PVA纖維改良軟土的工程特性研究

余 浩，余振錫

(安徽工業(yè)大學建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243000)

0 引 言

軟土廣泛分布于我國沿海平原、三角州及湖泊周圍，由于其含水量較高，孔隙比大，很容易由于抗剪強度低導致沉降變形大引發(fā)諸多工程問題[1-2]。隨著基礎設施建設的快速發(fā)展，我國對軟土地基的工程性能要求越來越高，需要進一步對軟土地基進行有效處理，劉佳鈺、秦茂潔[3- 4]等對此進行了研究。軟土地基處理方法分為物理加固法和化學加固法。其中，物理處理法有著耗時長、造價高、對周邊環(huán)境影響較大等諸多不足，因此難以適用于實際工程當中。為此，國內外學者逐步針對更加高效的化學加固法研發(fā)新的土壤固化劑。Latif[5- 6]等研發(fā)了適用于高鐵和高鋁土壤的SH- 85、TX- 85土壤固化劑。黃新通過廢石膏研發(fā)了一種新型CG型固化劑，可用來加固有機質土[7]。上述2種都是無機類土壤固化劑，因其化學反應的局限性和不可逆性，導致固化劑用量大，運輸成本高且對土體的生長環(huán)境造成傷害，使用有一定的局限性。通過不斷探索，雷諾首次提出使用離子型固化劑加固土體[8]，這種固化劑加固原理基于Kayadelen、Rajasekaran提出的土壤顆粒的雙電層理論改善加固土壤[9-10]，代表性的土壤固化劑有路邦EN-1、SA- 44/LS- 40等[11-12]，但此類土壤固化劑的壽命較短，適用于短期工程。Andre等最早提出利用動植物分泌的蛋白酶加固土壤，并將之命名為生物酶類土壤固化劑[13]，這種固化劑最突出的優(yōu)勢是對環(huán)境沒有傷害，但仍有壽命較短的問題。相比于上述土壤固化劑，還有一種有機類土壤固化劑有摻入量小、耐久性好等綜合優(yōu)勢，是加固軟土地基很好的選擇，這種固化劑主要以物理反應為主，有機類固化劑滲入到土顆粒界面內部，包裹纏繞土顆粒，從而提高土顆粒粘聚力。有機類土壤固化劑已經發(fā)展了很多產品，如CON-AID公司生產的康耐(CON-AID)型有機固化劑[14]、河海大學研發(fā)的PU型土壤固化劑[15]、王銀梅等研發(fā)的SH土壤固化劑[16]。

當前，基于纖維改良土已有了一定的研究基礎，其中聚丙烯纖維、玄武巖纖維和鋼纖維應用較為廣泛，但都存在分散性較差、制作成本高的問題[17]。PVA纖維是一種以聚乙烯為原料制成的合成纖維，表面可吸附一定自由水，不僅抗拉強度高，彈性模量大，且有很好的親水性，可溶于水中進行土壤固化[18]，兼具纖維較高的抗拉強度、有機高分子聚合物包裹纏繞能力和其可溶于水的優(yōu)點。這種纖維性能穩(wěn)定，耐酸耐堿，加入后可以保持長期穩(wěn)定狀態(tài)，環(huán)保性能較好。為此，本文對PVA纖維改良軟土的物理力學性質進行研究，探討PVA纖維在軟土加固領域的適用性，利用動三軸試驗確定PVA纖維改良土的路用性能，并通過掃描電鏡試驗和壓汞試驗確定其改良機理。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本次試驗所用土取自安徽省馬鞍山市當涂縣軟土地區(qū)，屬于Q4全新統(tǒng)沖洪積層，灰色，天然含水量高，為軟塑～流塑狀態(tài)。原狀軟土基本物理參數見表1。PVA纖維為安徽皖維公司生產，見圖1。水泥使用安徽海螺水泥寧國廠水泥廠生產的P.O42.5型普通硅酸鹽水泥。

