徐 岗，裴向军，袁进科，陈 杰，任 和

(成都理工大学，地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

砂土是一种松散结构的堆积体，其自然状态下具有强度低、渗透性较强等特点，在我国邢台地震、唐山地震、2008年汶川地震以及2017年九寨沟发生7.0级地震都出现了砂土引起的灾害[1-2]，其中时间最近的九寨沟地震引发了1 000余处的地质灾害，主要以中小型浅层滑坡和崩塌为主，产生了大量的松散砂土，在雨水作用下极易产生水土流失。

在传统的边坡加固方式中，采用水泥类、格构形式以及护面墙的较多，但是这类方式对于环境具有一定的影响，不利于环保。随着绿色发展的兴起，越来越多的研究者着重于研究绿色型加固剂，以减少对环境的破坏，Kukal 等[3]研究了不同粒径和不同种类的土壤水稳定性随着聚乙烯醇浓度增加而增加；李建法等[4]对木质素磺酸盐用作砂土稳定剂进行了研究，结果表明单独的木质素磺酸盐不适用于作为砂土的稳定剂；刘瑾等[5]通过采用丙烯酸等乙烯基单体为主体经过高分子聚合反应对土体进行加固；唐朝生等[6]采用聚丙烯纤维加固软土并取得了较好的效果；王银梅等[7]采用高分子材料SH对砂的强度、抗冻性以及抗老化性进行了测试；冯巧等[8]采用聚丙烯纤维和聚氨酯组成的复合材料对砂土进行改良，利用加筋方式配合固化剂一定程度上提高了砂土强度；卜思敏[9]研究了纳米硅溶液固化黄土的强度特性及固化机理，结果表明随着纳米粒径的增大黄土强度逐渐降低。

纳米硅溶胶是一种颗粒粒径在1.5×10-5mm的二氧化硅胶体溶液，分子式xSiO2-nH2O，颗粒晶核是二氧化硅的多聚体，表层被Si-OH基覆盖，其胶体溶液具有比表面积大、高吸附性、高渗透性等特点，且对环境无毒无害。本文在前人研究的基础上，结合九寨沟地震引起的大量松散物质的治理，以纳米硅材料为基础，通过添加聚丙烯酰胺类高分子物质进行改性研究，分别测试在改性纳米硅材料作用下砂土的无侧限抗压强度、抗剪强度以及湿化崩解特性，从而对改性剂的掺量以及纳米硅的浓度提出最优的方案，并对其固化机理进行初步探讨，为后续改性纳米硅溶液加固砂土提供参考依据。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

试验用砂土取自九寨沟松散砂土。将砂土风干后，剔除大于2 mm和小于0.075 mm的颗粒，得到砂土的粒径分布(图1)，其中颗粒粒径在0.1～1.0 mm之间的含量为80%。试验所用的改性纳米硅加固材料是以纳米硅材料与水混合组成纳米硅溶液为基础，以分子量为1 200万的聚丙烯酰胺为主体组成改性剂混合而成，纳米硅溶液的物理特性如表1。

表1 纳米硅溶液物理参数Table 1 Physical parameters of the Nano-silicon solution

图1 砂土粒径分布曲线Fig.1 Distribution curve of the sand particle size

1.2 试验方法

1.2.1无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度能反映试样在无侧向压力的情况下，抵抗轴向压力的极限强度，是对加固效果评价的重要指标。为研究纳米硅浓度与改性剂掺量对砂土强度的影响，参照《土工试验教程》中三轴压缩试验步骤进行制样，制备纳米硅材料浓度为10%，20%，30%三个梯度备用，其中改性剂添加量为砂土质量百分数的0.1%，0.2%，0.3%三个梯度。本次试验按照加固剂与砂土质量比1︰5拌合，用于制样的模具采用直径39.1 mm，高80 mm(图2)，一共配置16组砂柱样(试样编号见表2)，每组3个样品，控制砂土样的干密度在1.6 g/cm3，制作过程先将模具刷润滑油，然后套上保鲜膜(防止加固砂土与模具粘连)，称取定量的砂土，再以砂土质量百分数确定改性剂的掺量，将改性剂溶解于不同浓度的纳米硅材料得到加固液，最后将加固液与砂土拌合。

图2 砂柱样品Fig.2 Sand column sample

1.2.2抗剪强度

抗剪强度试验采用四联式应变控制式直剪仪，其最大特点是将读数过程由电脑自动采取，从而减小人为读数误差，其中土样内径61.8 mm、高20 mm。抗剪强度的土样配比和无侧限抗压试验相同，将制备好的土样在相同条件下养护7 d，试验过程中，分别施加垂向压力100，200，300，400 kPa，数据处理剔除变化较大值。

