李中堯， 李文煒， 史海平， 趙哲葦， 王保田， 王培清*

(1.西藏農牧學院水利土木工程學院， 林芝 860000； 2.河海大學， 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室， 南京 210098； 3.河海大學， 江蘇省巖土工程技術工程研究中心， 南京 210098)

土體改良技術已廣泛應用于中國道路工程、水利工程、邊坡治理工程等領域，摻加改良劑可以有效改善土體的工程性質，但目前常采用水泥石灰等傳統(tǒng)膠結材料進行土體灌漿加固[1-3]，此類材料會破壞當?shù)厣鷳B(tài)條件，越來越多的研究人員開始研究環(huán)保型高分子聚合物改良土體的可能性。陳青生等[4]認為高聚物主要通過影響?zhàn)ぞ哿砀淖兛辜魪姸?，對內摩擦角的影響十分有限，高聚物主要包裹在顆粒表面或填充于顆粒之間，使土體的抗剪強度明顯增長。陳志昊等[5]使用聚氨酯型固化劑加聚丙烯纖維改良砂土，認為高分子固化劑與水反應形成固化膜包裹砂土顆粒以及纖維，形成一種穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡膜結構，提高改良土的強度。劉瑾等[6-7]使用聚氨酯型固化劑改良砂土，得出結論改良砂土的黏聚力隨固化劑含量和干密度的增大而增加。王銀梅等[8-9]采用蘭州大學研制的改性聚乙烯醇和水泥分別對黃土進行加固，得出高分子材料的性能更為優(yōu)越。胡乾亮等[10]認為固化劑SH摻入后，黃土的液塑限、塑限指數(shù)均明顯增大，但液限、塑性指數(shù)隨摻量的增加先增后減,固化黃土持水特性強，水穩(wěn)定性高。諶文武等[11]發(fā)現(xiàn)經(jīng)SH滲透加固后的遺址土抗崩解能力大大提高，SH能夠抑制水分向土體上部遷移。Kukal等[12]研究了聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)濃度對天然土壤團聚體水穩(wěn)定性的影響，認為PVA的水穩(wěn)定性隨著PVA用量的增加而提高，0.1%的PVA施用量即可以提高侵蝕地土壤的水穩(wěn)定性。田暉等[13]采用掃描電鏡分別對干濕和凍融循環(huán)后的試樣進行檢測，結果表明：干濕和凍融循環(huán)對土的微觀結構有較大影響。葉萬軍等[14]認為干濕循環(huán)可使土體孔隙結構增大導致土體結構松散產生裂縫，顆粒間摩擦力及承載力降低。吳燕開等[15]認為干濕循環(huán)對于土體的劣化主要集中在前期，其中第一次干濕循環(huán)可使無側限抗壓強度下降50%。力乙鵬等[16]分析了無機類、離子類、有機類和生物酶類四種不同類別土壤固化劑的固化機理，認為有機類高分子固化劑具有良好應用前景。高分子聚合物固化土壤后，土壤的礦物成分未發(fā)生改變，聚合物有效填充了土顆粒間的孔隙，在土壤中形成了彈性立體絲網(wǎng)，使土體強度增加。陳學軍等[17]、張濤等[18]認為生物質改良材料能夠提高土體的整體結構性。王緒民等[19]認為改良材料沉積在顆粒接觸處或填充在孔隙中形成“膠結橋”，產生膠結效果而增強試樣的力學性能。

近年來，隨著全球氣候變暖的不斷加劇，世界范圍內惡劣天氣尤其是暴雨天氣頻發(fā)。西藏地區(qū)林芝、波密、墨脫等地公路發(fā)生了多次由于強降雨天氣引發(fā)的自然災害，強降雨不僅侵蝕邊坡淺層土體，同時也會抬升藏東南地區(qū)雅魯藏布江、尼洋河、帕隆藏布江等多條河流的水位，加速河流對邊坡土體的侵蝕，導致土壤失穩(wěn)[20-21],嚴重影響了當?shù)氐慕煌ㄇ闆r和旅游發(fā)展，現(xiàn)以高分子聚合物改良劑聚乙烯醇為研究對象，通過干濕循環(huán)、浸水試驗和無側限抗壓強度試驗，研究聚乙烯醇摻量對黏土的改良效果以及在干濕循環(huán)及浸水試驗下的水穩(wěn)定性，利用掃描電鏡研究聚乙烯醇改良黏土的固化機理。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

試驗用土[圖1(a)]取自西藏林芝市尼洋河畔比日神山，取土深度1.0～1.5 m，經(jīng)過風干、粉碎、過篩后根據(jù)《土工試驗方法標準》進行擊實試驗、顆粒分析、液塑限試驗，其結果匯總于圖2、表1。根據(jù)《土工試驗方法標準》GB/T 50123—2019中對細粒土的分類，屬于低液限黏土。