表1 原狀軟土的基本物理參數

圖1 水溶性PVA纖維

1.2 試驗方法

定義PVA纖維摻入比PR為PVA纖維質量與混合土總質量的比值，依次取PR=0、1%、2%、3%、4%和5%。根據現有研究成果，水泥采用摻量為3%、4%，5%進行試驗。其中，最大干密度性能根據手動擊實試驗進行評價；界限含水量試驗根據液塑限聯合測定儀進行液塑限試驗評價；靜強度通過無側限抗壓強度試驗評價；膨脹性根據自由膨脹率試驗進行評價；動強度、動剪切模量及阻尼比采用動三軸試驗。

采用擾動土進行試驗，制樣時首先將軟土在(100±5)℃(膨脹性試驗在105～110℃)下烘干碾碎，過5 mm篩，膨脹性試驗過0.5 mm篩，放入干燥器備用。然后按照固化劑摻量將可溶性聚乙烯醇纖維融入60～80℃的水中，用磁力棒充分攪拌均勻。按照預先設定的含水量均勻將水噴入土中，充分拌和后進行制樣。擊實試驗時，同時對單摻水泥和單摻PVA纖維進行擊實，采用14%、16%、18%、20%和22%等5個含水量。將制好的試樣在溫度為20℃、濕度為95%的條件下養(yǎng)護28 d。軟土試樣見圖2。動三軸試驗選取素土、PVA纖維的最優(yōu)摻量和水泥改良土的最優(yōu)摻量土樣進行試驗。

圖2 軟土試樣

2 試驗結果及討論

2.1 擊實試驗

本次試驗參照GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》，使用輕型手動擊實器，單位體積擊實功592.2 kJ/m3，均勻分3層，每層25擊進行擊實試驗，擊實試驗保證在水泥水化之前進行。試驗得出最大含水量、最佳干密度隨固化劑摻量的關系見圖3、4。

圖3 最佳含水量隨固化劑摻量的關系

從圖3可知，加入水泥和PVA纖維后，軟土的最佳含水量均較素土有所增大，且隨著固化劑的增加，2種改良土的最佳含水量均有不同程度的增大。改良軟土的最佳含水量隨著水泥摻量的增加呈現出近似線性的關系增加，增加速率也隨著固化劑摻量呈正相關關系。隨著PVA纖維摻量的增加，PVA纖維在2%以內時，最佳含水量與PVA纖維近似呈線性關系；PVA纖維摻量為2%以上時，其最佳含水量的增加速度變緩。當固化劑摻量超過4%時，固化劑摻量對最佳含水量的改變作用不明顯。從圖4可知，水泥的摻入可以增加改良軟土的最大干密度，隨著水泥摻入量的增加，最大干密度的增長規(guī)律呈線性關系，且水泥改良土的最大干密度大于PVA纖維改良土。PVA纖維的摻入量在3%以內時，不會對改良土的最大干密度造成顯著影響；當摻入量大于3%時會稍有增加。

圖4 最大干密度隨固化劑摻量的關系

2.2 界限含水量試驗

本次試驗參照GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》，使用SYS數顯液塑限聯合測定儀測定素土、不同摻量的水泥改良土和PVA纖維改良土的液限、塑限。試驗結果見圖5、6、7。

圖5 塑限隨固化劑摻量的關系

從圖5可知，加入水泥和PVA纖維后改良土的塑限均有不同程度的提高，且PVA纖維對改良土塑限的提高幅度大于同摻量水泥的提高幅度。當PR≤3%時，塑限增長幅度較小，其關系曲線接近直線；當PR>3%時，塑限增長幅度較大。因此，在實際工程的固化劑摻量設計中，應注意3%的分界線。在軟土中摻入水泥的過程中，塑限也呈現緩慢的增長，但不是線性增長關系；水泥摻入量超過4%時，稍有下降趨勢。從圖6可知，加入PVA纖維和水泥后改良土的液限均有所增長，且同摻量的PVA纖維改良土液限較水泥改良土液限大。PVA纖維改良土液限隨固化劑摻量呈直線增長。從圖7可知，PVA纖維對改良軟土的塑性指數的影響在摻入量為3%時最大，水泥改良土的對塑性指數變化影響較低。