1.2.3湿化崩解

崩解是指土体在水作用下发生分散、塌落，完整性和稳定性遭到破坏，其崩解速率能很好地表明加固砂土抗冲性能，也是评价水土流失的重要指标。本文参考樊恒辉等[10]对土体湿化崩解的测量，利用荷重传感器和DH5902静态数据采集仪组装成简易的砂土崩解测量仪，主要原理是通过传感器采集砂土在水中崩解后漏网上剩余试样质量与浮力的差值。由于试验中浮力随着试样的崩解而不断变化，因此很难进行精确的测量，结合谷天峰等[11]、曾庆建等[12]对崩解的研究，对浮力进行简化计算，采用崩解率H分析改性纳米硅溶液对砂土湿化崩解的影响：

H=(M0-M仪)/M0×100%

式中：H——已崩解量和土样初始质量的百分比/%；

M0——土样的初始质量/g；

M仪——采集仪的换算值/g。

2 实验结果及分析

本次试验的结果汇总如表2所示。下面将结合不同的试验分析改性纳米硅材料固化砂土的无侧限抗压强度、抗剪强度以及湿化崩解特性。

表2 试验结果汇总Table 2 Summary of the test results

2.1 无侧限抗压试验

在经过相同条件的养护后，测试纳米硅材料浓度在10%,20%,30%以及改性剂掺量在0.1%,0.2%,0.3%下加固砂土的强度值，图3为抗压强度变化规律。从图3a中可以看出，在未掺加改性剂的纳米硅材料的作用下，砂土的抗压强度值呈现增长趋势，当纳米硅浓度为30%时抗压强度值为210 kPa。当在纳米硅溶液中加入改性剂时(图3b)，在纳米硅浓度小于10%时，随着改性剂的增加，加固砂土强度不断增大，最大达到580 kPa；在纳米硅浓度大于10%时，随着改性剂的增加，加固砂土强度呈现先增长后降低的趋势，最大值达到970 kPa，是未添加改性剂强度的4.5倍。同时从图3a中可发现，随着纳米硅浓度的不断增大，加固砂土的强度呈现先增长后降低的趋势，其最大强度值出现在纳米硅浓度为20%时，说明纳米硅浓度过大不利于其强度的增长。

图3 不同配比下加固砂土强度变化规律Fig.3 Change in strength of the reinforced sand under different proportions

图4是加固砂土试样在纳米硅浓度20%和改性剂掺量0.2%时破坏方式，可以发现破裂面沿着45°方向，即剪应力最大的方向。

图4 纳米硅浓度20%和改性剂0.2%加固试样破坏特征Fig.4 Destruction characteristics of the reinforced samples with nano-silicon concentration of 20% and modifier of 0.2%

图5是在不同配比下改性纳米硅材料加固砂土的应力-应变曲线。由于砂土的特殊性，在未添加加固材料的情况下，砂土结构松散无法形成固结体，因此，无法测得其应力-应变曲线。对比在纳米硅溶液浓度0%～30%的作用下砂土的应力-应变曲线可以发现，其破坏主要是脆性破坏，破坏过程主要分为三个阶段。第一阶段为弹性段(e-f段)，曲线表现为直线，随着轴向压力的不断增大，应变的产生主要是颗粒之间的孔隙压缩，同时砂土具有逐渐摆脱颗粒之间胶结力的趋势；第二阶段曲线斜率逐渐变缓直至变为负数(f-g段)，砂土试样内部的裂隙逐渐贯通，此时轴向力达到最大值后，应变迅速增大，曲线变现为迅速降低；第三阶段为破坏阶段(g-h段)，试样沿着贯通裂隙不断滑移，轴向应力不断减小。

图5 不同配比加固砂土的应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of the reinforced sands with different proportions

2.2 直剪试验

根据直剪试验数据处理后得到不同配比下加固砂土的抗剪强度值如表2，得到其黏聚力和内摩擦角的变化规律如图6，其剪切前后的试样如图7。

图6 不同配比下砂土内摩擦角和黏聚力变化规律Fig.6 Variation in the internal friction angle and cohesive force of sands under different proportions

根据图6可以看出，在纳米硅加固液的作用下松散砂土的内摩擦角(φ)和黏聚力(c)明显提高。相同改性剂掺量下的加固砂样随着纳米硅溶液浓度的增大，c，φ值都具有较大的增长，呈现先增大后减小的趋势，最大值可达到173.2 kPa和42.6°，内摩擦角增大了近50%。当纳米硅溶液的浓度控制在20%时，随着改性剂掺量的变化，加固砂样的c，φ值都出现峰值，但是当改性剂的添加量>0.2%时，加固砂样的c，φ值逐渐降低，说明改性剂具有最优值，过多或者过少的改性剂影响加固效果，因此其最佳掺量为砂土质量百分数的0.2%左右。

图7是20%浓度的纳米硅和0.2%的改性剂加固试样剪切前(图7a)和剪切后(图7b)的对比图，从图7b中可以看出，加固试样具有明显的剪破面，破坏面凹凸不平，砂样颗粒之间接触紧密，剪切过后的砂样比较完整，可见砂土颗粒在纳米硅加固液的作用下咬合力较大，且颗粒之间呈团聚状态，改变了原有的松散结构。

