微纤维增强作用下纳米硅溶胶快速渗透加固砂土的方法与流程

本发明属于岩土工程研究领域，尤其涉及一种微纤维增强作用下纳米硅溶胶快速渗透加固砂土的方法。

背景技术：

饱和松散砂土地基在地震荷载作用下会发生液化，宏观上表现为土体中孔隙水压力上升，同时土体固相的有效接触应力为零，这时土体性质类似于流体并丧失抗剪强度。地震液化造成以下危害：例如房屋倾斜、地基沉降、地铁隧道上浮、道路路基滑移等。因此可以考虑通过加固土体防止液化，例如在可液化土体中通入硅溶胶溶液，硅溶胶溶液中悬浮着纳米颗粒，这些纳米颗粒先逐渐凝聚成链状结构进而形成三维网状结构的凝胶，此硅凝胶体系可以胶结砂土颗粒从而加固砂土且防止液化。

但从砂颗粒间硅凝胶的扫描电镜看，硅凝胶具有大量的微裂缝，这些微裂缝降低了硅凝胶-砂复合体的强度，因此可以考虑将木质纤维掺入至纳米硅溶胶中，这样当纳米硅溶胶转化为硅凝胶后，木质纤维对硅凝胶进行增强从而减少微裂缝的扩展，最终增加了硅凝胶-砂复合体的强度。而在纳米硅溶胶渗透加固砂土的过程中，通过发明人进行的室内试验发现，木质纤维掺量过少，提高硅凝胶-砂复合体强度的效果不明显；若木质纤维掺量过多，硅凝胶-砂复合体强度有降低趋势，因此需要一种最优的木质纤维掺量，使掺有木质纤维的纳米硅溶胶溶液可以快速入渗砂土且可以有效加固砂土。

技术实现要素：

本发明的目的在于提高纳米硅溶胶快速渗透砂土试样后形成硅凝胶-砂复合体的强度，本发明提供一种微纤维增强作用下纳米硅溶胶快速渗透加固砂土的方法。

本发明的技术方案：在第一容器中放入碱性纳米硅溶胶，然后滴入酸使碱性纳米硅溶胶变为酸性，然后加入干燥的木质纤维并使木质纤维均匀分散在纳米硅溶胶中，最后通过水泵将混有醋酸和木质纤维的纳米硅溶胶注入砂土中，等待纳米硅溶胶形成凝胶从而加固土体，所述纳米硅溶胶中二氧化硅颗粒的质量百分比为10％～40％，所述木质纤维占纳米硅溶胶的质量百分比为0.01％～0.05％。

优选的，所述碱性纳米硅溶胶溶液为纳米级的二氧化硅颗粒分散在氢氧化钠溶液中，二氧化硅颗粒的粒径为10～20nm。

优选的，所述木质纤维长度小于1mm，密度为1.3～1.5g/cm³。

优选的，所述滴入酸使碱性纳米硅溶胶变为酸性，指滴入醋酸从而调节ph值至5.0-5.5。

优选的，木质纤维均匀分散在纳米硅溶胶中的方法为将混有醋酸和木质纤维的纳米硅溶胶搅拌60分钟。这里搅拌的方法可以选择为磁力搅拌，即在容器内的底部放置第一磁铁条，而在容器底部外的下方放置第二磁铁条，第二磁铁条和电动机连接，用电动机驱动第二磁铁条旋转，第一磁铁条在第二磁铁条磁场的作用下发生旋转，这样第一磁铁条在容器内对纳米硅溶胶进行搅拌。

优选的，纳米硅溶胶中二氧化硅颗粒的质量百分比为20％，木质纤维占纳米硅溶胶的质量百分比为0.03％，即木质纤维浓度为0.03％。木质纤维浓度过大则导致木质纤维在纳米硅溶胶中分散困难，从而导致纳米硅溶胶渗透砂土时成团的木质纤维被砂土过滤，且成团没有分散的木质纤维加大硅凝胶中的缺陷，最终导致固化砂土的强度降低。

为了在给定木质纤维浓度和水平向围压的情况下，快速确定试样的偏应力峰值强度，给出偏应力峰值强度随木质纤维浓度和水平向围压变化的公式，首先定义如下变量：

σ1：三轴试验里轴向破坏应力

σ3：水平向围压

σdeviator：偏应力峰值强度，取σdeviator＝σ1-σ3

x：木质纤维浓度百分比

c：粘聚力

内摩擦角

和粘聚力和纤维浓度关系公式中的系数

和内摩擦角和纤维浓度关系公式中的系数

设三轴试验里轴向破坏应力为σ1，水平向围压为σ3，设偏应力峰值强度为σdeviator，求σdeviator的公式为：

σdeviator＝σ1-σ3(1)

在(1)式中，求取三轴试验里轴向破坏应力为σ1的公式为：

在(2)式中，c为粘聚力，为内摩擦角，且粘聚力c和内摩擦角都为纤维浓度百分比的函数，σ3为指定围压，因此只要知道纤维浓度百分比就可以确定粘聚力和内摩擦角，然后结合围压就可以求得轴向破坏应力σ1；

设x为木质纤维浓度百分比，例如x取0.01表明木质纤维浓度百分比为0.01％；

设粘聚力c为x函数，且设和为函数里的系数，有:

设内摩擦角为x函数，且设和为函数里的系数，有:

