張晨陽，喻永祥，閔 望，白玉霞，劉 瑾*，魏世杰，李明陽，何承宗

(1.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100；2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018；3.自然資源部國土(耕地)生態(tài)監(jiān)測與修復工程技術(shù)創(chuàng)新中心，江蘇 南京 2100018)

因砂性土具有結(jié)構(gòu)松散、粘性差、粘粒含量少的固有特性，極易引發(fā)各種地質(zhì)災害[1-2]。因此，對砂土進行改良一直以來都是科研人員十分關注的問題。改良砂土一般是在砂土中加入添加劑，以求增大土體強度。傳統(tǒng)的無機類添加劑(包括水泥、石灰、粉煤灰等)通過與土顆粒表面物質(zhì)進行反應，生成具有粘結(jié)作用的膠凝性物質(zhì)，進而固化土體，改善土體的強度[3-5]。然而以此類方法加固的砂土脆性強，易產(chǎn)生開裂，且加固后的砂土不利于植被生長。高分子固化劑作為一種新型的化學加固土體方法，具有經(jīng)濟、運輸便捷、使用方便、對環(huán)境影響小等優(yōu)點、成為了巖土工程領域的一個研究熱點。Bae等發(fā)現(xiàn)聚乙烯亞胺、聚丙烯酰胺和水性聚氧化乙烯對蒙脫石黏土礦物的粉塵污染具有較好的防治效果[6-7]。Rezaeimalek等通過室內(nèi)試驗研究了一種水分活化的液體聚合物對砂土強度的影響[8]。Marto 等研究了TX-85 and SH-85添加物對紅土工程特性與微觀結(jié)構(gòu)的影響[9]。Yang等通過老化試驗研究了一種新型固砂劑的老化性能[10]。莊峰等在水泥砂漿中加入丙烯酸改性聚醋酸乙烯酯乳液(聚合物乳液)，研究摻量對砂漿保水性、吸水率、黏結(jié)強度和壓折比的影響，發(fā)現(xiàn)在砂漿中加入適量的聚合物乳液，可以明顯改善砂漿性能[11]。董金梅等研究了聚丙烯酰胺和硅酸鈉改性粉土力學特性，并分析了改良機理[12]。諶文武等研究了高分子材料SH(改性聚乙烯醇)對土體的抗崩解能力、抗凍融循環(huán)能力等的改善作用[13]。王銀梅等利用SH型固化劑針對黃土進行改良并且得出結(jié)論，改良后的黃土抗剪強度增大、持水性增強、水穩(wěn)性提高[14-16]。劉瑾等人針對聚氨酯型固化劑改良的砂土進行了單孔、多孔滲透試驗，發(fā)現(xiàn)聚氨酯型固化劑可以提高砂土滲透能力[17-18]。上述研究表明，高分子聚合物可對砂土強度進行有效地提升。

本文采用水溶性聚合物加固砂土，通過直剪試驗，研究不同固化劑含量、養(yǎng)護時間及試樣干密度對砂土的影響，并結(jié)合高倍放大鏡及掃描電鏡對水溶性聚合物加固機理進行了深入分析。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

本試驗所用土樣取自新孟河常州武進區(qū)段，砂土風干并過 2 mm的篩后級配如圖1所示。砂土的最大、最小干密度分別為1.607和1.328 g/cm3，砂土的有效直徑d10為0.153 mm，不均勻系數(shù)Cu為1.451，曲率系數(shù)Cc為0.965。屬于級配不良砂土。

圖1 砂土的粒徑分布曲線Fig.1 The grain size distribution curve of sandy soil

試驗中所采用水溶性聚合物以聚氨酯預聚體為主要成分，預聚體端基帶有活躍的異氰酸基(-NCO)，其制備原料為二元醇混合物和甲苯二異氰酸酯。該固化劑遇水生成水凝膠，可包裹砂土顆粒，增加顆粒間的相互作用力，填充顆粒間的孔隙，從而改變砂土的工程特性，其基本物理特性如表1所示。水溶性聚合物為淺黃色黏稠狀液體，可以與水以任意比例互溶形成乳白色溶液，且溶液濃度越大，顏色越深、黏稠度越大，一段時間后形成固態(tài)彈性體，如圖2所示。

表1 水溶性聚合物基本參數(shù)