图7 纳米硅浓度20%和改性剂0.2%的加固砂样Fig.7 Reinforced sand samples with nano-silicon concentration of 20% and modifier of 0.2%

2.3 湿化崩解试验

加固砂土在相同条件下养护28 d后进行湿化崩解试验，侵泡8 d后崩解状态记录如表2，图8为崩解过程的状态，图9为崩解量随时间的变化。

观察砂土崩解过程可以发现，试样在入水后立即产生大量气泡，随后气泡逐渐减少，气泡完全消失所经历的时间跟掺加的改性纳米硅溶液有关。随着纳米硅材料浓度的逐渐增加，气泡消失的时间可延长至40 min；当纳米硅材料经过改性剂作用后，气泡消失的时间最长可延长至4 h，说明加固剂改善了土颗粒之间的间距，同时有效填充了孔隙通道。

由图8可以发现，在掺量0.3%改性剂的单独作用下，加固试样崩解比较迅速，崩解核表层软化且有明显的絮状物质析出，使得土颗粒之间的胶结效果减弱(图8a)；在纳米硅浓度10%、改性剂掺量0.2%的加固试样崩解1 d后，试样表面没有絮状物质析出，颗粒崩解时间延长到3.7 d(图8b)；在纳米硅浓度20%、改性剂掺量0.2%的加固试样崩解8 d后，试样保持完整，无颗粒脱落(图8c)；在纳米硅浓度30%、改性剂掺量0.2%的加固试样崩解3 d后，试样上表层出现部分脱落现象(图8d)。

图8 不同配比下松散砂土加固试样过程Fig.8 Process of the reinforcing sand samples by loose sand under different ratios

图9 不同配比下松散砂土加固试样崩解曲线Fig.9 Disintegration curves of the loose sand reinforcement samples under different ratios

由图9b可以发现，在单独纳米硅材料的作用下，砂土遇水后快速崩解，浓度越大崩解越缓慢，最长崩解时间为21 h；通过在纳米硅溶液中添加改性剂后，加固砂样的崩解速率逐渐降低，在保持纳米硅浓度为20%，改性剂掺量0.2%的作用下，砂土的湿化崩解效果表现最好，其在水中侵泡8 d后基本上保持完整，无崩解现象，说明砂土颗粒在纳米硅溶液单独作用下不具有抵抗侵入水的能力，而在加入改性剂之后，砂土颗粒之间的抗崩解力得到提高，随着纳米硅溶液浓度在20%与改性剂含量在0.2%时，加固的砂土能表现出完全的抵抗侵入水的作用，在水的作用下并不能使得包裹砂土颗粒之间的改性纳米硅材料失去粘结性，有效地改善了砂土遇水崩散的特性。

3 加固机理初探

根据上述试验可知，在砂土中加入改性纳米硅材料后，其结构特性得到改善，由于改性纳米硅材料是由1.5×10-5mm的微小颗粒和可溶性改性剂溶于水之后形成的加固材料，纳米SiO2在溶液中呈三维网状结构，同时表面含有大量的不饱和残键和不同状态的羟基，可以使多种物质与SiO2颗粒发生化学修饰[16]，改性剂中主要是PAM非离子型高聚物，其溶于水后所形成的长链结构，在与SiO2颗粒发生修饰之后进而影响颗粒之间的ξ电位平衡。

当改性纳米硅溶液与砂土颗粒混合后，逐渐将土颗粒包裹形成表面网状层，由于分子链的活性很强，在土颗粒表面形成一层具有强粘结力的薄膜，增加了砂土颗粒表层的黏聚力和摩擦力，使得砂土颗粒之间接触紧密，同时部分纳米硅颗粒所形成的团聚体填充于砂土颗粒形成的孔隙之中，有助于连接不同粒径砂土颗粒，增强其结构特性。当纳米硅浓度过大时，SiO2-nH2O粒子增多，形成的团聚体过大，反而增加了土颗粒之间的间距，不利于颗粒的受力，进而降低了加固砂土的强度。

4 结论

(1)改性纳米硅加固材料是由颗粒在1.5×10-5mm的SiO2材料为基础，掺加可溶性的聚丙烯酰胺类作为改性剂配置而成的加固材料。

(2)改性纳米硅材料提高了砂土的抗压强度和抗剪强度，改善了其抗崩解特性。当纳米硅浓度在20%、改性剂掺量0.2%时，加固砂土抗压强度达到最大970 kPa，且加固的砂土能完全抗崩解。当纳米硅浓度在20%、改性剂掺量0.3%时，加固砂土c、φ值达到173.2 kPa和39.3°。

(3)砂土经改性纳米硅材料加固后，颗粒表层形成包裹膜，使得颗粒之间接触更加紧密，同时纳米硅颗粒有效地填充了颗粒之间的孔隙通道，增强了砂土的结构性。结合试验过程中改性纳米硅溶液的可操作性，以及施工的方便性，建议加固松散砂土中纳米硅溶液的浓度控制在20%，改性剂的掺量0.2%为最佳。