纳米蒙脱土对软黏土性能影响的试验

李 聪，吴建林，陈 珑

(武汉轻工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430023)

随着国民经济的飞速发展、城市规模的不断扩大，土地需求量也随之增大，使现有土地资源难以满足需求。因此，沿海和沿江城市通过围海造地、围湖造地以及利用沿海或江河滩涂等方式增加土地面积，为城市建设、工业发展提供土地资源。然而，自然沉积的淤泥土以及人工吹填形成的欠固结成层软黏土具有高压缩性、高孔隙比、高含水率、结构性差、抗剪强度和承载力低等特性，不利于工程建设，因此在工程建设前必须对这些软弱土层进行有效的处理，提高土体的抗剪强度和承载力等性能。传统的处理方法是用堆载法、真空法、低能强夯法等，以及根据工程情况两种或两种以上的方法联合使用进行排水。这些方法是通过降低土壤含水率，达到使土体固结，提高承载力和抗剪强度。但软黏土的颗粒小、含水率高、排水性差，导致传统方法在土壤加固时效果并不明显。

电渗法是比传统排水固结法更为有效的一种新型地基处理方法。电渗现象由俄国学者Reuss最早发现，随后各国学者对电渗理论进行了完善并将电渗技术应用到工程中。Casagrand［1］首次在工程中应用了电渗技术;Esrig［2］建立了一维电渗固结理论;Wan和 Mitchell［3］发展了一维电渗固结理论。在国内，汪闻韶［4］对电渗对土体物理力学性能的影响进行了研究;曾国熙和高有潮［5］对软土电渗过程中的排水量、电压及土体强度进行了测量研究。2006年，房营光对碱渣土进行了真空预压法—电渗法联合使用的试验研究，研究结果表明:真空预压与电渗联合法能够明显提高排水速度和排水量［6］。2008年，陶春将真空预压与电渗联合法用于处理中船造船基地的软黏土地基，而且给出了完善的施工方案［7］。2010年，曹永华利用真空预压法联合电渗法对软土进行了排水固结的试验，试验结果表明:联合法加固的土体含水率明显降低，强度也大幅提高［8-9］。

纳米材料由于粒径小、比表面积大，使材料的声、光、电、磁、热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电;绝缘的二氧化硅颗粒在20 nm时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。纳米材料在其他各领域的运用十分广泛，使得材料成本大大降低，为其在岩土工程中运用提供了便利。纳米蒙脱土在材料科学、化工等方面已经进行了应用，并取得了很好的效果。李红尽利用活化处理的纳米蒙脱土使复合材料的力学性能大幅度提高［10］;张晓虹、高俊国等通过实验研究发现:纳米蒙脱土的加入有望提高聚乙烯的长期介电强度和耐温等级［11］。

将电渗技术与纳米材料结合来改变土体物理力学性能的研究尚未见诸报道。与普通蒙脱土相比，纳米蒙脱土不仅具有分散性、膨胀性、吸水性等性质，还具有粒径小、比表面积大等特性，在土体加固过程中可能具有较好的效果，而且价格低廉，适合在工程中应用。笔者通过向软黏土中加入纳米蒙脱土，探索其对土壤抗剪强度、承载力以及对电渗排水的影响，希望能给工程实践提供有益的指导。

1 试验方法

1.1 材料制备

武汉市东西湖区是本试验的取样地，土体物理性质参数见表1。对于测试纳米蒙脱土对软黏土性质影响的土样，采用原状土进行搅拌制得;并在搅拌过程中按土体质量0%，1%，2%，3%的比例加入纳米蒙脱土，静置加压12.5 kPa，饱和养护24 h以上。对于测试纳米蒙脱土对软黏土电渗影响的土样，采用原状土搅拌制得，搅拌过程中将纳米蒙脱土加入土中，并饱和养护24 h以上。

