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文 | 如梦史馆

编辑 | 如梦史馆

引言

可塌陷黄土是一种分布广泛于中国西北地区的特殊土壤，在水中浸泡后，黄土的结构将被破坏，承载能力将下降。黄土具有典型的水敏感特性，在无水条件下可以保持相对稳定的承载能力。

一旦受到水的侵蚀，黄土的结构将会改变，承载能力将迅速下降，最终导致路基坍塌或土壤滑坡。黄土在自重或附加应力的作用下被水浸湿，其结构被破坏和变形，这被称为“坍塌”。

当外部力大于土壤颗粒之间的内聚力和内摩擦力时，颗粒会相对滑动，最终导致剪切破坏。软土加固的关键功能是增加土壤颗粒之间的内聚力，提高其抵抗外部力的能力，越来越多的机械性能增强剂被使用。

实验分析研究

使用筛分法分析土壤中粒径大于0.075毫米的颗粒级配，对于粒径小于0.075毫米的部分，采用了管式分析法进行颗粒大小分析。测试土壤中大于0.075毫米的颗粒含量为24%，塑性指数为5.3，土壤颗粒较小，主要是面对面的片状堆叠，呈现出分散结构。

灌浆试验所使用的材料是渗透性聚合物，其浆液密度为1.0–1.2 g/cm3，凝胶时间约为2小时。渗透性聚合物可以充分渗透到土壤中，并且在与水接触时产生白色胶体材料，可以大大增强土壤颗粒之间的粘附力，从而达到加固的目的。

采用自设计的注浆系统进行注浆，主要分为以下几个部分：注浆机、空压机、注浆管、注浆枪和土壤加载模具。土壤加载模具和注浆机上配备有压力计，分别显示模具内压力和注浆压力。

在模具底部和顶部的槽中放置橡胶垫以进行密，在内壁涂抹一层凡士林，然后贴上一层锡箔以备后续脱模使用。在粘合过程中不允许有气泡和褶皱。黄土分五次加入模具中，并均匀压实。每层土壤压实后，表面要刮平，以避免明显分层。

注浆枪与顶部阀门连接，打开底部排气阀，将聚合物缓慢注入土壤。为了避免分裂，注浆压力在0.1–0.2 MPa之间控制，当压力达到0.4–0.5 MPa或出现浆液泄漏时停止注浆。

注浆后，关闭顶部阀门，取下注浆枪，经过两三个小时后可脱模。在脱模之前，将模具平放，用塑料袋盖住顶部阀门，同时排出模具中的残余气压和多余浆液。

使用无侧限压缩试验和锥形压入试验来测试力学性能，无侧限压缩试验是通过LD-12路面材料强度测试仪进行的。样品的尺寸为直径50 mm × 高度100 mm。

SEM测试仪器在不同的方向上扫描了不同服务环境下的UL和SL，从显微的角度观察了土壤颗粒的排列以及聚合物凝胶的分布情况， advance X射线衍射仪用于XRD测试。

通过MDI jade软件进行XRD测试结果的相位检索和数据分析，定性分析了灌浆后材料的变化，然后通过晶面间距的大小定量分析了灌浆后材料的结构变化。水银浸透法（MIP）可以定量分析土壤样品的微观孔隙结构，与其他测量方法相比，可以测量4 nm至200 μm范围内的孔径。

UL和SL之间的机械性能， 由于固化试样的强度较高，很难穿透整个试样。试样被分为五等份，并在每个部分选取了三个不同的测点进行测量。

对样品进行了无侧限压缩试验和圆锥压入试验，灌浆后SL的无侧限抗压强度UCS是UL的11.83-20.99倍。从CPTU试验结果来看，SL的锥尖抗阻力是UL的3.09-3.45倍，套筒摩擦力是2.25-3.05倍。

