聚乙烯醇改良高原黏土水穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究

李中堯， 李文煒， 史海平， 趙哲葦， 王保田， 王培清*

(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院， 林芝 860000； 2.河海大學(xué)， 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210098； 3.河海大學(xué)， 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心， 南京 210098)

土體改良技術(shù)已廣泛應(yīng)用于中國道路工程、水利工程、邊坡治理工程等領(lǐng)域，摻加改良劑可以有效改善土體的工程性質(zhì)，但目前常采用水泥石灰等傳統(tǒng)膠結(jié)材料進(jìn)行土體灌漿加固[1-3]，此類材料會(huì)破壞當(dāng)?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(rèn)為高聚物主要通過影響?zhàn)ぞ哿砀淖兛辜魪?qiáng)度，對(duì)內(nèi)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(qiáng)度明顯增長(zhǎng)。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(rèn)為高分子固化劑與水反應(yīng)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(luò)膜結(jié)構(gòu)，提高改良土的強(qiáng)度。劉瑾等[6-7]使用聚氨酯型固化劑改良砂土，得出結(jié)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(xué)研制的改性聚乙烯醇和水泥分別對(duì)黃土進(jìn)行加固，得出高分子材料的性能更為優(yōu)越。胡乾亮等[10]認(rèn)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(qiáng)，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(duì)天然土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性的影響，認(rèn)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(duì)干濕和凍融循環(huán)后的試樣進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明：干濕和凍融循環(huán)對(duì)土的微觀結(jié)構(gòu)有較大影響。葉萬軍等[14]認(rèn)為干濕循環(huán)可使土體孔隙結(jié)構(gòu)增大導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)松散產(chǎn)生裂縫，顆粒間摩擦力及承載力降低。吳燕開等[15]認(rèn)為干濕循環(huán)對(duì)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(cè)限抗壓強(qiáng)度下降50%。力乙鵬等[16]分析了無機(jī)類、離子類、有機(jī)類和生物酶類四種不同類別土壤固化劑的固化機(jī)理，認(rèn)為有機(jī)類高分子固化劑具有良好應(yīng)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(qiáng)度增加。陳學(xué)軍等[17]、張濤等[18]認(rèn)為生物質(zhì)改良材料能夠提高土體的整體結(jié)構(gòu)性。王緒民等[19]認(rèn)為改良材料沉積在顆粒接觸處或填充在孔隙中形成“膠結(jié)橋”，產(chǎn)生膠結(jié)效果而增強(qiáng)試樣的力學(xué)性能。

近年來，隨著全球氣候變暖的不斷加劇，世界范圍內(nèi)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(qiáng)降雨天氣引發(fā)的自然災(zāi)害，強(qiáng)降雨不僅侵蝕邊坡淺層土體，同時(shí)也會(huì)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(duì)邊坡土體的侵蝕，導(dǎo)致土壤失穩(wěn)[20-21],嚴(yán)重影響了當(dāng)?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(duì)象，通過干濕循環(huán)、浸水試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究聚乙烯醇摻量對(duì)黏土的改良效果以及在干濕循環(huán)及浸水試驗(yàn)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(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)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(fēng)干、粉碎、過篩后根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)、顆粒分析、液塑限試驗(yàn)，其結(jié)果匯總于圖2、表1。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50123—2019中對(duì)細(xì)粒土的分類，屬于低液限黏土。

表1 黏土基本性質(zhì)

圖1 試驗(yàn)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(duì)環(huán)境不會(huì)造成災(zāi)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(chǎn)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(yàn)方案

1.2.1 試樣制作

待取樣土體風(fēng)干后，過2 mm直徑篩，依據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)所得素土最優(yōu)含水率摻入聚乙烯醇溶液，試驗(yàn)方案見表2，摻加聚乙烯醇干物質(zhì)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(gè)試樣，每個(gè)試樣設(shè)置1個(gè)平行試樣，避免試驗(yàn)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(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)7 d。養(yǎng)護(hù)齡期結(jié)束后取出試樣，進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)、浸水試驗(yàn)和同齡期養(yǎng)護(hù)，每種配比取一個(gè)試樣保留，用于后續(xù)的掃描電鏡實(shí)驗(yàn)(scanning electron microscope，SEM)，其余試樣使用圖3所示三軸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無側(cè)限壓縮試驗(yàn)，加載速率為1 mm/min。

表2 試驗(yàn)方案

圖3 試驗(yàn)用三軸試驗(yàn)機(jī)

1.2.2 干濕循環(huán)與浸水試驗(yàn)

干濕循環(huán)由飽和及風(fēng)干兩個(gè)過程構(gòu)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(hù)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(jìn)行稱重。

風(fēng)干過程如下。

(1)將浸水飽和后的試樣放置于烘箱中，烘箱設(shè)置為40 ℃。

(2)風(fēng)干過程中每隔4 h對(duì)試樣進(jìn)行稱重，以確保含水率能夠達(dá)到試驗(yàn)要求。

(3)當(dāng)含水率與干濕循環(huán)前一致后，停止風(fēng)干。

浸水試驗(yàn)不進(jìn)行失水過程，浸水3、5、7、10 d后風(fēng)干，以模擬比干濕循環(huán)更久浸水過程，風(fēng)干后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 結(jié)果分析

