CN106759238A - 一种软弱土加固处理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软弱土加固处理的方法，主要是在软弱土中注入氧化石墨烯、还原氧化石墨烯或石墨烯，进一步加快土体中水的排出，增加软弱土的强度，进而实现对软弱土的加固，同时可以提高固结后软弱土的抗渗能力；氧化石墨烯、还原氧化石墨烯或石墨烯的厚度为0.35‑4.0nm，单片氧化石墨烯、还原氧化石墨烯或石墨烯的长度为5.0‑30um；所述软弱土包括淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土及其他高压缩性土。

Description

一种软弱土加固处理的方法

技术领域

本发明涉及软弱土加固处理技术领域，具体是一种软弱土加固处理的方法。

背景技术

在我国沿海、沿江的广大区域里，普遍分布着淤泥质软黏土。淤泥质软黏土有高含水率、低强度、高压缩性、低渗透性等诸多缺点，这些不良特性给工程施工带来了很多困难。高压缩性会引起地基发生较大的整体沉降或不均匀沉降；低渗透性会导致土体排水固结会持续很长时间，影响工程施工和建筑物的使用；低强度导致地基承载力不足和稳定性差，通常该类土体不能满足工程的要求。为了改善淤泥质软黏土的这些不良特性，在工程施工中采用了多种方法对其进行处理，如强夯法、真空预压法、堆载预压法等。由于淤泥质软黏土具有低渗透性，常规排水固结方法处理该类土体时会持续很长时间，而且土体加固效果有时也并不理想。随着我国工程建设的快速发展，对土地需求的日益迫切，一种新的软弱土处理方法—电渗排水固结法在工程中逐渐得到应用，尤其是在淤泥质软黏土地基处理中的应用中也越来越广泛，而且取得了较好的效果。

但是，在通电过程中随着土中水分的排出，裂缝逐渐形成发展，电渗前期，形成的细微裂缝可以充当排水通道，有助于阴极水分的及时排出，提高电渗排水效率；而到了电渗后期，裂缝在深度和宽度方向逐渐发展，部分裂缝甚至能够贯穿整块土体，阻断阴阳极间的通路，降低电渗的排水效果。前文电渗试验已经表明，利用电场力的驱动作用将带电纳米颗粒引入土体中，可以显著缓解阴极土体裂缝开展情况，填充土颗粒间的空隙，提高土体密实度，从而提高其抗剪强度。但由于纳米颗粒是零维纳米材料，尺寸较小，即使形成团聚体，其尺寸也无法和土颗粒间的孔隙相比，而只能填充比较微小的孔隙，无法大范围缓解土体开裂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种软弱土加固处理的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种软弱土加固处理的方法，在软弱土中注入氧化石墨烯或还原氧化石墨烯或石墨烯，进一步加快土体中水的排出，增加软弱土的强度，进而实现对软弱土的加固，同时可以提高固结后软弱土的抗渗能力。

作为本发明进一步的方案：所述氧化石墨烯、还原氧化石墨烯和石墨烯的厚度均为0.35-4.0nm，单片氧化石墨烯、单片还原氧化石墨烯和单片石墨烯的长度均为5.0-30um。

作为本发明进一步的方案：所述软弱土是淤泥或淤泥质土或冲填土或杂填土。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过软弱土中注入氧化石墨烯、还原氧化石墨烯或石墨烯，对软弱土进行处理，对比分析原状土和不同氧化石墨烯、还原氧化石墨烯或石墨烯浓度下液塑限、压缩性、电动电势、抗剪强度、抗压强度、微观结构等方面的变化，评估氧化石墨烯、还原氧化石墨烯或石墨烯对土体的加固效果，推动纳米材料在地基加固领域的应用，为工程实践提供有益的指导。