表1 原状土物理性质参数

1.2 试验装置

1.2.1 土工试验装置

WG单杆固结仪、DJ型应变控制式直剪仪、烘箱等。

1.2.2 电渗装置

电渗装置由RXN-303D-II型直流程控电源(见图1)、不锈钢有孔电极板、有机玻璃盒、500 mL量筒及导线组成(见图2)。有机玻璃盒尺寸为600 mm×400 mm×400 mm，由不锈钢有孔电极板将有机玻璃盒分为储水盒(100 mm×400 mm×400 mm)、土样盒(400 mm×400 mm×400 mm)和排水盒(100 mm×400 mm×400 mm)三部分，其中储水盒中水位始终保持在土体表面下2 cm处，土样盒中土体为边长400 mm的立方体，排水盒底部有排水管，其他装置还有量筒、计时器等。

图1 RXN-303D-II型直流程控电源

图2 电渗装置简图

1.3 试验步骤

1.3.1 纳米蒙脱土对软黏土性能的影响

试验分为四组:(1)原状土;(2)加纳米蒙脱土1%的软黏土;(2)加纳米蒙脱土2%的软黏土;(3)加纳米蒙脱土3%的软黏土。将配置好的土加压12.5 kPa静置24 h后，每种土样用换刀去四个土样，移至固结仪上，饱和固结并逐步加压，使四个土样分别最终加压至 50 kPa，100 kPa，150 kPa，200 kPa。待土体稳定后，移至直剪仪上进行快剪试验，垂直压力与固结时的垂直压力相对应。测量抗剪强度、土体密度、含水率和土体的黏聚力(c)、内摩擦角(φ)值。

1.3.2 探索纳米蒙脱土对软黏土电渗的影响

该部分试验分为两组:(1)不加纳米蒙脱土的软黏土;(2)加1%纳米蒙脱土的软黏土。将土体搅拌后加入电渗装置中，静置24 h。通电时，电压为恒定30 V，阳极一侧的水位一直保持在土表面以下2 cm处，每1 h测一次电压、电流、排水量并及时观察土体变化情况。

2 试验数据分析与讨论

2.1 蒙脱土对土体性质的影响

2.1.1 蒙脱土对土体抗剪强度及内摩擦角的影响

本试验土样的黏聚力很小，趋近于零。随着纳米蒙托土的掺入量增加，试验土样的内摩擦角逐渐增大(见表2)。由摩尔库伦准则τ=c+σtanφ知，c、σ值一定的情况下，抗剪强度值随φ值得增大而增大。图3表明，随着纳米蒙脱土掺入量的增加，土体内摩擦角(φ)逐渐增大，增长的幅度也随蒙脱土量增加而增长。因此，在淤泥质软黏土中掺入纳米蒙脱土可有效提高土体的抗剪强度，达到改善土体性质的目的。

表2 土体内摩擦角

图3 抗剪强度与垂直压力关系曲线

2.1.2 蒙脱土对土体含水率的影响

图4 含水率与垂直压力关系曲线

随着垂直压力增大，土体含水率逐渐下降(图4)。在压力较小时(50 kPa)，土体含水率随纳米蒙脱土掺入来量的增大而增大;当压力逐渐增大时，土体含水率与纳米蒙脱土的掺入量并不呈一一对应关系;当垂直压力较大时(200 kPa)，掺入纳米蒙脱土的土样含水率趋于相同(49.5%)，且整个过程中加入纳米蒙脱土的土样含水率均大于原状土含水率。土是由固相、液相、气相组成的三相分散系。固相物质包括多种矿物成分组成的骨架，骨架间隙为液相和气相填满，这些空隙是相互连通的，形成多孔介质。纳米蒙脱土的粒径很小，而且具有吸水膨胀的特性。因此，土样中加入纳米蒙脱土后，土体更加密实，含水率更高，抗剪强度也有一定增加。

2.2 纳米蒙脱土对软黏土电渗的影响

电渗试验分为两组:一组未加纳米蒙脱土，二组加入纳米蒙脱土1%。两组均在电极两端加30 V的恒定电压，其中阴极为排水一侧;为有效模拟实际工程的排水情况，在阳极一侧设置有蓄水池，水位始终保持在土层表面下2 cm。持续通电62 h，期间每隔1 h测一次排水量、电流、电压。