圖2 水溶性聚合物Fig.2 Water-soluble polymer

1.2 試驗方案

為研究固化劑含量在試驗中的影響，根據(jù)不同試驗的參數(shù)稱取干密度分別為1.35、1.40、1.45、1.5、1.55 g/cm3；選取的水溶性聚合物含量分別為0%、0.5%、1%、2%、3%、4%；養(yǎng)護時間分別為1、3、6、12、24、48、72 h。將固化劑與水進行混合攪拌至均勻，再將溶液倒入砂土中進行攪拌至均勻。將試樣倒入直徑61.8 mm的模具后壓實，制成高20 mm的圓餅狀見圖3，在室溫下養(yǎng)護相應的時間后進行直剪試驗。

圖3 直剪試樣Fig.3 Direct shear sample

1.3 試驗過程

試驗前，測量養(yǎng)護后的質(zhì)量，將試樣放入儀器后蓋透水石、加壓蓋，在100、200、300、400 kPa下分別對一組四個試樣進行直剪試驗，轉(zhuǎn)速12 r/min。轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一圈記錄一次鋼環(huán)讀數(shù)。

通過直剪試驗研究經(jīng)過固化劑加固后改良砂性土的剪切性能。使用ZJ型應變控制直剪儀，測量正應力(σ)分別為100、200、300、400 kPa下，剪切速率為12 r/min時的剪切應力-位移曲線?？辜魪姸?τ)定義為剪切曲線峰值。無峰值時，取剪切位移4 mm所對應的剪應力?？辜魪姸葏?shù)包括黏聚力(c)和內(nèi)摩擦角(φ)由庫侖抗剪強度定律計算，如公式(1)所示。

τn=σn×tanφ+c

(1)

其中τn(kPa)是剪切強度；σn(kPa)是法向應力；φ(°)是內(nèi)摩擦角；c(kPa)是黏聚力。黏聚力(c)和內(nèi)摩擦角(φ)反映了材料本身的強度特性，只隨材料的變化而變化。

試驗結(jié)束后根據(jù)鋼環(huán)讀數(shù)繪制應力應變曲線，讀取曲線的抗剪強度，計算各組試樣的黏聚力及摩擦角。

2 試驗結(jié)果分析及討論

2.1 固化劑含量的影響分析

為研究加入不同含量固化劑后砂土的固結(jié)強度，選取干密度為1.45 g/cm3加入固化劑含量分別為0%，0.5%，1%，2%，3%，4%的砂土，進行直接剪切試驗，荷載200 kPa的改良砂土試樣養(yǎng)護48 h后的應力-應變曲線如圖4所示。由圖4可知固含量為0%、0.5%時應力-應變曲線呈應力硬化型，對土體加固效果較差。固化劑含量達到1%之后，抗剪強度明顯增大，殘余強度略有增加。隨著軸向應力的增加，軸向應變在0%到4%時快速增加，之后趨于平緩，達到峰值后軸向應力開始下降，在軸向應變?yōu)?0%左右趨于穩(wěn)定，得到試樣的殘余強度。并且改良砂土試樣達到抗剪強度時的應變也逐漸增大，有軸向應變?yōu)?%增加到7%。由此可以證明固化劑的添加及固化劑含量的提高對砂土試樣的改良效果顯著。

圖4 荷載200 kPa改良砂土試樣應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curve of sand sample modified with 200 kPa load

圖5為養(yǎng)護6、48 h后改良砂土抗剪強度與固化劑含量關系曲線。如圖5所示，對于干密度和養(yǎng)護時間相同的改良砂土試樣，固化劑的使用可以明顯提高砂土試樣的抗剪強度，且其抗剪強度隨著固含量的增加而增大。對于養(yǎng)護48 h，荷載400 kPa下的改良砂土固化劑含量從0%以1%增幅增加到4%分別為227.9、327.3、420.4、430.6、441.9 kPa，對于砂土試樣的強化效果明顯。

此外，如圖5所示，在養(yǎng)護6 h的情況下，抗剪強度隨著試樣固含量的提升均勻提升。在養(yǎng)護48 h的情況下，固含量為0%～2%時試樣的抗剪強度增加速率高于固含量為2%～4%時，這是因為在養(yǎng)護初期(6 h)，由于時間較短，固化劑的高分子活性官能團與土顆粒表面的水并未充分反應，不能形成完整的彈性膜，固化劑的效果未完全發(fā)揮出來，對砂土的改良效果不明顯。而在養(yǎng)護一段時間，固化劑相對凝固后，隨著固化劑含量的提升，在固含量為0%～2%時加固效果明顯提升，固含量超過2%之后固化劑所起的加固效果明顯衰減。可見對于此種砂土存在最優(yōu)固化劑含量。