附图说明

图1为软弱土加固处理的方法中的氧化石墨烯AFM图。

图2为软弱土加固处理的方法中的氧化石墨烯SEM图。

图3为软弱土加固处理的方法中的各试验组液塑限随氧化石墨烯浓度变化图。

图4为软弱土加固处理的方法中的固结实验中压缩试样示意图。

图5为软弱土加固处理的方法中的孔隙比与固结压力之间的对数关系曲线图。

图6为软弱土加固处理的方法中的压缩系数a1-2曲线图。

图7为软弱土加固处理的方法中的各试验组电动电势变化曲线图。

图8为软弱土加固处理的方法中的轴向应力差与固结压力之间的对数关系曲线图。

图9为软弱土加固处理的方法中的各试验组粘聚力变化曲线图。

图10为软弱土加固处理的方法中的氧化石墨烯加固土体机理简图。

图11为软弱土加固处理的方法中的原状土实验组的微观结构图。

图12为软弱土加固处理的方法中的氧化石墨烯浓度为0.2mg/ml的试验组的微观结构图。

图13为软弱土加固处理的方法中的氧化石墨烯浓度为0.4mg/ml的试验组的微观结构图。

图14为软弱土加固处理的方法中的氧化石墨烯浓度为0.6mg/ml的试验组的微观结构图。

图15为软弱土加固处理的方法中的氧化石墨烯浓度为0.8mg/ml的试验组的微观结构图。

图16为软弱土加固处理的方法中的氧化石墨烯浓度为1.0mg/ml的试验组的微观结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-16，一种软弱土加固处理的方法，是在软弱土中注入氧化石墨烯、还原氧化石墨烯或石墨烯，进一步加快土体中水的排出，增加软弱土的强度，进而实现对软弱土的加固，同时可以提高固结后软弱土的抗渗能力。

氧化石墨烯、还原氧化石墨烯或石墨烯的厚度为0.35-4.0nm，单片氧化石墨烯、还原氧化石墨烯或石墨烯的长度为5.0-30um。所述软弱土包括淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土及其他高压缩性土。

本发明能够用于淤泥的加固。

本发明能够用于淤泥质土的加固。

本发明能够用于冲填土的加固。

本发明能够用于杂填土及其他高压缩性土的加固。

本发明能够提高固结后软弱土的抗渗能力。

以下结合具体实施实例对本发明的内容进行详细的说明：

实施例1

氧化石墨烯独特的单原子结构和丰富的活性官能团，使其在物理化学性质方面有别于传统的纳米材料，从而在储能、传感器、催化等领域具有广阔的应用前景，但氧化石墨烯在工程方面的应用却鲜有报道。为了探索氧化石墨烯在地基加固领域的应用，本次试验将不同浓度的氧化石墨烯分别拌入等量土体中，从多个方面分析其在土中作用。1试验土样的选择

由于天然土的成分过于复杂，且均匀程度差，对试验结果的准确性影响较大，因此本次试验采用的是性质相对单一的耐火土，购自上海公司，其主要的物质成分和力学性能指标如下表1和表2所示。

表1土样力学性能指标

表2土样物质成分组成

2氧化石墨烯的制备

由于不同方法制备出的氧化石墨烯结构不同，性能也不相同，为了使本次试验更具有代表性，采用现在比较常用的Hummer法来制备氧化石墨烯，主要步骤如下：

1)用天平分别称量100g鳞片状石墨(325目)，50g过硫酸钾，50g五氧化二磷准备待用。

2)依次将过硫酸钾和五氧化二磷加入到150ml的浓硫酸中(浓度98％)待完全溶解后，缓慢加入石墨粉，边加边用玻璃棒进行搅拌，期间由于氧化基团的插入，石墨片层间距增大，体积会发生剧烈膨胀。

3)待搅拌均匀，体积膨胀稳定后，将混合物密封，放到保温隔热箱中6h，让石墨充分氧化。

4)将混合物用去离子水溶解，用真空抽滤泵进行清洗，直至显示中性为止。

5)将抽滤完成的石墨转移到玻璃培养皿中，在烘干箱内干燥过夜，温度控制在50℃左右。

6)在玻璃反应釜内加入2300ml的浓硫酸，然后加入烘干后的石墨，待搅拌均匀后，称量300g的高锰酸钾，逐勺的加入反应釜中，添加过程中严格控制反应釜内的温度不要超过20℃，此时反应釜内的混合物质显示墨绿色。

7)高锰酸钾完全加入后，将反应釜内的温度提高到35℃左右，并保持2h。

8)用玻璃滴管往反应釜内逐滴滴加4600ml的去离子水，此时反应釜内会放出大量的热，用水浴循环锅控制反应釜内的温度。

9)待去离子水完全加入后，等待20min，此时反应釜中的颜色逐渐变为浅黄色，将混合溶液取出。

10)用量筒量取250ml的H₂O₂(30％)溶液，加入到14000ml的去离子水中，用玻璃棒搅拌均匀待用。

11)将稀释过的双氧水溶液加入到混合溶液中并搅拌均匀。保鲜膜密封过夜。

12)将混合溶液用离心机进行分离清洗(5min，2000r/min)，取沉淀物质。前两次用浓度为3％的盐酸溶液清洗，接着再用去离子水清洗，直到上清液显示中性为止。