因此，在已知木质纤维浓度x的情况下，可以由式(3)和式(4)计算得到粘聚力c和内摩擦角然后将粘聚力c和内摩擦角以及已知的水平向围压σ3代入式(2)后求得轴向破坏应力为σ1，最后将σ1和σ3代入式(1)得到偏应力峰值强度σdeviator。

本发明的有益效果是通过添加木质纤维降低硅凝胶中的微裂纹扩展，从而增加纳米硅溶胶快速渗透加固砂土的强度，本发明给出了木质纤维占纳米硅溶胶质量百分比的优化值，从而使木质纤维起到增强硅凝胶-砂复合体强度的作用。

附图说明

图1为本发明的整体组装结构示意图；

图2为本发明的磁力搅拌示意图；

图3为基于三轴试验得到围压为50kpa时试样偏应力峰值强度随木质纤维浓度变化曲线；

图4为基于本发明提出公式得到围压为50kpa时的试样偏应力峰值强度随木质纤维浓度变化的模拟曲线.

图中1.第一容器、2.纳米硅溶胶、3.第一磁铁条、4.第二磁铁条、5.电动机、6.水泵、7.砂土、8.固化砂土试样的成型模具

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

在第一容器1中放入碱性纳米硅溶胶2，然后滴入酸使碱性纳米硅溶胶2变为酸性，然后加入干燥的木质纤维并使木质纤维均匀分散在纳米硅溶胶2中，最后通过水泵6将混有醋酸和木质纤维的纳米硅溶胶2注入砂土7中，等待纳米硅溶胶2形成凝胶从而加固砂土7，所述纳米硅溶胶中二氧化硅颗粒的质量百分比为10％～40％，所述木质纤维占纳米硅溶胶的质量百分比为0.01％～0.05％。

例如，为了进行三轴试验，固化砂土试样所用材料为：所述碱性纳米硅溶胶溶液为纳米级的二氧化硅颗粒分散在氢氧化钠溶液中，二氧化硅颗粒的粒径为10～20nm，纳米硅溶胶中二氧化硅颗粒的质量百分比为20％；所述木质纤维长度小于1mm，密度为1.3～1.5g/cm³，木质纤维占纳米硅溶胶的质量百分比分别取为0.01％、0.02％、0.03％、0.04％和0.05％，从而制作5种不同木质纤维浓度下的固化砂土试样；

一种用于三轴试验的固化砂土试样的制样过程为：滴入酸使碱性纳米硅溶胶变为酸性，例如滴入醋酸从而调节ph值至5.0-5.5；然后将木质纤维均匀分散在纳米硅溶胶中，即将混有醋酸和木质纤维的纳米硅溶胶搅拌60分钟，搅拌的方法为磁力搅拌，即如图2所示在第一容器1内的底部放置第一磁铁条3，而在第一容器1底部外的下方放置第二磁铁条4，第二磁铁条4和电动机5连接，用电动机5驱动第二磁铁条4旋转，第一磁铁条3在第二磁铁条4磁场的作用下发生旋转，这样第一磁铁条3在第一容器1内对纳米硅溶胶进行搅拌；最后如图1所示通过水泵6将混有醋酸和木质纤维的纳米硅溶胶2注入砂土7中，等待纳米硅溶胶2形成凝胶从而加固砂土7；

通过三轴试验，得到固化砂土的偏应力峰值强度随木质纤维浓度的变化曲线，如图3所示围压为50kpa时，木质纤维的浓度为0.03％时试样的偏应力峰值强度最大。

提出偏应力峰值强度随木质纤维浓度和水平向围压变化的公式，从而在给定木质纤维浓度和水平向围压的情况下，可以快速确定试样的偏应力峰值强度。首先定义如下变量：

σ1：三轴试验里轴向破坏应力

σ3：水平向围压

σdeviator：偏应力峰值强度，取σdeviator＝σ1-σ3

x：木质纤维浓度百分比

c：粘聚力

内摩擦角

和粘聚力和纤维浓度关系公式中的系数

和内摩擦角和纤维浓度关系公式中的系数

设三轴试验里轴向破坏应力为σ1，水平向围压为σ3，设偏应力峰值强度为σdeviator，求σdeviator的公式为：

σdeviator＝σ1-σ3(1)

在(1)式中，求取三轴试验里轴向破坏应力为σ1的公式为：

在(2)式中，c为粘聚力，为内摩擦角，且粘聚力c和内摩擦角都为纤维浓度百分比的函数，σ3为指定围压，因此只要知道纤维浓度百分比就可以确定粘聚力和内摩擦角，然后结合围压就可以求得轴向破坏应力σ1；

设x为木质纤维浓度百分比，例如x取0.01表明木质纤维浓度百分比为0.01％；

设粘聚力c为x函数，且设和为函数里的系数，有:

设内摩擦角为x函数，且设和为函数里的系数，有:

因此，在已知木质纤维浓度x的情况下，可以由式(3)和式(4)计算得到粘聚力c和内摩擦角然后将粘聚力c和内摩擦角以及已知的水平向围压σ3代入式(2)后求得轴向破坏应力为σ1，最后将σ1和σ3代入式(1)得到偏应力峰值强度σdeviator。

图4为基于式(1)～(4)模拟得到围压为50kpa时偏应力峰值强度随木质纤维浓度变化曲线，图4确定式(3)中的系数和以及式(4)中的系数和分别为：

可以看到，图3的试验结果和图4的模拟结果在曲线形式上是一致的，且都在木质纤维浓度为0.03％时达到最大值。