水溶性穩(wěn)定劑改良砂土的水理特性研究

邵 勇， 劉 瑾， 杭 丹， 孫少銳， 王 穎， 魏繼紅

(1.江蘇省水利工程建設局， 江蘇 南京 210085； 2.江蘇省太湖治理工程建設管理局， 江蘇 常州 213000；3.河海大學 地球科學與工程學院， 江蘇 南京 211100)

砂土具有結構松散，黏聚力低，強度低，抗?jié)B性、保水性及抗沖刷性等水理性能較低等特點，常發(fā)生砂土液化、水土流失等問題，嚴重影響工程建設及生態(tài)環(huán)境保護，因此，需要對天然砂土采取一系列改良措施。常見的改良材料有水泥、石灰等傳統(tǒng)硬性加固材料，以上加固材料能夠顯著改良砂土的工程性質。然而，在長期的工程實踐中發(fā)現(xiàn)，這些傳統(tǒng)硬性材料加固后的砂土常發(fā)生脆性破壞，且會對周圍環(huán)境產生一定的影響，如提高環(huán)境pH值、影響植被生長等問題[1-2]。因此，尋找既能滿足工程建設要求又能滿足生態(tài)環(huán)保的土體改良材料成為了巖土工程領域的一項研究熱點。

聚合物作為一種新型土體改良材料，因其具有增加土體顆粒間聯(lián)系、改良土體性質的效果，又具備成本低廉、生態(tài)環(huán)保、施工簡單、效果穩(wěn)定等優(yōu)點，而被國內外學者廣泛關注、研究并取得了大量研究成果[3-5]。Alkhasha等[6]采用生物炭和合成聚合物對砂土進行加固改良，并對改良砂性土的水理特性及其加固機理進行了研究；王銀梅等[7]通過室內模型試驗，研究了新型高分子材料SH固化劑固化后黃土的抗沖刷性能，研究表明改良后黃土的抗沖刷性能明顯增強，且SH固化植草坡面對防治黃土邊坡坡面沖刷更為有效；李昊等[8]自主研發(fā)了多糖類高分子抗蝕材料SA-01，并研究了該材料對紅壤團聚體水穩(wěn)性的影響，發(fā)現(xiàn)該改良材料能夠有效提高團聚體的水穩(wěn)定性。以上研究表明，新型聚合物能夠有效提高改良土體的抗風蝕、抗沖刷以及水穩(wěn)定性。隨著研究的進一步深入，一些學者將聚合物與土體混合形成混合物，通過室內試驗研究評價其強度特性，結果表明，聚合物能夠有效增強土體的抗壓強度、抗剪強度以及抗拉強度，聚合物溶液在土顆粒之間能夠形成網(wǎng)狀膜，使得松散的土體連接成為穩(wěn)定的團聚體，減小土體內部孔隙，從而提高土體的強度[9-12]。

現(xiàn)有的研究表明，聚合物在土體改良中發(fā)揮了重要作用。以上研究主要針對的是聚合物改良土的強度以及抗沖刷特性研究，而對其水理特性的研究還較少。土體的水理特性如滲透特性和保水對土體的穩(wěn)定性及植被生長產生重要影響。本文采用水溶性穩(wěn)定劑對河道砂土進行改良，并通過滲透試驗和保水性試驗，研究不同含量穩(wěn)定劑改良后砂土的滲透特性和保水特性，并對其改良機理進行了較深入的研究，研究成果可為河道砂土岸坡的加固提供一定的參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗砂土取自常州市武進區(qū)新孟河砂土岸坡，試驗開始前，采用比重瓶法測得試樣砂土比重為2.64，同時通過篩分法和密度計法測得的砂土粒徑分布曲線如圖1所示，從圖1中可以看出，砂土的約束粒徑(D60)、平均粒徑(D50)以及有效粒徑(D10)分別為0.12、0.065和0.005 mm。砂土詳細的物理力學參數(shù)如表1所示。

圖1 砂土粒徑分布曲線

表1 砂土的物理力學參數(shù)