2.1 聚乙烯醇對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(cè)限抗壓強(qiáng)度從160 kPa上升至1 003.31 kPa，這主要是因?yàn)榫垡蚁┐嫉募尤朐黾恿损ぞ哿?，聚乙烯醇形成的彈性立體絲網(wǎng)具有很高的抗拉強(qiáng)度，使改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度具有很大提高。當(dāng)聚乙烯醇摻量為0.4%時(shí)，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度僅為254.65 kPa，提升不明顯，是因?yàn)榫垡蚁┐紦搅可伲瑹o法形成完整的彈性立體絲網(wǎng)發(fā)揮強(qiáng)度，土樣中水的潤滑作用與土樣自身性質(zhì)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(jié)構(gòu)逐漸完整，聚乙烯醇發(fā)揮的作用也越發(fā)明顯，當(dāng)摻加量從0.42%提高至0.83%時(shí)，試樣7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為662.08 kPa，提升最明顯，此時(shí)聚乙烯醇形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(cè)限抗壓強(qiáng)度增加量下降如圖5所示。

圖4 不同PVA摻量下應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5 不同PVA摻量峰值強(qiáng)度

2.2 干濕循環(huán)對(duì)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(huì)受到降雨的反復(fù)沖刷，經(jīng)歷多次干濕循環(huán)過程，干濕循環(huán)過程會(huì)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(yàn)中素土試樣浸水即崩解。

不同PVA摻量下無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(qiáng)度下降主要集中在第1次干濕循環(huán)，7 d養(yǎng)護(hù)后試樣浸水12 h至飽和，而后經(jīng)歷40 h風(fēng)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(xì)微裂縫出現(xiàn)明顯破壞裂縫，如圖7(b)所示，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)明顯降低，干縮裂縫是因?yàn)榫垡蚁┐寄z在干燥的過程中失水會(huì)導(dǎo)致體積的收縮，并且在收縮的過程中會(huì)緊貼于土顆粒表面，使土顆粒排列更緊密，這個(gè)過程中會(huì)使試樣整體體積出現(xiàn)收縮，進(jìn)而出現(xiàn)干縮裂縫，干縮裂縫的出現(xiàn)是試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(huì)再次溶于水，會(huì)阻止干濕循環(huán)對(duì)土體的進(jìn)一步劣化，土體因干濕循環(huán)造成的劣化進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)會(huì)變緩。

圖6 干濕循環(huán)次數(shù)-無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖7 試驗(yàn)典型圖片

2.3 干濕循環(huán)與浸水試驗(yàn)

1次干濕循環(huán)結(jié)束后，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(gè)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(duì)改良土抗壓強(qiáng)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(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖8略低于干濕循環(huán)試樣，由于養(yǎng)護(hù)7 d后試樣中部分聚乙烯醇沒有干燥發(fā)揮強(qiáng)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(huì)吸水，導(dǎo)致試樣重量持續(xù)增加，聚乙烯醇凝膠會(huì)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(huì)阻止水分進(jìn)入土樣內(nèi)部，并且脫水形成的立體絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)會(huì)提供強(qiáng)度，導(dǎo)致干濕循環(huán)組試樣比同時(shí)長(zhǎng)的浸水組試樣風(fēng)干后強(qiáng)度高。

圖8 浸水天數(shù)-無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.4 水穩(wěn)系數(shù)

采用相同試驗(yàn)條件下聚乙烯醇改良黏土干濕循環(huán)試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與同齡期養(yǎng)護(hù)試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值定義為水穩(wěn)系數(shù)評(píng)價(jià)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(cè)限抗壓強(qiáng)度。qf為同齡期養(yǎng)護(hù)條件下不浸水試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

隨著干濕循環(huán)的進(jìn)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(diǎn)：一是干濕循環(huán)使土壤出現(xiàn)劣化使無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降，二是同齡期養(yǎng)護(hù)的試樣強(qiáng)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(cè)限抗壓強(qiáng)度為490.08 kPa。

圖9 PVA摻量0.83%下水穩(wěn)系數(shù)

2.5 加固機(jī)理分析

為探究PVA改良后土體結(jié)構(gòu)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(duì)其進(jìn)行微結(jié)構(gòu)變化特征測(cè)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(jié)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(gè)顆粒表面有絮狀物質(zhì)包裹，PVA形成的網(wǎng)狀結(jié)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(dòng)，使土體形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

圖10 SEM照片

3 結(jié)論

(1)聚乙烯醇可以有效提高黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，隨著摻加量的增加，改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大，但無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩，考慮經(jīng)濟(jì)因素，最佳摻量為強(qiáng)度增長(zhǎng)最明顯的0.83%，此時(shí)試樣7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(cè)限抗壓強(qiáng)度為490.08 kPa，仍有7 d強(qiáng)度的74%，同齡期養(yǎng)護(hù)強(qiáng)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(duì)強(qiáng)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(huì)吸水溶解，導(dǎo)致試樣強(qiáng)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(jié)構(gòu)，與土顆粒互相聯(lián)接限制土顆粒的位移，以此增強(qiáng)土體的穩(wěn)定性。