13)将所得沉淀物用透析膜(800D)透析，每天换水一次，直到水的电导系数低于

14)标定氧化石墨烯的浓度，并根据需要配制浓度为0.2mg/ml，0.4mg/ml，0.6mg/ml，0.8mg/ml，1.0mg/ml的氧化石墨烯溶液待用。

为了测试制备氧化石墨烯的质量，利用原子力显微镜AFM和扫描电子显微镜SEM分别测试其厚度和面积，从图1-2中可以看出，制备的氧化石墨烯的厚度为2.3nm左右，理论上，单层碳原子的厚度在0.35nm左右，但由于表面修饰官能团的原因，氧化石墨烯的单层厚度在0.9-1.2nm，所制备的氧化石墨烯为2-3层；单片氧化石墨烯的长度在15um左右，可以满足试验的需要。

3土样的制备

1)为了保证溶液的均匀程度，将配制好浓度的氧化石墨烯溶液放入小烧杯中，放入超声波清洗器中超声2h待用。

2)取足量的土放入70℃的烘箱中干燥24h以上，以保证去除土体的初始水分。

3)计算配制含水率为25％的土样所需要使用氧化石墨烯溶液的质量。

4)用喷雾瓶将氧化石墨烯溶液喷到土样中，边喷边进行搅拌，以保证各处含水率的均一。

5)将配制好的土样用密封袋静置保存24h以上，保证土体含水率各处相同。

3试验测试及分析

3.1液塑限

随着土体中水分的质量占土体颗粒总质量的比例不同，土体的状态也有所差异。根据瑞典学者阿太堡的理论，土从液态到固态的转变需要经历五个阶段，相邻两个阶段间的分界含水率为界限含水率，由于每种土的矿物组成、土颗粒的形状大小以及表面电荷强度等各不相同，导致界限含水率也具有很大的差异，是土体各种因素的综合反映。其中液限和塑限是实际工程中评价土体好坏的常用指标，液限是土从流塑状态转变为可塑状态的界限含水率，能够较好的反应出土的压缩性、胀缩性等物理力学性能指标；塑限是土从可塑状态转变为硬塑状态的界限含水率，可以从侧面反映土体结合水膜的厚度，两者对实际工程都有重要的参考价值。为了使此次测试结果具有一定的普适性，采用我国通用的圆锥仪法测土的液限含水量，搓条法测土的塑限含水量。

1)从各个试验组分别取适量配制好的土样，编号后放入烘箱中，在温度为105℃条件下干燥24h以上，然后用研钵进行研磨，并用孔径为0.5mm的分级筛进行筛分，选取透过分级筛的土样200g，加入适量的去离子水，并用调土刀调匀，密闭放置12h以上。

2)将制备好的土样充分搅拌均匀，分层装入盛土杯中，试样装满后，刮成与杯边缘平齐。

3)给圆锥仪锥尖涂少许的凡士林，将装好土样的试杯放在测定仪上，使锥尖与土样表面刚好接触，然后按动落锥开关，记录5s时锥的入土深度，若入土深度小于10mm则增大水的加入量，然后重复步骤2，反之，若入土深度大于10mm则减少拌入土的水量，直到锥尖的入土深度为10mm。

4)选取锥尖周围土体为含水率测试对象，并将残留其中的凡士林去除，采用烘干法进行多次测试取平均值，所得含水率便是土样的液限含水量W_L。

在测量土的塑限方法中比较常用的一种就是搓条法，此法更偏向于经验，尚未确定统一的测试标准，人为因素对结果的的影响较大，但许多早期的实际工程中均采用此法，积累了大量经验，具有一定的可信度。

试验土样的准备步骤和测液限的步骤相同，此处不在赘述。取一小块试样，先用手搓成椭圆形，然后用手掌在毛玻璃板上轻轻滚搓。当土条搓至直径为3mm时，其产生裂缝并开始断裂，取断裂后的土条测试其含水率，则这时土条的含水量即为土的塑限含水量W_P。

各试验组液塑限随氧化石墨烯浓度变化如图3所示，通过对比可以发现，随着氧化石墨烯浓度的增大，液限逐渐增加，其中以氧化石墨烯浓度为0.8mg/ml的试验组最大，随后会有略微的下降，而塑限却无明显的变化，根据公式I_P＝W_L-W_P可得，在W_p不变的情况下，塑形指数I_P和W_L的变化趋势一致，也是在氧化石墨烯浓度为0.8mg/ml的时候达到最大值。塑性指数愈大，表明土的颗粒愈细，比表面积愈大，土的粘粒或亲水矿物(如蒙脱石)含量愈高，土处在可塑状态的含水量变化范围就愈大。