試驗中用于改良砂土的水溶性聚合物為聚氨酯型有機聚合物，是一種含大量重復結構、大分子兩端帶有特殊功能團的高分子聚合物，分子結構如圖2所示，與水混合后能夠迅速發(fā)生反應形成乳白色溶液。其水溶液可在常溫條件下直接與砂土顆粒膠結或與黏度礦物反應生成網(wǎng)狀膠凝物質，從而起到增強土體間顆粒聯(lián)系、改善土體結構與性能、提升土體整體穩(wěn)定性的作用。水溶性聚合物詳細的物理參數(shù)如表2所示。

圖2 水溶性穩(wěn)定劑及化學式

表2 水溶性穩(wěn)定劑的物理參數(shù)

1.2 試驗方案

為深入研究改良砂土的水理特性，本文開展?jié)B透試驗和保水試驗，研究穩(wěn)定劑含量(與砂土的質量百分比)和干密度對改良砂土抗?jié)B性能、保水性能的影響。結合現(xiàn)場施工難易程度和成本，選取穩(wěn)定劑含量為0%、1%、2%、3%和4%，密度控制為1.40 g/cm3、1.45 g/cm3、1.50 g/cm3、1.55 g/cm3和1.60 g/cm3，試樣初始含水率為15%。試樣制備完成后，先養(yǎng)護6 h再進行以下試驗。

1.2.1 常水頭滲透試驗

常水頭滲透試驗采用的儀器為TST-70型常水頭滲透儀，試樣制備依據(jù)《土工試驗方法標準》(GBT50123—2019)進行分層壓實。在試驗過程中記錄試驗的初始出水時間。試驗完成后，依據(jù)公式(1)，計算不同穩(wěn)定劑濃度和不同干密度條件下改良砂土的滲透系數(shù)K：

(1)

式中：Q為Δt時間內通過試樣斷面的滲流量，cm3；A為試樣沿滲流方向的橫截面積，cm2，對于TST-70型滲透儀，A=78.5 cm2；L為滲徑長度，cm；對于TST-70型滲透儀，L=10 cm，Δh為試驗時相鄰測壓管間平均水位差，cm，Δh=0.5(H1-H3)，其中H1、H3分別為上下測壓管的水位高度。

1.2.2 變水頭滲透試驗

當穩(wěn)定劑含量達到3%和4%時，改良砂土的滲透系數(shù)已相對較小，采用常水頭試驗時出水孔不再有水流出，無法準確測量改良砂土滲透系數(shù)，故利用變水頭試驗測定其滲透系數(shù)。變水頭滲透試驗采用的儀器是TST-55滲透儀。

變水頭滲透試驗試樣制備方法為靜力壓實法，首先按試驗所需配比稱取適量的砂土、穩(wěn)定劑及水備用；然后將水倒入穩(wěn)定劑中配置好穩(wěn)定劑溶液，并將其將倒入稱取好的砂土中迅速攪拌至均勻，接著裝入4 cm環(huán)刀中壓實至試驗設計干密度，靜置數(shù)分鐘待試樣穩(wěn)定，在環(huán)刀外側涂上凡士林，與試樣一同放入變水頭試驗儀器中，模具下部縫隙處打上玻璃膠進行密封。試驗完成后根據(jù)達西定律求出相應的滲透系數(shù)，滲透系數(shù)計算公式

(2)

式中：a為測壓管的內截面積，cm2，取0.277 cm2；L為試樣的高度，cm，取4 cm；A為試樣的面積，cm2，取30 cm2；Δh為某時刻測壓管內水位與出水口的水位差，cm，其大小由測壓管上的刻度尺讀出，其中Δh1與Δh2分別指在t1和t2時刻測壓管內水位與出水口的水位差，cm。

1.2.3 保水試驗

岸坡表面砂土的保水能力將會對植被的生長產生重要影響，因而需要對改良砂土試樣保水性進行深入研究。保水試驗的具體方案為：取700 g風干砂土與穩(wěn)定劑和水分別按0%、1%、2%、3%和4%的比例混合，初始含水率為10%，密度為1.50 g/cm3。試樣制備完成后，稱重記錄初始含水率，放在室溫環(huán)境下，每8 h進行1次稱重計算試樣含水率。試驗過程中10 d為1個周期，在第10天傍晚、第20天傍晚分別給試樣加水70 g，第11天早晨及第21天早晨將試樣中多余未滲入試樣中的水放出，之后再對試樣稱重記錄試樣含水率，重復8 h記錄1次數(shù)據(jù)，直至30 d記錄最后1次數(shù)據(jù)，并繪制出不同穩(wěn)定劑含量改良砂土試樣含水率隨時間變化的曲線圖，研究不同時間段試樣含水率與穩(wěn)定劑含量之間的關系。