根据不同的干密度和含水率计算了灌浆前的样品质量，而通过电子秤称重了灌浆后的样品质量。在每种条件下准备了三个平行样品，称重质量后分别取得了平均值。

随着干密度的增加，土壤被压实，土壤颗粒之间的排列更加紧密，因此，浆液更难被土壤颗粒渗透，导致灌浆量减少。当干密度相同时，随着含水率的增加，灌浆量也呈现下降趋势。因为土壤是由土壤颗粒、水和空气组成的三相体，当土壤颗粒之间的孔隙空间一定时，随着含水率的增加，土壤空隙将逐渐被水填满，当孔隙全部被水填满时，土壤处于饱和状态。

当干密度确定时，含水率越高，浆液越难灌入土壤中，灌浆量越小。这些结果与Chen和Du的研究。改性聚乙烯醇的固化和渗透效果随着干密度的增加而减弱，在干密度小于1.5 g/cm3时效果最佳。从灌浆量和抗压强度的角度来看，两者整体上呈幂函数关系，灌浆量越大，抗压强度越大。

水分和干密度对SL抗压强度的影响，抗压强度曲线是通过对不同干密度和水分含量的试样进行无约束抗压试验获得的，当水分含量固定时，SL的抗压强度随着干密度的增加而减小。

由于可渗透的聚合物具有良好的流动性，即使孔隙空间减小，聚合物仍然能够渗透土壤颗粒，并与土壤中的孔隙水反应生成凝胶，凝胶可以增加土壤颗粒之间的粘结力。

与水泥和硅酸钠等浆液相比，可渗透的聚合物具有更好的渗透性和加固能力。尽管干密度和水分含量增加，可渗透的聚合物仍然具有良好的加固效果。

黄土中的可溶性盐在水分增加时溶解，导致固化土壤受损。为了研究水分和可溶性盐对固化土壤抗压强度的影响本试验模拟了不同的使用环境，将固化土壤分别浸泡在水和盐溶液中。

在水和盐溶液浸泡下，试样的抗压强度相近，这证明这两种溶液对SL的侵蚀程度相同，表明聚合物凝胶不受盐的侵蚀。这可能是因为浸泡导致试样内部，产生了不规则的空隙和裂缝，而这种侵蚀现象是随机的，每个试样受到了稍微不同程度的损坏。

三个因素：干密度、含水量和服务环境，在每个因素下设置了三个水平变量。在不同的工作条件下进行的渗透试验效果分析显示，影响固化土抗压强度的因素顺序为：服务环境 > 含水量 > 干密度。

浸泡56天后，土壤的内部结构会受损，土壤颗粒之间的粘聚力会降低，导致浸泡后固化土抗压强度下降。由于聚合物与水反应，含水量对抗压强度的影响大于干密度，服务环境和含水量是主要的控制因素。

微观结构特性的测定

固化土的损伤形态，与水泥和小麦秸秆混合的盐渍土的损伤形态类似，但不同之处在于小麦秸秆的添加改变了固化土的损伤行为。

损伤形态ⅰ，断裂从底部开始，逐渐向上扩散。当扩散高度达到样本中部时，完全破裂。这种失效通常发生在水分含量为10%时。当水分含量较低时，土壤颗粒表面主要被土壤中的水覆盖，形成水膜。

损伤形态ⅱ，断裂从底部开始向上扩散，扩散过程中出现明显的膨胀现象。此时，断裂面沿着土壤样本内部的脆弱面继续扩展，直至穿透样本。通常在水分含量为15%时，样本会出现膨胀现象。干密度越低，膨胀现象越明显。

与第一种失效形态相比，这个过程需要很长时间，失效区域广泛，压缩过程中呈现一定的延性。膨胀现象是由于样本水分含量较高，使凝胶的延性和粘弹性增强。

损伤形态ⅲ，试样的结构强度在横向和纵向裂缝下受到损害。这种具有横向和纵向裂缝的损伤形式通常在浸泡的试样中看到。由于长时间的浸泡，土壤内部被从表面渗透进来的水侵蚀。一些土壤颗粒或凝聚体在水侵蚀下逐渐溶解，从而形成了弱面。

