碱液加固黄土的电阻率特征试验及其效果评价

刘 华，胡文乐，王铁行，王松鹤，刘乃飞，胡鹏飞，谷宏全

(1. 西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055; 2. 西安建筑科技大学陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，陕西西安 710055； 3. 西安理工大学土木建筑工程学院，陕西西安 710048)

0 引 言

中国黄土分布广泛，其地层连续完整、厚度大,且具有水敏性及特殊的工程特性等，已经引起相关学者和工程人员的高度关注[1-3]。作为黄土集中分布的西北和华北等地是黄土地质灾害的高发地区，建(构)筑物的安全稳定受到严重威胁和挑战，黄土的工程性质演变及工程致灾研究成为岩土工程领域的热点问题之一[4-5]。出于加固地基的目的，黄土场地经物理、化学、生物或复合手段等相关技术改良处理后应用于工程建设，其中碱液处理技术作为化学加固[6-7]的手段之一，具有提升强度、减少湿陷、水稳性好、价格低廉等特点[8]。对于如何评价加固后黄土场地的稳定状态和各项表征指标，目前多以传统的力学破坏试验方法为主，其成本高、技术复杂。因此，需建立快速的无损检测技术手段和体系，对碱液处理原状黄土的物理力学特性进行研究在黄土地区有重要意义。基于此，构建碱液处理黄土场地的检测手段、反演特征和评价体系显得格外重要。

自20世纪80年代初将电学测试方法引入污染土的保护及处理研究中以来[9-13]，目前已有大量的研究和工程应用[14]。查甫生等[15-16]对非饱和土及污染土的电阻率特性及工程应用进行了探讨。Chu等[17-18]对电阻率法检测污染土的测试技术进行了论证，并将电阻率对评价污染土特性的响应程度进行了分析。刘汉龙等[19-25]分析了酸碱溶液对土体力学指标的影响，任礼强等[26]通过将过筛风干土与碱液拌合，对其抗剪强度及水化学作用机理进行了讨论，刘华等[27]分析了酸碱液对原状黄土压缩指标特征的影响。黄土具有典型结构性，在浸泡和重塑过程中其原有结构体系几乎无法得到重现，水化学侵蚀的过程会对黄土结构造成部分影响，进而影响到黄土的物理力学指标。结合前人研究发现[25-27]，碱液中Na+，OH-并不会对地下水造成威胁，碱液是依靠其自身与土体发生化学反应，这给不破坏既有场地的结构性前提下如何进行碱液加固及其检测评价提供了新的思路。

基于此，本文对水化学作用后电阻率指标与抗剪强度指标进行关联分析，探讨电阻率法在碱液处理黄土场地工程特性评价中的应用。试验以铜川原状黄土为研究对象，配置不同浓度的碱液，在实验室模拟碱液处理黄土场地的工况。通过电阻率测试和直剪试验，对不同浓度的碱液处理原状黄土的抗剪强度和电阻率特征进行分析，以期为黄土场地的处理、检测、评价及保护提供有价值的参考。

1 试验概况

1.1 试验取样

试验所用的黄土试样取自铜川市某在建基坑，取样深度为2～3 m，土质较为均匀，属Q3黄土，如图1所示。取样点布设基本满足同一水平面且较为集中，最大限度保证土性参数的稳定

图1 铜川取样点

和均匀。此外，在运输、切样及试验前准备过程中尽最大可能控制土样不受扰动。试样的基本物理指标如表1所示，粒径累积分析曲线如图2所示。

1.2 试样制备

以蒸馏水为基液制备0.1，0.5，1.0，2.0 mol·L-1四种浓度的NaOH溶液，并设置增湿试样

表1 试样的基本物理指标Tab.1 Basic Physical Index of Test Sample

图2 黄土粒径分布曲线

(蒸馏水)组作为标准比照组。电阻率测试及直接剪切试验共需75个试样，包括碱液处理试样4组共计60个，增湿试样1组共计15个。碱液处置的土样采用自行装配的处理装置(图3)，可在常温常压下对原状土样进行处理。按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[28]，用内径尺寸为6.18 cm、高为2.0 cm的环刀在控制扰动范围的情况下切取原状土样，将处理后的试样在定性滤纸保护的条件下逐个密封并保存48 h，处理后试样的含水率为25%。