圖6 液限隨固化劑摻量的關系

圖7 塑性指數隨固化劑摻量的關系

綜上，水泥和PVA纖維都使軟土的界限含水量整體右移。可能是由于水泥加入后需要吸收水分進行水化反應，消耗掉一部分自由水，使改良土宏觀上表現為液限和塑限都有所增加。PVA纖維的加入后，PVA纖維會吸收自由水并將粘附的細小顆粒膠結在一起，消耗更多自由水，因而可吸附更大的水膜，從而造成液塑限整體右移。

2.3 膨脹性試驗

膨脹率是反應黏土物理性質的一個重要指標之一，與黏土的礦物成分有著密切聯系，PVA纖維與土壤是否有新的礦物成分未知。通過線性膨脹率試驗測定在軟土工程中摻入PVA纖維后其膨脹性與摻量的關系曲線，可初步判定改良土的膨脹性。本次試驗參照GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》中無荷載膨脹率試驗進行。不同時間內最大線性膨脹率與固化劑摻量的關系見圖8。

圖8 膨脹率隨固化劑摻量的關系

從圖8可知，軟土稍有膨脹性，因為土中含有顆粒粒徑較細的親水礦物，這些親水礦物吸水導致土體膨脹。水泥和PVA纖維都可以降低軟土的膨脹率，PVA纖維改良土曲線在水泥改良土的下方，說明 PVA纖維改良土膨脹性能較水泥改良土效果好。2種固化劑對膨脹性能改良的機理不同，PVA纖維加入軟土過程中，改善了親水黏土礦物的界面活性，使親水黏土礦物的吸水性能大幅降低，因此降低了土壤的膨脹性能；而水泥加入軟土過程發(fā)生了水化反應，生成粘結礦物將土顆粒粘結起來，一定程度上阻止了土顆粒的吸水能力。

2.4 無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度試驗通過單向壓力作用下測定土的抗壓強度，即不在側面施加圍壓的工況下評價土的強度指標，是評價無機結合料改良土強度最常用的指標之一。但實際工況都存在側向土壓力，因此，無側限抗壓強度通常作為改良效果的參考指標。本次試驗采用電液伺服壓力機，對養(yǎng)護28 d的無機結合料穩(wěn)定土進行無側限抗壓試驗，控制壓力機位移為2 mm/s。無側限抗壓強度與固化劑摻量關系見圖9。

圖9 無側限抗壓強度隨固化劑摻量的關系

從圖9可知，水泥和PVA纖維對軟土的無側限抗壓強度都有顯著提升，且都隨著固化劑摻量的增加而增加，PR=3%時，改良土無側限抗壓強度提高近2倍。2種固化劑強度曲線斜率相近，說明2種固化劑對軟土改良能力相近。水泥改良土的增長趨勢在3%～5%內呈線性增長。PVA纖維的摻量在3%處作為分界線，當PR≤3%時，無側限抗壓強度隨固化劑的摻量呈線性增加，且3%處PVA纖維無側限抗壓強度大于同摻量下水泥改良土的無側限抗壓強度；當PR>3%時，PVA纖維改良土的無側限抗壓強度增長速度變緩，說明此時PVA纖維的改良作用趨于飽和狀態(tài)；當PR為3%～4%時，PVA纖維改良土強度大于水泥改良強度，且強度增長趨勢不足。為了保證改良土的經濟性，建議將PVA纖維改良土的最優(yōu)摻量定為3%～4%。

圖10為PVA纖維加入前后的試樣破壞形態(tài)。從圖10可以看出，未摻入PVA纖維與PR=3%改良土的破壞形態(tài)變化有很大的差別。未摻入PVA纖維時，試樣有1條貫通的斜向裂縫，其他部分未有明顯的變形。當PVA纖維摻量PR=3%時，試樣有1條豎向的主裂縫，且呈現出許多微小的豎向裂縫，試樣中間部分向周邊膨脹，到破壞時試樣的整體性還較好。