表1 黏土基本性質

圖1 試驗材料

圖2 粒徑曲線

采用聚乙烯醇(PVA)[圖1(b)]作為低液限黏土的改良劑，該改良劑無毒且生態(tài)環(huán)保，對環(huán)境不會造成災難性影響，可作為高原黏土改良固化的添加材料。聚乙烯醇為皖維PVA-20-99(H)，產品為白色絮狀物，黏度34.0～42.0 mPa·s，醇解度98.5%～100%，揮發(fā)分5%，灰分0.5%，pH=5～7，不溶于冷水，溶于沸水，溶液黏度高，可與水稀釋，脫水干燥后依舊不溶于冷水。

1.2 試驗方案

1.2.1 試樣制作

待取樣土體風干后，過2 mm直徑篩，依據(jù)擊實試驗所得素土最優(yōu)含水率摻入聚乙烯醇溶液，試驗方案見表2，摻加聚乙烯醇干物質為0.42%、0.83%、1.25%、1.67%，制樣直徑50 mm，高度100 mm。每種配比制備29個試樣，每個試樣設置1個平行試樣，避免試驗誤差。試樣制備完成后靜置1 d，待含水率均勻后放入恒溫恒濕養(yǎng)護箱進行養(yǎng)護7 d。養(yǎng)護齡期結束后取出試樣，進行干濕循環(huán)試驗、浸水試驗和同齡期養(yǎng)護，每種配比取一個試樣保留，用于后續(xù)的掃描電鏡實驗(scanning electron microscope，SEM)，其余試樣使用圖3所示三軸試驗機進行無側限壓縮試驗，加載速率為1 mm/min。

表2 試驗方案

圖3 試驗用三軸試驗機

1.2.2 干濕循環(huán)與浸水試驗

干濕循環(huán)由飽和及風干兩個過程構成，試樣的飽和過程如下。

(1)在容器底部放置透水石后向容器加水至水面與透水石等高，將養(yǎng)護完成的試樣置于透水石上。

(2)逐步加水至試樣完全淹沒在水中，在試樣頂部放置透水石。

(3)每隔2 h向容器中添加一定量的水，保持容器中水位不變。

(4)飽和12 h后將試樣取出進行稱重。

風干過程如下。

(1)將浸水飽和后的試樣放置于烘箱中，烘箱設置為40 ℃。

(2)風干過程中每隔4 h對試樣進行稱重，以確保含水率能夠達到試驗要求。

(3)當含水率與干濕循環(huán)前一致后，停止風干。

浸水試驗不進行失水過程，浸水3、5、7、10 d后風干，以模擬比干濕循環(huán)更久浸水過程，風干后進行無側限抗壓強度試驗。

2 結果分析

2.1 聚乙烯醇對無側限抗壓強度的影響

無側限抗壓強度如圖4所示，其中素土7 d僅為160 kPa，隨著聚乙烯醇摻加量從0增加至1.67%，改良土的無側限抗壓強度從160 kPa上升至1 003.31 kPa，這主要是因為聚乙烯醇的加入增加了黏聚力，聚乙烯醇形成的彈性立體絲網(wǎng)具有很高的抗拉強度，使改良土的無側限抗壓強度具有很大提高。當聚乙烯醇摻量為0.4%時，7 d無側限抗壓強度僅為254.65 kPa，提升不明顯，是因為聚乙烯醇摻量少，無法形成完整的彈性立體絲網(wǎng)發(fā)揮強度，土樣中水的潤滑作用與土樣自身性質為主要控制因素，隨著聚乙烯醇加入量的上升，聚乙烯醇形成的網(wǎng)狀結構逐漸完整，聚乙烯醇發(fā)揮的作用也越發(fā)明顯，當摻加量從0.42%提高至0.83%時，試樣7 d無側限抗壓強度為662.08 kPa，提升最明顯，此時聚乙烯醇形成的網(wǎng)狀結構已經(jīng)開始起主要作用，而之后隨著聚乙烯醇摻量的增加試樣無側限抗壓強度增加量下降如圖5所示。

圖4 不同PVA摻量下應力應變曲線

圖5 不同PVA摻量峰值強度

2.2 干濕循環(huán)對聚乙烯醇改良黏土的影響

在降雨頻繁地區(qū)，路基邊坡與山體邊坡都會受到降雨的反復沖刷，經(jīng)歷多次干濕循環(huán)過程，干濕循環(huán)過程會帶走土體中部分顆粒，改變土體穩(wěn)定性，使土體出現(xiàn)失穩(wěn)，試驗中素土試樣浸水即崩解。

不同PVA摻量下無側限抗壓強度隨干濕循環(huán)次數(shù)變化如圖6所示，可以看出，改良土在干濕循環(huán)中強度下降主要集中在第1次干濕循環(huán)，7 d養(yǎng)護后試樣浸水12 h至飽和，而后經(jīng)歷40 h風干后，試樣表面出現(xiàn)干縮裂縫，如圖7(a)所示，在加載過程中沿細微裂縫出現(xiàn)明顯破壞裂縫，如圖7(b)所示，無側限抗壓強度出現(xiàn)明顯降低，干縮裂縫是因為聚乙烯醇凝膠在干燥的過程中失水會導致體積的收縮，并且在收縮的過程中會緊貼于土顆粒表面，使土顆粒排列更緊密，這個過程中會使試樣整體體積出現(xiàn)收縮，進而出現(xiàn)干縮裂縫，干縮裂縫的出現(xiàn)是試樣無側限抗壓強度降低的主要原因，而第一次干濕循環(huán)后試樣中土顆粒排列已經(jīng)接近致密，干燥后的聚乙烯醇不會再次溶于水，會阻止干濕循環(huán)對土體的進一步劣化，土體因干濕循環(huán)造成的劣化進一步發(fā)展的趨勢會變緩。

