2的黏聚力；如果土样确定了，则摩擦角和黏聚力为常量，若Δτ大于零，即可认为土样1强度高；若Δτ小于零，即可认为土样2强度高；令Δτ等于零，利用式(2)可以解出抗剪强度差值为零的h值，此处，h称之为临界深度值，记为hcr，可由下式计算，即：

(3)

下面以土样SF3Ca40和SF5Ca20为例，解释如何利用公式(3)选择土样。设超盐渍土的容重为17 kN/m3，利用公式(3)计算得出两者的临界深度为10.453 m。利用公式(1)计算出两个土样处于深度为10、10.453、11 m的抗剪强度见表7。

表7　土样SF3Ca40和SF5Ca20不同深度的抗剪强度Tab.7　Shear strength of soil SF3Ca40 and SF5Ca20 at different depth　kPa

由表7可知：当土样的埋深小于临界深度时，土样SF3Ca20的抗剪强度大；当土样埋深大于临界深度时，土样SF3Ca20的抗剪强度大。当土样埋深小于临界深度时，采用土样SF3Ca20；反之，采用土样SF5Ca20。故在设计硅灰和石灰固化超盐渍土时，为了获得较好的抗剪强度，可由其所处的埋置深度，由临界深度公式来判断采用何种掺量的硅灰和石灰。

3　结　论

通过对7d、28 d龄期石灰硅灰固化改良超盐渍土的抗剪强度试验分析，得出结论：

①7 d龄期，1%硅灰掺量的固化超盐渍土的摩擦角随着石灰掺量的增加呈现先增加后减小的变化趋势，3%、5%硅灰掺量的固化超盐渍土的摩擦角随着石灰掺量的增加而增加。

②28 d龄期，1%硅灰掺量的固化超盐渍土的摩擦角随着石灰掺量的增加而减小，3%、5%硅灰掺量的固化超盐渍土的摩擦角随着石灰掺量的增加而增加；对于各组的固化超盐渍土，黏聚力随着石灰掺量增加而增加。

③设计固化超盐渍土时，推荐采用5%掺量的硅灰和20%～40%掺量的石灰。

④土的抗剪强度由摩擦角和黏聚力共同决定。本研究结果表明，随着硅灰和石灰掺量的增加，黏聚力和摩擦角的变化基本相反，设计硅灰和石灰固化超盐渍土时，为了获得较优的抗剪强度，可根据其所处的埋置深度，由临界深度公式来判断采用何种掺量的硅灰和石灰。

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(责任编辑唐汉民裴润梅)

Investigation on shear characteristics of hypersaline soil improved by lime and silica fume

LI Hong-Bo1，2，3，TIAN Jun-Cang1，2，3，BIAN Xing1

(1.College of Civil and Hydraulic Engineering,Ningxia University, Yinchuan 750021,China;2.Ningxia Research Center of Technology on Water-saving Irrigation and Water Resources Regulation,Yinchuan 750021, China; 3.Engineering Research Center for Efficient Utilization of Water Resources in Modern Agriculture in Arid Regions.Yinchuan 750021, China)

In order to investigate the mechanical properties of lime and silica fume cemented hypersaline soil, 1%, 3%, 5% silica fume and lime of 20%, 40% and 60% of the silica fume were mixed into hypersaline soil from Yaofu, Pingluo, Ningxia, respectively. The shear strength of the stabilized hypersaline soils of 7 d and 28 d age was investigated by a triaxial test. The results show that, at the age of 7 d, when the content of silica fume is 1%, the friction angle of the hypersaline soil first increased and then decreased with the increase of lime dosage; that, at the age of 28 d, the friction angle decreased with the increase of lime dosage. When the content of silica fume is 3% and 5%, the friction angle and cohesion increased with the increase of the lime dosage at the age of 7 d and 28 d, respectively. The shear strength of the hypersaline soil is codetermined by the friction angle and cohesive force, but they have different trends of change with the increase of silica fume and lime. In order to determine the optimal content of silicon fume and lime in stabilized hypersaline soil to increase its shear strength, the critical depth formula is proposed, and the optimal content of the silicon fume and lime can be determined according to the formula.

hypersaline soil；silicon fume；lime； shear strength；critical depth

2016-04-12；

2016-05-20

“十二五”农村领域国家科技计划资助项目(2012BAD08BO1-5)；教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队资助项目(IRT1067)；宁夏大学自然科学基金项目(ZR15029)

田军仓(1958—)，男，陕西扶风人，宁夏大学教授，博士生导师;E-mail: slxtjc@163.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1145

TU411.7

A

1001-7445(2016)04-1145-08

引文格式：李宏波，田军仓，边兴.掺加硅灰和石灰条件下的超盐渍土抗剪特征研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1145-1152.