2 試驗結果與分析

為了研究改良砂土的水理特性，對不同穩(wěn)定劑含量和不同干密度的砂土進行常水頭和變水頭以及保水試驗，得到如表3所示試驗結果。

表3 改良砂土水理特性試驗結果

2.1 初始出水時間

圖3為不同密度試樣初始出水時間與穩(wěn)定劑含量之間的關系。從圖3中可以看出，在相同密度下，穩(wěn)定劑含量對改良砂土的初次出水時間起到顯著的延遲影響作用，穩(wěn)定劑含量越高，試樣初樣初次出水時間越長，在穩(wěn)定劑含量從1%增加到3%的過程中，初始出水時間與穩(wěn)定劑含量幾乎保持指數(shù)增加關系。在相同穩(wěn)定劑含量條件下，試樣干密度的增加也會延長試樣在常水頭試驗中初次出水時間，但影響較小。結合表3可知，相較于試樣的干密度，穩(wěn)定劑含量對試樣初次出水時間影響要大的多。試驗開始注水后初始滲水時間可以用孔隙水壓力達到穩(wěn)定的時間來估算，故而初始滲水時間與試樣的水力擴散率和水傳輸所經(jīng)過的路程有關，在相同的試樣形狀與試樣尺寸的條件下，試樣初始出水時間與試驗過程中試樣的水力擴散率有關，而試樣的水力擴散率與試樣的滲透系數(shù)之間存在一定的換算關系，即試樣初始滲水時間與滲透系數(shù)相關。改良砂土由于顆粒間的孔隙被穩(wěn)定劑與水反應生成的網(wǎng)狀黏膜所填充，使得砂土滲透性能變差，水力擴散率大大減小，孔隙壓力達到穩(wěn)定的時間被延長，呈現(xiàn)出試樣初次出水時間被大大延長的現(xiàn)象。結合表3可知，當穩(wěn)定劑含量達到3%及其以上時，砂土抗?jié)B性能得到顯著的提升，在常水頭滲透試驗中，砂土中孔隙壓力達到穩(wěn)定的時間被無限延長，甚至隨著穩(wěn)定劑含量的進一步增加，砂土會變成隔水材料，孔隙壓力無法達到穩(wěn)定，試樣也不再出水。故穩(wěn)定劑可以提高砂土的抗?jié)B性能，當穩(wěn)定劑含量達到3%及以上時，砂土抗?jié)B性能與粉質黏土等隔水材料的抗?jié)B性能幾乎一致，試樣在常水頭滲透試驗過程中不再出水。

圖3 不同含量固化劑固化砂土初始出水時間

2.2 滲透系數(shù)

不同密度改良砂土的滲透系數(shù)與穩(wěn)定劑含量之間的關系如圖4所示。從圖4可以觀察到，水溶性穩(wěn)定劑對砂土的抗?jié)B性能夠起到顯著增加作用，滲透系數(shù)隨著穩(wěn)定劑含量的增加而顯著減小，且在一定范圍內，滲透系數(shù)的減小速率亦隨著穩(wěn)定劑含量的增加而加快。結合表3可知，試樣密度為1.50 g/cm3時，當穩(wěn)定劑含量以1%的增長幅度從0%增長至4%過程中，砂土滲透系數(shù)分別為6.570×10-4cm/s、4.355×10-4cm/s、1.859×10-4cm/s、0.781×10-4cm/s和0.183×10-4cm/s，可以明顯看到砂土滲透系數(shù)快速減小，抗?jié)B性能逐漸提升。隨著穩(wěn)定劑含量的增加，改良砂土的滲透系數(shù)分別為前一穩(wěn)定劑含量改良砂土的66%、43%、42%和23%，且滲透系數(shù)遞減速率隨穩(wěn)定劑含量的增加而增加。從圖4還可以看出，隨著密度的增加，砂土顆粒之間的連接更為緊密，孔隙減小，從而改良砂土的滲透系數(shù)隨密度表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。且當密度為1.40 g/cm3、1.45 g/cm3、1.55 g/cm3和1.60 g/cm3時，試樣的滲透系數(shù)隨穩(wěn)定劑含量變化的規(guī)律基本保持一致。從改良砂土的滲透系數(shù)與穩(wěn)定劑含量之間的變化關系還可以看出，當穩(wěn)定劑達到3%及以上時，試樣的滲透系數(shù)比未改良的試樣降低了一個數(shù)量級，砂土的抗?jié)B性能亦得到了明顯的提升。