圖5 固化劑含量對抗剪強度的影響Fig.5 Effect of curing agent on shear strength

表2為6種固含量改良砂土在養(yǎng)護6、48 h后，所得黏聚力及內(nèi)摩擦角。圖6為養(yǎng)護6、48 h后，改良砂土試樣的黏聚力及內(nèi)摩擦角與固含量的關系曲線。

如圖6所示，對于干密度和養(yǎng)護時間相同的改良砂土試樣，固化劑含量的提升試樣黏聚力明顯提高。結(jié)合表2及圖6可知，養(yǎng)護6 h固化劑含量為4%的試樣黏聚力比0%的提升70.85 kPa，約89倍；養(yǎng)護48 h固化劑含量為0.5%的試樣黏聚力比0%的提升161.48 kPa，約7.3倍。說明固化劑對試樣黏聚力有明顯地提升。由圖6可知，養(yǎng)護6 h試樣黏聚力隨固化劑含量的增大增長速率略有上升，但相較于養(yǎng)護48 h增長速率較小。同樣是因為養(yǎng)護6 h的固化劑未完全發(fā)揮作用，對黏聚力的強化作用有限。養(yǎng)護48 h試樣在固化劑含量0%～2%有大幅度提升，固化劑含量在2%～4%時增長幅度較小，說明對此類砂土的黏聚力而言也存在最優(yōu)固含量。

表2 不同固化劑含量下改良砂土試樣的黏聚力及內(nèi)摩擦角

圖6 黏聚力及內(nèi)摩擦角與固含量的關系曲線Fig.6 The relation curve of cohesion and internal friction angle with curing agent content

養(yǎng)護6 h和48 h試樣的內(nèi)摩擦角均在固化劑含量為3%～4%時明顯下降。說明固化劑含量超過3%之后對試樣中砂土顆粒的包裹過飽和，致使存在多余的固化劑充填于砂土顆粒之間，使顆粒與顆粒的接觸減小，內(nèi)摩擦角減小。

2.2 養(yǎng)護時間的影響分析

為研究加入固化劑養(yǎng)護不同時間后砂土的固結(jié)強度，選取干密度1.45 g/cm3加入0%、1%、3%固化劑后養(yǎng)護時間分別為1、3、6、12、24、48、72 h的改良砂土，進行直接剪切試驗。

圖7 為固化劑含量為0%、1%、3%的改良砂土抗剪強度與養(yǎng)護時間關系曲線。由圖7可以看出，在固化劑含量為0%時的砂土試樣在養(yǎng)護時間從1 h到6 h的抗剪強度不斷增大，6 h之后抗剪強度幾乎不變。說明此類砂土在養(yǎng)護6 h后試樣水分基本揮發(fā)完，砂土抗剪強度不再隨時間改變而改變。

圖7 養(yǎng)護時間對抗剪強度的影響Fig.7 Effect of curing time on shear strength

固化劑含量為1%的改良砂土試樣同樣也在養(yǎng)護1 h到6 h期間抗剪強度不斷增大，在6 h到12 h期間，抗剪強度沒有明顯地增大，12 h之后抗剪強度繼續(xù)增大，但增長幅度明顯小于1 h到6 h抗剪強度增長量。

表3為改良砂土試樣養(yǎng)護不同時間后，所測得的黏聚力及內(nèi)摩擦角。圖8為改良砂土試樣的黏聚力及內(nèi)摩擦角與養(yǎng)護時間的關系曲線。

由表3及圖8可知，固化劑含量0%試樣的黏聚力幾乎不變，固化劑含量1%，養(yǎng)護72 h后的改良砂土試樣的黏聚力比養(yǎng)護1 h提高了129.84 kPa，約37.87倍；固化劑含量3%，養(yǎng)護72 h后的改良砂土試樣的黏聚力比養(yǎng)護1 h提高了167.01 kPa，約5倍。由此可以看出，固化劑的添加使得砂土黏聚力有了明顯地提高。