氧化石墨烯改变土体可塑性的机理，土的可塑性取决于土颗粒间结合水的性质，和自由水不同，结合水有一定的粘性、弹性、和抵抗剪切变形的能力。土壤具有可塑性，则说明土颗粒外层包裹着一定厚度的结合水膜。由于氧化石墨烯表面的含氧官能团在水溶液中会释放出H₊，自身则带有当量的负电荷，添加到土体后，氧化石墨烯会吸引土颗粒周围的阳离子，从而影响土壤颗粒之间的结合水的厚度，影响土体的液限和塑形指数。

3.2固结试验

由于土体颗粒间含有大量的孔隙，使得土体在一定压力的作用下体积会缩小，这种特性也就是土的压缩性，是评价地基承载能力的的重要指标，当地基土体为压缩性较高的软弱土时，容易造成上部建筑物的不均匀沉降，使其开裂倾斜甚至倒塌。

本次试验采用WG单杆固结仪测试各试验组的压缩特性，具体操作步骤及计算方法参见土工试验规程SL237-1999。各试验组测试如图4-6所示，图5为孔隙比e固结压力p之间的对数关系曲线，在浓度较低的时候，孔隙比e的值随氧化石墨烯浓度的增加而减小，当氧化石墨烯浓度超过0.8mg/ml，达到1.0mg/ml时，孔隙比e反而增加了。这是因为氧化石墨烯是二维纳米材料，能够填充土颗粒间的孔隙，降低土体孔隙比；另外，由于氧化石墨烯表面带有负电荷，增加土颗粒的电场强度，使土颗粒间的相互排斥力增大，导致土体孔隙比增大。

同样的，压缩系数也是描述物体压缩性大小的物理量，通常以不同的固结压力P为横坐标，相应的孔隙比e为纵坐标，绘制压缩试验所得的e-p曲线，如图6所示。在压力为p₁时候土体的孔隙比为e₁，当压力增至p₂时，土体的孔隙比变成了e₂，当P₁和P₂的差值不大时，可用线段来代替M₁M₂之间的曲线，用线段M₁M₂的斜率可以用来表示土在P₁到P₂压力范围的压缩性，其中压缩系数可以用小写字母a来表示，a的值越大则说明了土的体积越松散，压缩性愈高。

从图4中可以看出，压缩系数a的值与所施加压力的大小有关。在实际工程应用中常常采用100～200kPa压力范围内对应的压缩系数a_1-2来估计土的压缩性。

a_1-2<0.1MPa_-1属低压缩性土；

0.1MPa_-1≤a_1-2<0.5MPa-1属中压缩性土；

a_1-2≥0.5MPa-1属高压缩性土。

从图中可以看出，所有试验组中的土样均属于中压缩性土，而其中氧化石墨烯浓度为0.8mg/ml的试验组压缩系数最小，约为0.52左右，说明该试验组中的土样压缩性最小，和孔隙试验结果一致。

3.3电动电势

从双电层理论可以得出，当溶胶粒子在电场力作用下与介质做相对运动时，并非是溶胶粒子的单独移动，而是带着紧密层的溶胶粒子与扩散层间作相对移动，由此而产生的界面就是我们所说的滑动面，由于距离粒子表面的远近不同，滑动面和溶液本体间的电势也不相同，二者之间的电势差叫电动电势。对土而言，土颗粒表面通常带有负电荷，会在其周围形成一定强度的电场，吸引着周围的极性水分子，随着距离的增大，这种吸引力逐渐减小，在外加电场作用下，土颗粒和紧密层的水分子一起移动，并在扩散层中形成滑动面，从滑动面到水本体间的电势差既是土颗粒的电动电势。

土的电动电势也是评价土体性质的重要指标，因为电动电势的大小决定了土颗粒周围结合水膜的厚度，也决定了土的压实程度。若电动电势太小，则说明结合水膜较薄，土中水以强结合水为主，土颗粒间的摩擦力较大，难以发生相对移动，导致土体难以压实。若电动电势过大，则说明土中水除了结合水外，还含有大量的自由水，压实过程中孔隙水不易排出，压实困难。在合适的电动电势条件下，土颗粒周围有一定厚度的结合水膜，土颗粒间的摩擦力减小，颗粒调整难度降低，能够或得最佳的压实效果。

各试验组电动电势的测试结果如图7所示，和孔隙比的测试结果相同，在前5组试验中，随着氧化石墨烯浓度的增加，电动电势依次增大，说明了土颗粒间的水膜在逐渐增厚，但当氧化石墨烯浓度超过0.8mg/ml时，电动电势略微降低(图7)。