损伤形态ⅳ，试样以一定的规律斜截面受损，这种情况下，浆液渗透阻力较小，固化土的强度分布更加均匀，在轴向应力的作用下，土壤样本将沿着规则的横截面受到破坏。

扫描电镜分析 SEM测试，可以直接观察到固化前后土壤颗粒的排列以及胶凝体的具体分布。土壤颗粒有两种形式，即单颗粒和复合颗粒。细小的单颗粒占主要部分。孔隙呈多孔且分散排列，整个土壤的骨架呈上覆式孔隙结构。

分别展示了固化土壤在水和盐溶液中的侵蚀程度，经过56天的长时间浸泡后，聚合物与土壤颗粒之间的粘结减弱。少量土壤颗粒或颗粒聚集体在浸泡后发生解体，但整体土壤样品仍保持良好的完整性。

汞累积入侵量可以直接反映样品中总孔隙体积，汞进入样品的量越多，孔隙体积就越大。固化后的汞累积入侵量明显小于固化前，这证明聚合物在土壤颗粒中具有良好的流动性，可以渗透其中填充孔隙。

随着聚合物与水的反应进行，土壤逐渐被不断生成的胶凝体紧实，从而进一步减少了土壤中孔隙的含量。在每个孔径直径下，未浸泡的固化液的累积入侵量，高于浸泡后的固化液。

无固化剂压缩试验显示出三个明显的峰值：大孔隙峰峰Ⅰ、微孔隙峰峰Ⅱ和峰Ⅲ，而固化剂压缩试验，无论是否浸泡，都显示出两个明显的峰值，峰Ⅱ和峰Ⅲ。

这是因为UL的孔隙主要是大孔隙，而这种大孔隙结构往往导致其易坍塌性。相比之下，SL的孔隙分布主要集中在微孔隙峰II和III中。渗透性聚合物有效地填充了UL中的大孔隙，从而改善了黄土的疏松多孔结构特性。

在浸泡SL后，峰值Ⅱ的位置会移动到较大的孔隙尺寸，这种偏移现象的主要原因，是水和盐溶液的浸泡，使得500–2461 nm范围内的一些土壤颗粒，失去了与土壤本身的结合，这也直接导致了SL的抗压强度降低。

进行了对无固化剂压缩试验和固化剂压缩试验，在三种服务环境下的XRD测试，以确定黄土的矿物组成是否发生变化，以及渗透性聚合物是否与土壤颗粒发生反应。

在不同服务环境下，UL和SL的衍射峰是相同的，表明主要的矿物组成在固化后没有发生变化。由于衍射强度可能受浸泡试验的影响，所以衍射峰的高度不同，浸泡样品的衍射强度和峰值降低。

可以解释在固化后没有产生新的晶体材料，黄土是通过渗透性聚合物与水反应产生的凝胶来加固的。土壤颗粒之间的结合力增强，SL抵抗剪切破坏的能力增强，这与SEM测试观察到的结果一致。

结论

基于自主开发的渗透性聚合物和注浆系统，针对不同的工作条件下，对黄土进行了固化处理，并对固化黄土的力学性能和耐久性进行了研究。通过SEM、MIP和XRD测试，分析了固化机理。

固化黄土的抗压强度高达3.05–5.42 MPa，而锥尖抗阻力和套筒摩擦分别增加了3.09–3.45倍和2.25–3.05倍。抗压强度与注浆量成正比，与水分含量和干密度成反比。 基于敏感性分析，得出了服务环境和水分含量是影响加固效果的主要控制因素。

从微观上看，SL中没有产生新的矿物成分，土壤颗粒主要通过凝胶粘结在一起。在浸泡后，UL的累积渗透量是SL的1.94倍，没有浸泡的SL的2.92倍，这表明孔隙度显著减小。浸泡后，SL的孔隙度增加，但仍小于UL。

参考文献

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