圖4 不同密度固化砂土滲透系數(shù)與穩(wěn)定劑含量之間的關系

穩(wěn)定劑與水反應后形成的溶液會在砂土顆粒之間生成穩(wěn)定的網(wǎng)狀膜，該網(wǎng)狀膜不僅能夠增加砂土顆粒之間的黏結強度，同時也會充填砂土顆粒之間的間隙，堵塞砂土中的水流滲漏通道，阻礙水流的快速下滲，從而降低改良砂土的滲透系數(shù)。且穩(wěn)定劑含量越高，砂土顆粒間形成的網(wǎng)狀黏膜密度越大，砂土顆?？障兜谋惶畛渎试礁撸鞯臐B透通道就越少。從滲透試驗結果可知，當穩(wěn)定劑含量達到2%時，穩(wěn)定劑溶液反應產生的網(wǎng)狀黏膜已經(jīng)將砂土的絕大部分的空隙都填充了，堵塞了大多數(shù)水流的滲漏通道，極大程度上阻礙水流的下滲。當穩(wěn)定劑含量達到4%時，砂土顆粒之間的網(wǎng)狀黏膜幾乎將所有的砂土及砂土之間的空隙充填，改良砂土在試驗過程中幾乎不再出水，滲透系數(shù)趨近于零，與粉質黏土的抗?jié)B效果幾乎一致。

2.3 保水性能試驗結果

圖5為不同穩(wěn)定劑含量改良砂土的含水率隨時間的變化關系。從試驗結果可以看出穩(wěn)定劑可以增加砂土的保水性，減緩水在砂土中的流失速率，但當穩(wěn)定劑含量達到3%及其以上時，由于砂土抗?jié)B性能隨穩(wěn)定劑含量增加而提升，導致之后2次加水過程只有少量水分滲入土體中，試樣的含水量得不到及時補充，將不利于植被生長。從圖5中可以看出，在第一次加水過程中，未改良砂土試樣的含水率下降速率遠超過穩(wěn)定劑改良后的試樣，加入穩(wěn)定劑含量為1%、2%和3%的試樣含水率下降速率幾乎保持一致，而加入4%含量的試樣含水率下降速率更加緩慢。養(yǎng)護時間到達7 d時，未改良試樣的含水率已經(jīng)變?yōu)?，而加入穩(wěn)定劑的試樣含水率下降速率逐漸趨于穩(wěn)定。養(yǎng)護時間達到10 d時，加入1%、2%、3% 和4%的砂土含水率分別為0.96%、2.05%、2.45%、2.95%。第10 d傍晚同時對試樣加水70 g，只有未改良試樣和穩(wěn)定劑含量為1%試樣含水量得到大幅度的補充，穩(wěn)定劑含量為3%和4%的試樣幾乎不再吸收水分，含水率只有極小程度的提高，12 h后釋放多余的水，測得含水率分別為8.64%、7.33%、6.23%，5.01%和3.95%，含水率分別增加了8.64%、6.37%、4.18%，2.56%和1.00%。在第二次加水過程中，未改良試樣含水率依舊快速下降，在第17天的時候下降為0，穩(wěn)定劑改良后的試樣均是以先大后小的速率下降，第20天時含水率分別為0.76%、1.79%、2.28%和2.74。第20天傍晚進行第三次加水，試樣含水率分別增長為9.14%、6.44%、5.31%，4.15%和3.45%，含水率增加量分別為9.14%%、5.86%、3.25%，1.78%和0.71%。第三次加水過程中，試樣含水率下降規(guī)律與前2個周期大致相同，30 d后含水率分別為0%、0.13%、1.68%、2.17%、2.56%。從上述分析可以得出聚合物可以減緩砂土含水率下降速率，但高濃度聚合物改良砂土在含水量補充方面十分困難。