图3 原状土样的处理装置

1.3 试验方法及过程

图4 试样电阻率测试基本电路图

A，V分别表示高精度电流表和电压表。控制测试过程中电压U稳定在12 V，此时试样的电阻率理论计算公式为

(1)

本文采取4个平行试样的电阻率平均值作为各处理状态的电阻率值。

按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[28]，采用应变控制式直接剪切试验仪进行直剪试验，试验时施加垂直压力P依次为100，200，300，400 kPa。控制剪切速率为0.8 mm·min-1，设置最大剪切位移为8 mm，无峰值出现时取剪切位移为4 mm时对应的剪切应力为抗剪强度值。

2 试验结果分析

2.1 碱液处理后土体界限含水率的变化

土体的界限含水率是决定土体工程力学性质的重要指标，直接影响着土体可塑状态的变化。碱土作用后的界限含水率变化规律研究对后期评估黄土场地的工程实践有着重要意义。

采用液限、塑限联合测定仪对碱液处理后的土体液限、塑限进行测定，碱处理试样的液限和塑限变化情况如图5(a)所示。由图5(a)可以看出：碱处理试样的液限范围在35%～40%，塑限范围在20%～24%；液限变化幅度在5%以内，塑限变化幅度在3%以内。

图5 碱液处理黄土的界限含水率

碱液在处理土体时并未析出相关胶体，而是与土体发生土-水化学作用，导致土体粒度、形态、矿物成分以及结合水膜厚度、双电层结构等发生变化，进而引起土的液限、塑限发生变化。由于采用的液限、塑限联合测定仪是基于强度指标进行的测定，结合前人研究成果[20-25]可知：一方面碱液中的胶体离子产生胶结作用提高了土体塑限；另一方面碱液与土体反应可能生成具有胶体性质的盐类致使液限、塑限增高。

图5(b)反映了不同浓度碱液处理原状黄土的电阻率及界限含水率随碱液浓度的变化情况。可以看出，在不同浓度的碱液处理下，电阻率随着浓度增加逐渐降低，液限、塑限、塑性指数随着浓度增大均增大，以碱液浓度为中间变量，电阻率和界限含水率间存在相应函数关系。

2.2 碱液处理后土体击实特性

碱液处理后采用轻型击实试验仪进行试样的击实，将过筛、风干土颗粒与配置好的各浓度碱液拌合进行击实试验。不同碱液浓度处理下击实黄土的最大干密度和最优含水率变化曲线如图6(a)所示。总体而言，随着碱液浓度的升高，最大干密度呈现降低的趋势；除碱液浓度为0.1 mol·L-1时的最优含水率较为异常外，其余均增大。分析其原因为：碱-土作用的4个阶段依次经历了NaOH的溶解、侵蚀、胶结和溶解[29]，NaOH水解后大量的Na+进入固定层和扩散层，导致二层增厚，原有土颗粒中大量的Al3+，Fe3+被置换，使土颗粒带负电，根据库仑定律，土颗粒及土颗粒团聚体间存在同种电荷，因此，在相同击实功下，NaOH处理土反而不易击实。随着碱液浓度的升高，土颗粒表面相互黏结表现为膨胀和软化，形成强度高并且具有水硬性的钙铝硅酸盐络合物，这些络合物将土颗粒黏结，同等击实能量下击实效果降低。

图6 碱液处理黄土的击实参数变化

图6(b)反映了不同浓度碱液作用下电阻率及最大干密度随碱液浓度的变化情况。可以看出，以碱液浓度为中间变量，电阻率和最大干密度间存在函数相关关系。

2.3 碱液污染试样的抗剪强度演变特征

根据碱液污染黄土试样的直接剪切试验结果绘制剪应力-剪应变曲线，如图7所示。不同碱液浓度下的剪应力-剪应变曲线变化规律较为一致，受碱液污染后，不同碱液浓度下的剪应力-剪应变曲线总体上呈现应变硬化型。

图7 碱液处理黄土的剪应力-剪应变关系曲线

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

抗剪强度与电阻率均是土体的固有参数，建立二者的相关关系对于后期利用地球物理方法评价碱液加固黄土场地的工程性能具有重要意义。以碱液浓度为中间变量，对抗剪强度及电阻率进行关联分析，如图8(b)所示。可以看出，各级垂直压力作用下的抗剪强度随电阻率增加呈近似线性弱化趋势。据此也可以看出运用电阻率法评价碱液处理黄土场地工程性能的可行性。

