含水率及摻砂量對(duì)雙聚材料改良碎石土性能的影響

裴向軍，羅陽(yáng)楚君，楊晴雯

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

0 引 言

公路開挖及邊坡沖刷都是公路邊坡常見的災(zāi)害誘發(fā)因素。隨著國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目投資力度的不斷加大，公路建設(shè)項(xiàng)目逐漸開展起來。在山區(qū)的公路工程建設(shè)中，公路多穿行于河谷山川之間，需開挖邊坡，若不及時(shí)處理，可能造成裸露邊坡坡面侵蝕、水土流失，甚至斜坡失穩(wěn)造成山體滑坡，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境及公路的正常運(yùn)營(yíng)。因此，選擇合適的邊坡治理措施具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)的邊坡加固方式如框格、護(hù)面墻及噴漿防護(hù)等方式，多采用漿砌片石和混凝土等無機(jī)結(jié)合料砌筑，材料與土質(zhì)坡面剛性的長(zhǎng)期結(jié)合會(huì)導(dǎo)致脫落、變形，還阻隔了植被生長(zhǎng)，不利于生態(tài)環(huán)境。為了克服以上缺點(diǎn)，目前采用比較新穎的治理措施—化學(xué)加固巖土體。在土壤中加入固化劑，改善土體性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，使細(xì)粒土產(chǎn)生凝聚和膠結(jié)作用形成較大的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，從而提高土體強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，使得坡面的工程性質(zhì)提高[1-4]。巖土體固化劑的研究以美、日等國(guó)家為代表，從20世紀(jì)40年代開始發(fā)展。國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)60年代開始廣泛研究巖土體固化劑，起步較晚，但近二十年來，土壤固化技術(shù)得到快速發(fā)展，研發(fā)了一系列固化材料，取得了很多理論成果和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)：劉瑾[5]等發(fā)明了一種新型的土壤固化劑，該固化劑是通過丙烯酸等乙烯基單體為主體經(jīng)過高分子聚合反應(yīng)產(chǎn)生；唐朝生[6]等研究了聚丙烯纖維加固軟土的效果和機(jī)制，改善了石灰土和水泥土的脆性破壞形式，并使其水穩(wěn)性得到改善；莊中霞[7]等證明了Renolit固化劑在工程運(yùn)用時(shí)，能提高堤防的防滲、抗壓等性能，同時(shí)具有施工方便、就地取材、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)；黃河[8]等自主研發(fā)的STW型生態(tài)固化劑能改性膨脹土的水理性質(zhì)，還初步分析了其改性機(jī)理；方祥位[9]等研究了GT型土壤固化劑能增強(qiáng)土體的各項(xiàng)性能；侯浩波[10]等利用室內(nèi)試驗(yàn)及工程應(yīng)用的研究，闡明了HAS土壤固化劑的加固特性；王銀梅[11]等用SH新型高分子材料進(jìn)行了固沙試驗(yàn)和黃土化學(xué)改良試驗(yàn)；彭思甜[12]等研究了改善膨脹土的土壤固化劑機(jī)能，為治理路基病害提供技術(shù)支撐；徐淵博[13]等研究出了具有良好的固結(jié)強(qiáng)度、水穩(wěn)性PAM-CATS土壤固化劑，使得加固土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值大幅度提高。

筆者采用的雙聚材料由成都理工大學(xué)裴向軍[14]教授自主研發(fā)(該雙聚材料是由兩種有機(jī)高分子材料組成的復(fù)合型材料，基本性質(zhì)見表1，以下簡(jiǎn)稱為1#、2#)。試驗(yàn)從碎石土本身出發(fā)。由于碎石土具有強(qiáng)度低、孔隙大、膠結(jié)能力差、幾乎無粘聚力等特點(diǎn)，其在邊坡治理過程中常帶來困擾。筆者在室內(nèi)配制共18組土樣，研究了不同含水率及摻砂量對(duì)雙聚材料改良碎石土性能(以下簡(jiǎn)稱加固土)的影響，使土樣具有一定的強(qiáng)度和耐水性。試驗(yàn)結(jié)果為現(xiàn)場(chǎng)工程建設(shè)提供重要參考。

表1 雙聚高分子材料各組分性質(zhì)Table 1 Properties of the components of polyester material

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用土均取自在建綿九高速公路沿線開挖坡邊坡面碎石土，其物理性質(zhì)如表2。由表2可知，該天然碎石土幾乎不具粘聚力，而且級(jí)配不良。以下試驗(yàn)用土均取過5 mm孔篩后的碎石土。