表3 不同養(yǎng)護時間下改良砂土試樣的黏聚力及內(nèi)摩擦角

圖8 黏聚力及內(nèi)摩擦角與養(yǎng)護時間的關系曲線Fig.8 The relation curve of cohesion and internal friction angle with curing time

同時，由圖8可以看出固化劑含量為1%試樣黏聚力不斷增大，且增長幅度不斷升高。固含量為3%的試樣黏聚力在6 h到24 h基本不變。是因為固化劑的添加使得試樣黏聚力提升，固含量為1%的試樣固化劑相對較少，發(fā)揮作用較快；而固含量為3%的試樣固化劑相對較多，砂土顆粒間固化劑數(shù)量較多，需要更長時間發(fā)揮作用。

另外，隨著時間的推移，砂土試樣的內(nèi)摩擦角都有所提升，固含量為0%及1%的砂土試樣在養(yǎng)護12 h后內(nèi)摩擦角便基本不變，固含量1%的砂土試樣內(nèi)摩擦角基本大于固含量為0%的砂土試樣內(nèi)摩擦角。固含量為3%的砂土試樣內(nèi)摩擦角在1 h到12 h均低于其他兩項，24 h后明顯大于其他兩項，是因為固化劑中水分未完全揮發(fā)時的固化劑對砂土試樣的顆粒仍有潤滑作用，反而降低了試樣的內(nèi)摩擦角，隨著時間的推移，固化劑中水分揮發(fā)，固化劑發(fā)揮作用，使得內(nèi)摩擦角提升。固化劑含量越高，開始發(fā)揮作用的時間也越晚，所以固含量為3%的改良砂土試樣在1 h到12 h持續(xù)低于固含量為0%的砂土試樣。

2.3 試樣干密度的影響分析

為研究加入不同干密度砂土加入固化劑后的固結(jié)強度，選取干密度分別為1.35、1.40、1.45、1.5、1.55的砂土分別加入含量0%、1%、3%的固化劑養(yǎng)護48 h后，進行直接剪切試驗。

圖9為不同干密度的改良砂土試樣，固含量為0%、1%、3%養(yǎng)護48 h后的抗剪強度。由圖9可以看出對于固化劑含量0%的試樣，抗剪強度隨著干密度增大有小幅度增大，改良試樣的抗剪強度隨著干密度的增大而波動上升，對于固含量為1%的改良砂土試樣，干密度為1.45 g/cm3時對砂土的加固效果較好；對于固含量為3%的改良砂土試樣，干密度為1.45 g/cm3時對砂土的加固效果較差。

圖9 干密度對抗剪強度的影響Fig.9 Effect of dry density on shear strength

表4為不同干密度的砂土加入0%、1%、3%的固化劑養(yǎng)護48 h后，進行直剪試驗所測得不同壓強下的黏聚力及內(nèi)摩擦角。圖10為固化劑含量為0%、1%、3%，養(yǎng)護48 h后改良砂土的黏聚力及內(nèi)摩擦角與干密度的關系曲線。

結(jié)合表4及圖10可以看出，隨著干密度的增

表4 不同干密度下改良砂土試樣的黏聚力及內(nèi)摩擦角

圖10 黏聚力及內(nèi)摩擦角與干密度關系曲線Fig.10 The relation curve of cohesion and internal friction angle with dry density

大試樣的黏聚力及內(nèi)摩擦角均有一定程度地增大，其中固化劑含量0%的試樣黏聚力幾乎不變；固化劑含量1%的試樣黏聚力增幅較??；固化劑含量3%的試樣黏聚力在干密度1.45 g/cm3時較小。由此可以看出，試樣干密度的增加對試樣黏聚力增強有一定效果，對于固含量為3%的改良砂土試樣，干密度在1.45 g/cm3時的黏聚力效果不佳。另外，對于砂土試樣的內(nèi)摩擦角，隨著干密度的增加波動上升，改良砂土內(nèi)摩擦角均在干密度1.45 g/cm3時最高。