图8 碱液处理后试样的抗剪强度变化

剪切模量是土体工程力学性质分析的重要参数。图9反映了不同垂直压力作用下碱液处理原状黄土的剪切模量变化情况。从图9可以看出，在垂直压力相同条件下，随着碱液浓度的增加，剪切模量逐渐增大。在同种碱液浓度下，剪切模量随着垂直压力的增加逐渐增大。剪切模量的计算公式如式(8)～(10)所示

(8)

(9)

(10)

图9 碱液处理后土体的剪切模量变化

式中：τ为剪应力；ε为剪应变；E为弹性模量；μ为泊松比，取值0.37；G为剪切模量；b为试验常量。

图10给出了黏聚力和内摩擦角变化规律，其基准值是蒸馏水比对试样。碱液加固黄土发生絮状体溶解—再造等一系列反应是造成这一现象的主要原因。碱液处理试样的电阻率随着碱液浓度的增加逐渐降低。因此，结合电阻率变化情况，碱液浓度为中间变量进行关联，可以通过电阻率反演碱液浓度、黏聚力、内摩擦角的变化。

图10 碱液处理试样的黏聚力和内摩擦角变化

3 碱液处理原状黄土的电阻率评价

3.1 抗剪强度数学模型

以剪应变ε为横坐标，剪应力τ为纵坐标进行试算，本文直剪试验中的剪应力-剪应变曲线总体上呈现硬化型，采用式(11)拟合较好。在拟合试算过程中参数α的取值总体在0.50附近波动，因此，本文通过固定参数α的取值为0.50对所有的剪应力-剪应变曲线进行重新试算，效果较为理想。

τ=βεα

(11)

式中：β为拟合参数。

选取各试样的拟合参数β值进行整理，并与碱液浓度进行关联分析，将不同垂直压力下得到的函数关系式进行对比，得到与垂直压力间的关系式，并将其依次代入式(11)，得到式(12)，其表征了剪应力τP-n-ε与垂直压力、碱液浓度及水平应变之间的关系。

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

(12)

式中：n为碱液浓度。

同理，对各试样的拟合参数β值进行整理，并与电阻率进行关联分析，将不同垂直压力下得到的函数关系式进行对比，得到与垂直压力间的关系式，并将其代入式(11)，得到式(13)，其表征了剪应力τP-ρ- ε与垂直压力、电阻率及水平应变之间的关系。图11为硬化模型参数拟合曲线。

τP-ρ-ε=(-1.928 4ρ+1.051P+137.467)ε0.5

(13)

图11 硬化模型参数拟合曲线

3.2 电阻率评价

基于上述讨论，碱液处理试样的工程力学指标及电学参数均随碱液浓度变化呈现不同的函数关系。结合《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)[30]提出的土体工程特性评价标准，考虑碱液处理情况下土体工程力学性质及电学参数变化的特殊性，初步给出了碱液处理黄土工程性能评价等级，如表2所示。

表2 考虑土体不同指标的碱液处理土体电阻率评价Tab.2 Resistivity Evaluation of Alkaline Treated Soil Considering Different Parameters of Soil

4 结语

(1)碱液处理黄土的液限、塑限均呈现升高的趋势，可塑性增强。碱液处理黄土的剪应力-水平应变曲线总体呈现硬化型。随着碱液浓度的增加，抗剪强度增大，黏聚力逐渐增大。矿物的吸附作用、溶蚀作用和离子的交换作用极有可能是构成抗剪强度和黏聚力增加的主要因素。

(2)碱液处理试样的抗剪强度与碱液浓度间近似呈线性正相关关系，电阻率与碱液浓度间近似呈线性负相关关系，且抗剪强度与电阻率间呈负相关关系。黏聚力随碱液浓度、电阻率的变化趋势与抗剪强度一致。

(3)基于硬化模型，提出了基于碱液浓度及电阻率条件下的碱液处理试样的剪应力-水平应变关系式。根据抗剪强度指标的变化情况，提出了基于电阻率变化的碱液处理黄土场地工程性能程度的量化评价等级。