圖5 不同含量穩(wěn)定劑固化砂土含水率隨時間的變化關系

3 機理分析

聚氨酯型水溶性穩(wěn)定劑因黏度大、稠度高，通常在應用于實際工程加固土體時需要加水進行稀釋，在稀釋過程中高分子預聚體與水反應生成聚脲高分子[13-14]，同時在表面活性劑的作用下可以使聚脲高分子均勻分布在水溶液中并形成較為穩(wěn)定的結構體系，混合后的稀釋溶液呈乳白色流狀膠體。水溶性穩(wěn)定劑與砂土混合后，迅速滲入砂土顆粒中，且水溶性穩(wěn)定劑屬于氣硬性材料，在養(yǎng)護過程中隨著穩(wěn)定劑溶液水分的揮發(fā)，穩(wěn)定劑溶液在砂土顆粒之間形成了大量的網(wǎng)狀膜，使得松散的土顆粒被網(wǎng)狀膜相互連接成為一體。圖6為改良砂土的掃描電鏡圖，從圖中可以清楚地看到，砂土顆粒被穩(wěn)定劑網(wǎng)狀膜包裹連接，且砂土顆粒之間的孔隙也被固化膜大量填充，從而水溶性穩(wěn)定劑能夠顯著改良砂土的水理特性。

圖6 改良砂土的掃描電鏡圖

關于穩(wěn)定劑的加固機理可以分為兩個方面：一是穩(wěn)定劑溶液作用于砂土顆粒間孔隙中。當穩(wěn)定劑溶液與砂土混合時，一部分溶液迅速填充砂土孔隙并將其作為反應場所，在孔隙中反應形成具有較強黏附力的網(wǎng)狀固化膜，在砂土相鄰顆粒之間增加了一條紐帶，增強顆粒與顆粒間的聯(lián)系并將松散顆粒與孔隙粘結為一體，使松散的砂土顆粒黏聚成完整且牢固的結構整體[15-16]。二是穩(wěn)定劑溶液作用于砂土顆粒。當穩(wěn)定劑溶液與砂土混合時，另一部分溶液形成網(wǎng)狀膜將砂土顆粒包裹、纏繞。由于穩(wěn)定劑端基的官能團可以與砂土顆粒帶有的基團發(fā)生反應，在網(wǎng)狀黏膜與砂土顆粒之間建立起一種物理—化學的連接作用，使得網(wǎng)狀黏膜能夠纏繞、黏附在砂土顆粒的表面，改善砂土顆粒的性質[17-18]。圖7為穩(wěn)定劑改良砂土的加固機理示意圖。從圖7可以看出，分散在砂土顆粒之間的網(wǎng)狀膜能夠顯著充填砂土孔隙，且連續(xù)的網(wǎng)狀膜有效阻斷砂土顆粒間的滲流通道，且隨著穩(wěn)定劑含量的增加，砂土顆粒間孔隙的充填率越高，從而隨著穩(wěn)定劑含量的增加，砂土的滲透系數(shù)逐漸減小。穩(wěn)定劑溶液加入到砂土中時，隨著滲流作用，首先會在砂土表層形成一定厚度的固化層。該固化層能夠阻礙試樣內部與空氣中的水分交換，從而與天然砂土相比，隨著養(yǎng)護時間的增加，穩(wěn)定劑改良后砂土的含水率減小緩慢，且加入較多含量穩(wěn)定劑的砂土含水率越高。這表明穩(wěn)定劑能夠有效提高砂土的保水特性。

圖7 固化砂土改良機理示意圖

4 結 論

(1)改良砂土的初始出水時間隨著穩(wěn)定劑含量和密度的增加保持增加趨勢，且當穩(wěn)定劑含量達到3%后，試樣不再有水流出。

(2)改良砂土的滲透系數(shù)隨密度的增加而顯著減小，且隨穩(wěn)定劑含量的增加保持指數(shù)減小的關系，當穩(wěn)定劑含量達到3%后，改良砂土幾乎不透水。

(3)在相同養(yǎng)護時間下，隨著穩(wěn)定劑含量的增加，改良砂土的含水率逐漸增加，表明穩(wěn)定劑能夠有效增強砂土的保水特性

(4)穩(wěn)定劑在砂土內部形成連續(xù)的網(wǎng)狀膜，使得松散的砂土顆粒連接成為一體，且固化膜能夠充填孔隙，有效降低砂土的滲透特性，減少水分揮發(fā)，達到良好的保水效果。