3 機理分析

水溶性聚合物為一種聚合物，由于所擁有的親水基團長鏈使得其可以與水進行任意比例地混合互溶，反應過后的溶液容易與砂土進行混合，經(jīng)過攪拌均勻后一部分溶液包裹砂土顆粒，另一部分溶液填充于砂土空隙。而經(jīng)過一段時間的養(yǎng)護，試樣中的水分逐漸揮發(fā)，固化劑溶液逐漸凝固成固態(tài)，更牢固地包裹住砂土，使得試樣的黏聚力及內(nèi)摩擦角大幅度提高。圖11為固含量4%，養(yǎng)護48 h后剪切破壞的試樣及其破壞面放大135倍后的部分截圖。從圖11可以看出加入固化劑后直剪試樣剪切面與上下底面存在夾角，破壞面不平整，說明固化劑的添加對砂土試樣起到加固作用。從放大截圖中可以看出，固化劑包裹砂土顆粒并形成相互聯(lián)系的彈性黏膜，從而形成一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，減小了砂土之間的空隙，增強了試樣的黏聚力。

圖11 改良砂土試樣及放大135倍后部分截圖Fig.11 The improved sand sample with the screenshot after 135 times magnification

圖12為改良砂土的掃描電鏡圖片，從圖12中可以看出，固化劑可以很好地包裹砂土顆粒，使砂土顆粒間存在緊密的聯(lián)系，顆粒之間的彈性黏膜可以很好地固定顆粒的位置，使試樣的強度得到提高。

圖12 改良砂土的掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.12 Scanning electron microscope photograph of improved sand

固化劑含量越高，砂土的顆粒之間膠結(jié)地也更為牢靠。對于低含量的試樣，固化劑的有無及多少占主導地位，若存在固化劑，且固化劑越多，顆粒的膠結(jié)情況就越好。隨著固化劑含量提高，固化劑更多填充于顆粒間的孔隙，對抗剪強度的增強作用不大，從而出現(xiàn)增強幅度不大的現(xiàn)象。而固化劑含量再次增加使得顆粒間相互接觸的地方也被固化劑填充，形成固化劑包裹顆粒的狀態(tài)，從而使得試樣抗剪強度再次提高。同時，試樣的黏聚力及內(nèi)摩擦角也得到提升。

養(yǎng)護時間越長，試樣中的水分揮發(fā)就越多。在最開始的幾個小時內(nèi)水分揮發(fā)使得固化劑溶液固結(jié)成固態(tài)，使試樣抗剪強度、黏聚力及內(nèi)摩擦角迅速提高，隨著時間推移，試樣外側(cè)水分逐漸揮發(fā)完全，內(nèi)部水分揮發(fā)越來越慢，試樣的抗剪強度增幅也就越來越小，內(nèi)摩擦角基本不再改變，24 h后內(nèi)部水分幾乎揮發(fā)完全，試樣整體的抗剪強度及黏聚力再次大幅提高。

試樣干密度的增加使得同樣體積內(nèi)顆粒的數(shù)目增多，顆粒與顆粒之間排列更為緊密，固化劑相同的情況下可以更好地包裹顆粒，并在顆粒之間形成更為牢靠的彈性黏膜，使得顆?？辜魪姸?，黏聚力及內(nèi)摩擦角都有一定程度地提高。

4 結(jié)論

本文使用水溶性聚合物對砂土進行加固，通過直接剪切試驗研究了固化劑含量，養(yǎng)護時間及試樣干密度對試樣抗剪強度的影響，得出以下結(jié)論：

1)固化劑對砂土的剪切強度有顯著的作用，可以大幅度提高砂土的抗剪強度、黏聚力及內(nèi)摩擦角，并且隨著固化劑含量的提高而不斷提高，試樣黏聚力最高可達183.52 kPa；固化劑含量在1%～2%范圍附近對試樣抗剪強度有明顯提升，之后隨著固化劑含量的提升，抗剪強度增幅減緩。

2)養(yǎng)護時間增加對剪切強度的提高也有顯著地影響，在最開始的幾個小時內(nèi)隨著時間的推移，試樣的抗剪強度黏聚力及內(nèi)摩擦角有大幅度提升，之后試樣的抗剪強度增幅減慢，內(nèi)摩擦角基本不再改變，至試樣內(nèi)水分揮發(fā)完全后試樣的抗剪強度及黏聚力達到最大。試樣黏聚力最高可達200.19 kPa。

3)試樣的剪切強度隨試樣的干密度呈波動上升關系，干密度越大試樣的抗剪強度、黏聚力及內(nèi)摩擦角越強。

4)水溶性聚合物溶液在砂土中形成的彈性黏膜包裹砂粒，填充砂土空隙，進而增強土顆粒間的相互作用，進而強化試樣的抗剪強度、黏聚力及內(nèi)摩擦角。