表2 碎石土的物理性質(zhì)Table 2 Physic behaviors of gravelly soil

1.2 試驗(yàn)制備及設(shè)備

根據(jù)GB/T50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和材料配比制備試樣。

將取回的土樣烘干，稱取適量土樣和適量比例的雙聚材料，其中每組試樣的材料粉末摻量與干土質(zhì)量比均相同，為0.295%(其中1#為0.25%、2#為0.045%，均為材料粉末與干土的質(zhì)量比)。然后按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的21%、24%、27%、30%和33%的含水率(含水率=溶解雙聚材料溶液的量+加水稀釋的量)進(jìn)行加水稀釋后充分拌勻，配制出5組不同含水率的試樣。直接剪切和耐水性試驗(yàn)的試樣都采用壓樣法，根據(jù)干密度為1.4 g/cm3的稱量(試樣稱量=干密度×環(huán)刀容積×(1+試驗(yàn)設(shè)計(jì)含水率))填入直徑為61.8 mm，高度為20 mm，容積為60 mm3的環(huán)刀中，待試樣稱量(試樣稱量=干密度×環(huán)刀容積×(1+自然含水率))自然風(fēng)干到天然含水率后，再進(jìn)行直接剪切和耐水性試驗(yàn)。試驗(yàn)所采用的直剪儀器為DJY—4電動(dòng)四聯(lián)直剪儀，見圖1。耐水性試驗(yàn)是指把試樣先放在容器里，然后把200 mL水倒入容器中，考察試樣耐水性。

2 不同含水率的試驗(yàn)研究

對(duì)配制好的各組試樣分別進(jìn)行了直接剪切試驗(yàn)和耐水性試驗(yàn)，研究不同含水率對(duì)加固土性能的影響。

2.1 直接剪切試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)時(shí)，施加垂直正向壓力，分別為100、150、200、250 kPa，并保持0.8 mm/min的勻速加載速率，得到粘聚力和內(nèi)摩擦角變化趨勢(shì)如圖2。

圖2 不同含水率加固土的粘聚力和內(nèi)摩擦角變化趨勢(shì)Fig. 2 Trend of cohesive force and internal friction angle of reinforced soil with different moisture content

添加雙聚材料后，對(duì)于不同含水率條件下加固土粘聚力都比天然碎石土提高了58～135倍，效果顯著。

從圖2可以看出，含水率主要影響粘聚力，對(duì)內(nèi)摩擦角影響很小。在一定范圍內(nèi)增加含水率，粘聚力得到大幅度提高，再提高含水率，粘聚力隨含水率的增加而減小。粘聚力最大值為81.3 kPa，出現(xiàn)在含水率為30%時(shí)，為碎石土的塑限值，此時(shí)粘聚力提高了20.3%。當(dāng)含水率超過30%時(shí)，粘聚力反而降低了20%。而加固土的內(nèi)摩擦角幾乎不受含水率變化的影響。

2.2 耐水性試驗(yàn)

耐水性是土體是否具有抗沖刷和抗風(fēng)蝕性的重要指標(biāo)，主要通過考察兩個(gè)試驗(yàn)現(xiàn)象判別其耐水性能。一是試樣的穩(wěn)水性能，良好的穩(wěn)水性能有利于土體在降雨天氣不被雨水侵蝕。二是試樣自然風(fēng)干后的強(qiáng)度，良好的強(qiáng)度能夠保證土體在降雨后的抗風(fēng)蝕性能，使得土體具有較好的保水性，能存儲(chǔ)提供植物生長(zhǎng)所需要的水分。通過不同含水率加固土耐水性試驗(yàn)得到耐水性指標(biāo)，如表3。

表3 不同含水率加固土的水穩(wěn)性Table 3 Water stability of reinforced soil with different moisture content

由表3可知，碎石土用雙聚材料加固后，均具有良好的水穩(wěn)定性，但當(dāng)含水率超過碎石土的塑限值后，水穩(wěn)性能稍有下降，但也能保持試樣基本形狀。

2.3 原因分析

圖3給出了雙聚材料改良碎石土在不同含水率條件下顆粒間的狀態(tài)。

圖3 不同含水率加固土的狀態(tài)Fig. 3 State of reinforced soil with different moisture content

從圖3可以看出：當(dāng)含水率為21%～24%時(shí)，加固土呈顆粒狀，小顆粒團(tuán)聚在一起并附著在大顆粒周圍，大顆粒間沒有明顯的膠結(jié)作用，呈“散粒狀”；增加含水率至27%～30%時(shí)，不僅小顆粒會(huì)團(tuán)聚，顆粒之間也會(huì)相互團(tuán)聚相互作用，大小顆粒之間界限開始模糊不清；繼續(xù)增加含水率至33%時(shí)，所有顆粒膠結(jié)在一起，大小顆粒無法辨別，成為一團(tuán) “整體”。

因?yàn)樵谶m當(dāng)含水率的作用下，顆粒表面水分子與雙聚材料發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，使得細(xì)顆粒通過這些大分子鏈相互連結(jié)起來，顆粒間排列更緊密、孔隙面積減少、孔隙比降低，比天然碎石土粘聚力提高了58～135倍，加固效果顯著且耐水性好[15]。當(dāng)繼續(xù)提高含水率，土粒結(jié)合水膜變厚，吸力減小，減弱了雙聚材料對(duì)土顆粒的膠結(jié)作用，使得加固土的粘聚力和耐水性開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