圖6 干濕循環(huán)次數(shù)-無側限抗壓強度

圖7 試驗典型圖片

2.3 干濕循環(huán)與浸水試驗

1次干濕循環(huán)結束后，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，改良土的無側限抗壓強度降低不明顯，未改良素土試樣浸水后崩解，而0.83%聚乙烯醇改良后浸水3個月不發(fā)生崩解，可以看出聚乙烯醇改良有效地抑制了浸水對改良土抗壓強度的劣化作用，即聚乙烯醇改良黏土具有良好的水穩(wěn)性。浸水試樣的無側限抗壓強度如圖8略低于干濕循環(huán)試樣，由于養(yǎng)護7 d后試樣中部分聚乙烯醇沒有干燥發(fā)揮強度，仍然以凝膠的形式存在于試樣中，浸水后以凝膠狀態(tài)存在的聚乙烯醇仍然會吸水，導致試樣重量持續(xù)增加，聚乙烯醇凝膠會通過孔隙溶于水，而干濕循環(huán)組試樣經(jīng)歷第1次干濕循環(huán)后表層含水率很低，聚乙烯醇已經(jīng)脫水形成包裹于土顆粒上的固化膜，會阻止水分進入土樣內部，并且脫水形成的立體絲網(wǎng)結構會提供強度，導致干濕循環(huán)組試樣比同時長的浸水組試樣風干后強度高。

圖8 浸水天數(shù)-無側限抗壓強度

2.4 水穩(wěn)系數(shù)

采用相同試驗條件下聚乙烯醇改良黏土干濕循環(huán)試件無側限抗壓強度與同齡期養(yǎng)護試件無側限抗壓強度的比值定義為水穩(wěn)系數(shù)評價改良土水穩(wěn)定性。

定義η=qt/qf為水穩(wěn)定系數(shù)。其中，qt為聚乙烯醇改良土干濕循環(huán)試件無側限抗壓強度。qf為同齡期養(yǎng)護條件下不浸水試件無側限抗壓強度。

隨著干濕循環(huán)的進行，聚乙烯醇改良土的水穩(wěn)系數(shù)逐步下降如圖9所示，原因有兩點：一是干濕循環(huán)使土壤出現(xiàn)劣化使無側限抗壓強度下降，二是同齡期養(yǎng)護的試樣強度仍有部分上升，使比值降低。干濕循環(huán)十次后水穩(wěn)系數(shù)仍然有0.63左右，0.83%摻量的改良土無側限抗壓強度為490.08 kPa。

圖9 PVA摻量0.83%下水穩(wěn)系數(shù)

2.5 加固機理分析

為探究PVA改良后土體結構的變化，本文中選取素土和7 d齡期、PVA摻量0.83%下的試樣，使用掃描電子顯微鏡對其進行微結構變化特征測試分析，如圖10所示。從圖10(a)中可以看出，未經(jīng)PVA改良的素土試樣土顆粒分明，顆粒之間具有明顯的邊界。圖10(b)中PVA改良土中可以明顯看出PVA形成的膠結作用填充了顆粒之間的縫隙并互相聯(lián)接，圖10(c)中可以看出單個顆粒表面有絮狀物質包裹，PVA形成的網(wǎng)狀結果均勻地分布于土顆粒之間且互相聯(lián)接，限制土顆粒的移動，使土體形成穩(wěn)定結構。

圖10 SEM照片

3 結論

(1)聚乙烯醇可以有效提高黏土的無側限抗壓強度，隨著摻加量的增加，改良土無側限抗壓強度越大，但無側限抗壓強度的增長趨勢變緩，考慮經(jīng)濟因素，最佳摻量為強度增長最明顯的0.83%，此時試樣7 d無側限抗壓強度為662.08 kPa，為素土160 kPa的4倍以上。

(2)改良土具有良好的水穩(wěn)性，在最優(yōu)摻加量0.83%下，經(jīng)歷10次干濕循環(huán)，無側限抗壓強度為490.08 kPa，仍有7 d強度的74%，同齡期養(yǎng)護強度的63%，且經(jīng)歷1次干濕循環(huán)之后，后續(xù)的干濕循環(huán)對強度的影響不明顯，試樣重量也沒有明顯降低。

(3)若聚乙烯醇在土樣中沒有完全脫水干燥，沒干燥的部分聚乙烯醇凝膠仍然會吸水溶解，導致試樣強度降低。

(4)聚乙烯醇可以有效填充土顆粒之間的孔隙，形成不溶于水的網(wǎng)狀結構，與土顆?；ハ嗦?lián)接限制土顆粒的位移，以此增強土體的穩(wěn)定性。