3.4抗剪强度

土体抗剪强度的大小是评价地基好坏最重要的指标，提高抗剪强度是各种地基处理方法的最终目的，但抗剪强度的大小受到土体种类，含水率，温度、地质条件等综合因素的影响。

本次试验采用TSZ-1B全自动三轴仪，在围压分别为50KPa，100KPa，150KPa条件下，测试不同氧化石墨烯浓度的试验组土体抗剪强度的大小，并根据测试结果绘制莫尔圆，计算出个试验组土体的粘聚力和内摩擦角的大小，测试参数和试验步骤与前文相同，此处不再详细阐述。具体测试结果如图8-9和表3所示。

对比原状土和掺入氧化石墨烯的试验组可以发现，氧化石墨烯的掺入可以显著提高土体的轴向应力，且随着氧化石墨烯浓度的增加，总体趋势增大，最大值出现在氧化石墨烯浓度为0.8mg/ml的试验组，最大提高幅度可以达到32％左右。根据不同围压条件下的测试结果，以(σ₁-σ₃)/2为半径，绘制三种相应的莫尔圆，并找出公切线即强度包络线，与Y轴的截距就是粘聚力C，与水平线的夹角也就是内摩擦角φ。从测得的数据中可以发现，和原状土比较，加入氧化石墨烯试验组的粘聚力均有所提高，其中提高幅度最大的为0.8mg/ml试验组，提高幅度达到了27.15％。而氧化石墨烯的加入对内摩擦角的影响却比较离散，没有一定的规律可循，故不再进行详细说明。

氧化石墨烯改善土的凝聚力C的机理如下：首先，氧化石墨烯被添加到土壤中后，大片层的氧化石墨烯可以将细小土颗粒包裹，形成一个新的整体，增强了土颗粒间的机械咬合力，减小了土颗粒间的相对滑动；其次，氧化石墨烯还可以填充土颗粒间的孔隙，增大其相互接触面积，增强土颗粒间的摩擦系数，提高土体抵抗剪切变形的能力(图10)。

表3各试验组粘聚力和内摩擦角

3.5微观结构

微观结构上的微小差异也会导致宏观性质的千差万别。为了更直观的分析氧化石墨烯的加固机理及在土中的状态，利用扫描电子显微镜(SEM)观察不同试验组土体的微观结构，如图11-16所示。从图中可以看出，原状土中土颗粒间排列疏松，空隙较大，而加入氧化石墨烯试验组中，土体中存在着许多的片层状物质，这很有可能就是片层状的氧化石墨烯。从图中个试验组土体微观结构的差别可以看出，氧化石墨烯的加入，有可能会包裹土体中的细微颗粒，使其形成一个新的整体，也可以填充土颗粒间的较大空隙，从而提高整个土体的抗剪强度。

4结论

为了进一步解释纳米材料加固土体的机理，了解其在土中所起到的作用，本次试验采用人工搅拌的方式将表面积相对较大的二维纳米材料-氧化石墨烯引入到土体中。通过对比分析原状土和不同氧化石墨烯浓度下液塑限、压缩性、电动电势、抗剪强度、微观结构等方面的变化，评估氧化石墨烯对土体的加固效果，推动纳米材料在地基加固领域的应用。

1)纳米材料-氧化石墨烯的加入可以显著提高土体的液限，但对塑限的影响却不大，从而导致塑性指数也随之提高，其中以氧化石墨烯浓度为0.8mg/ml的试验组提高幅度最大，可以达到26％。

2)土体中片层状较大的氧化石墨烯可能会包裹细小土颗粒，形成一个新的整体，增大土颗粒间的摩擦力，减小土颗粒间的相对滑动，提高土体抵抗滑移的能力。

3)片层状较小的氧化石墨烯可以有效填充土颗粒间的孔隙，提高土体密实度，降低压缩性，提高抗剪强度，其中氧化石墨烯浓度为0.8mg/ml的试验组粘聚力提高幅度达到了27.15％。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种软弱土加固处理的方法，其特征在于，在软弱土中注入氧化石墨烯或还原氧化石墨烯或石墨烯。

2.根据权利要求1所述的软弱土加固处理的方法，其特征在于，所述氧化石墨烯、还原氧化石墨烯和石墨烯的厚度均为0.35-4.0nm，单片氧化石墨烯、单片还原氧化石墨烯和单片石墨烯的长度均为5.0-30um。

3.根据权利要求1所述的软弱土加固处理的方法，其特征在于，所述软弱土是淤泥或淤泥质土或冲填土或杂填土。