电渗过程中，一组排水量低于二组(如图5);二组导电阻比一组要小，尤其是在试验后期，二组电阻明显低于一组，但两组的电阻在后期均快速增长(如图6)。实验表明，加入纳米蒙脱土对电渗排水并没有起到积极作用。

电渗后二组黏聚力明显大于一组，而内摩擦角则相差不大(图7，表3)，由摩尔库伦准则公式τ=c+σtanφ可知，电渗后二组的抗剪强度(在一定垂直压力范围内)明显高于一组。电渗后土体在不同垂直压力下的含水率均随垂直压力的增大而减小，但二组的土样含水率明显低于一组(图8)。

图5 排水量与时间关系曲线

图6 电阻与电渗水时间关系曲线

图7 抗剪强度与垂直压力关系曲线

图8 含水率与垂直压力关系曲线

表3 电渗后土体黏聚力和内摩擦角

实验土体在电渗过程中，随着含水率的降低，土体出现收缩、开裂，阴极一侧收缩最明显，阳极及试验盒两侧也有一定收缩、开裂。电渗后土体含水率均明显降低，且一组含水率要略低于二组，其中阴极土体含水率最低(如表4)。

表4 电渗前、后土体含水率 /%

实验表明纳米蒙脱土不利于电渗过程中土体排水。加入纳米蒙脱土的土体电渗后的黏聚力有明显提高，使得加入纳米蒙脱土的土体电渗后抗剪强度明显高于未加纳米蒙脱土的土体。由于已有实验表明纳米蒙托土不利于电渗排水，加入纳米蒙托土2%和3%的电渗试验没有继续进行。

3 结论

针对纳米蒙脱土对淤泥质软黏土的性能进行室内试验，通过实验数据比较分析，得出以下结论。

(1)纳米蒙脱土可有效提高淤泥质软黏土的抗剪强度，且随纳米蒙脱土加入量的增大而增大。

(2)淤泥质软黏土加入纳米蒙脱土导致土体排水孔道减少，对电渗排水不利。

(3)纳米蒙脱土可明显提升电渗后土体的抗剪强度，有利于提高土体的工程性能。

对纳米蒙托土对淤泥渗后软黏土的物理力学性能影响进行的基础研究，得到了一些有价值的结论。由于未能确定土体加入纳米蒙脱土的最佳比例，纳米蒙脱土对土体物理力学性质影响的试验研究尚需进一步完善。

［1］Casagrand L.Electroosmosis in soils［J］.Geotechnique，1949，1(3):159-177.

［2］Esrig M I. Pore pressure， consolidation and electrokinetic［J］.Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，1968，94(4):899-922.

［3］Wan T Y，Mitchell JK.Electro-osmotic consolidation of soils［J］.Journal of the Geotechnical Engineering Division，1976，102(5).

［4］汪闻韶.土工问题论文选集［M］.北京:中国建筑工业出版社，1999:1-6.

［5］唐红军，吕小林.地基的处理方法［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(17):2998-3002.

［6］房营光，徐敏，朱忠德.碱渣土的真空-电渗联合排水固结特性试验研究［J］.华南理工大学学报(自然科学版)，2006，34(11):70-75.

［7］陶春.真空电渗法在中船龙穴造船基地软土地基处理中的应用［J］.广东土木与建筑，2008(7):15-19.

［8］曹永华，高志义.电渗法中排水固结理论与实践的若干问题［J］.中国港湾建设，2010(3):22-24，78.

［9］曹永华，侯晋芳，高志义，等.真空预压联合电渗加固高塑性软土的试验研究［J］.岩土工程技术，2010，24(6):290-293.

［10］李红尽.尼龙6/纳米蒙脱土复合材料制备及性能研究［J］.合成纤维工业，2013，36(2):34-37.

［11］张晓虹，高俊国，郭宁，等.纳米蒙脱土对聚乙烯击穿和电导特性的影响［J］.高电压技术，2009，35(1):129-134.