但含水率的改變，未能影響土顆粒表面的粗糙度，且使得顆粒破裂，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角未能明顯提高。因此想要提高改良碎石土的內(nèi)摩擦角，可在碎石土中摻入砂，一方面用以改善碎石土的天然級(jí)配，另一方面用以增加顆粒表面的粗糙度。含水率試驗(yàn)證實(shí)了最優(yōu)含水率為塑限值，摻砂量試驗(yàn)的含水率選取塑限值。

3 不同摻砂量的試驗(yàn)研究

3.1 試樣材料及方法

為了提高加固土內(nèi)摩擦角，試驗(yàn)選取普通烘干的河砂進(jìn)行研究，其特性參數(shù)如表4。

表4 砂的特性參數(shù)Table 4 Property parameters of sand

將取回的土樣烘干，稱取適量土樣分別與0%、5%、10%、、15%(干土與砂的比重)的砂充分?jǐn)嚢?，再稱取適量比例的雙聚材料(0.295%，其中1#為0.25%、2#為0.045%，均為材料粉末與干土的質(zhì)量比)按照表5的塑限值為最佳含水率加水稀釋后充分拌勻，配制出8組不同摻砂量的試樣，然后自然風(fēng)干放置至天然含水率，進(jìn)行直接剪切和耐水性試驗(yàn)。

表5 各組土樣編號(hào)及摻量Table 5 Water stability of reinforced soil with different amount of sanding %

3.2 直接剪切試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)時(shí)，施加垂直正向壓力，分別為100、150、200、250 kPa，并保持0.8 mm/min的勻速加載速率，得到粘聚力和內(nèi)摩擦角變化趨勢(shì)如圖4。

圖4 不同摻砂量雙聚材料加固土的粘聚力和內(nèi)摩擦角 變化趨勢(shì)Fig. 4 Trend of cohesive force and internal friction angle of dimeric material reinforced soil with different sand content

從圖4可看出，在加固土中摻入砂后，粘聚力隨摻砂量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。粘聚力最大值為81.8 kPa，出現(xiàn)在摻砂量為5%時(shí)，是天然碎石土的136倍，比摻砂量為0%時(shí)的加固土提高了0.6%。摻砂的加固土內(nèi)摩擦角隨摻砂量的增加先增加后減小。摻砂量為5%時(shí)加固土的內(nèi)摩擦角達(dá)到最大，為41.6°，是摻砂量為0%的加固土及天然碎石土的1.2倍。由此可見，適量的砂量對(duì)提高加固土的內(nèi)摩擦角有顯著作用。

3.3 耐水性試驗(yàn)

通過不同摻砂量加固土耐水性試驗(yàn)得到耐水性指標(biāo)，如表6。

表6 不同摻砂量加固土的水穩(wěn)性Table 6 Water stability of reinforced soil with different sand content

由表6可知，在雙聚材料加固土中摻入砂后，也能保持良好的水穩(wěn)定性，但當(dāng)摻砂量為15%時(shí)，水穩(wěn)性能有所下降。

3.4 原因分析

試驗(yàn)表明，適當(dāng)?shù)纳傲繉?duì)加固土的內(nèi)摩擦角有一定的提高作用，是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)纳霸谒槭恋拇诸w粒中增加了細(xì)顆粒的含量，提高了土體的級(jí)配，細(xì)顆粒充填了粗顆粒的空隙，使得原來的空隙減少，限制了土顆粒的滑動(dòng)和重新排列，有效地控制了土顆粒的變形和位移，增加了土樣的整體性，使得摩阻力增加[16]，最大內(nèi)摩擦角為摻砂量為0%的加固土及天然碎石土的1.2倍。隨著摻砂量的繼續(xù)增加，土樣的抗剪強(qiáng)度和耐水性有所降低，因?yàn)殡S著含砂量的增加，減弱；碎石土顆粒與雙聚材料的膠結(jié)作用，細(xì)顆粒繼續(xù)增多，顆粒間的接觸面積減小，顆粒間相對(duì)更容易移動(dòng)，使內(nèi)摩擦角開始減小。

4 結(jié) 論

通過含水率和摻砂量試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1)在碎石土中加入雙聚材料能顯著提高土體的粘聚力和耐水性。

2)使用雙聚材料改良碎石土?xí)r含水率的變化對(duì)加固土的粘聚力有較大影響。其中最優(yōu)含水率出現(xiàn)在塑限值處，粘聚力最大值為81.3 kPa，且耐水性良好。但雙聚材料中含水率的增減，對(duì)內(nèi)摩擦角影響不大。

3)使用雙聚材料改良碎石土?xí)r適當(dāng)增加含砂量，使得內(nèi)摩擦角和粘聚力提高，內(nèi)摩擦角是天然碎石土的1.2倍。碎石土最優(yōu)摻砂量為5%，此時(shí)加固土的內(nèi)摩擦角和粘聚力均達(dá)到最大值，分別為41.6°和81.8 kPa，并具有良好的耐水性。

4)綿九高速公路沿線碎石土加固采用雙聚材料摻量為0.295%、摻砂量為5%、含水率為26%時(shí)，加固效果達(dá)到最優(yōu)。