圖10 試樣破壞形態(tài)

圖11為素土、PVA纖維改良土、水泥改良土3種試樣的應力-應變曲線。從圖11可以看出，素土應力-應變關系介于應變硬化型和應變軟化型間，土樣變形能力較低，在一定變形時出現強度峰值后強度逐步降低。水泥改良土的應力-應變關系呈現出典型的脆性破壞特征，即在應變超過2.5%后，強度瞬間降低，說明水泥改良土在提高強度的同時降低了土體的變形能力。

圖11 應力-應變關系

綜上，加入PVA纖維后，不連續(xù)的PVA纖維分散在改良土中，形成遍布結構整體的纖維網，軟土的細小黏土顆粒依附于纖維上，形成微加筋效果。PVA纖維的微加筋性能和包裹性能在提高土體強度的同時也提高了改良土的變形能力，在此基礎上使得試樣的延性增強，破壞特征得以改善。

2.5 動態(tài)力學性能試驗

選取素土、摻量為3%的PVA纖維改良土、摻量為3%的水泥改良土3個具有代表性的試樣進行動三軸試驗，取累計塑性應變?yōu)?%處的動應力幅值為改良土的動強度。為測定改良土的動內摩擦角和動粘聚力，選取圍壓分別為50、100、150 kPa。由于頻率為1 Hz下路基動力響應最大[19]，故加載頻率選取1 Hz。計算公式為

Ed=σd/(εd)

(1)

λ=As/(Ad·π)

(2)

Gd=Ed/(2(1+μd))

(3)

式中，Ed為動彈性模量；εd為動應變；σd為動應力幅值；λ為阻尼比；As為滯回圈的面積；Ad為包圍的面積；Gd為動剪切模量；μd為泊松比，根據GB/T 50269—2015《地基動力特性測試規(guī)范》，取μd=0.5。

圍壓為50 kPa時，改良土的動強度、動粘聚力、動內摩擦角見圖12、13。從圖12可知，改良土的動強度變化趨勢與無側限抗壓強度相同，都有較大幅度的提高。PVA纖維改良土動強度較素土提高了454.5%。稍低于水泥改良軟土的強度，低3.83%。從圖13可知，PVA纖維可同時提高改良土的動內摩擦角和動粘聚力，且動粘聚力提高幅度較動內摩擦角大；而水泥改良土與PVA纖維相反，動內摩擦角的提高幅度遠遠大于動粘聚力的提高幅度。可見，雖然PVA纖維和水泥可同時提高改良土的動強度，但強度提高機理不同。

圖12 改良土的動強度

圖13 改良土的動內摩擦角、動粘聚力

通過進一步計算，得出了改良土的動剪切模量值和阻尼比。改良土的動剪切模量見圖14。從圖14可知，改良土的動剪切模量隨著動剪應變的增長呈非線性衰減趨勢，當動剪應變γd<0.2%時衰減速度較快，γd>0.2%時衰減速度趨于平緩，且水泥改良土的動剪切模量值大部分大于素土和PVA纖維改良土的動剪切模量值?？梢?，在同一應變下，水泥改良土有增大軟土動剪切模量的作用；而PVA纖維改良土和素土的動剪切模量值呈現相似的變化規(guī)律，且基本落在同一區(qū)域內。由此可見，PVA纖維的加入對軟土的動剪切模量影響較小。

圖14 改良土的動剪切模量

圖15為3種改良土在各動剪應變下的阻尼比。從圖15可知，3種改良土的阻尼比隨動剪切應變γd整體呈非線性上升趨勢，且PVA纖維改良土的阻尼比計算值整體大于素土和水泥改良土的阻尼比。可見，PVA纖維和水泥對軟土的阻尼比都有增大作用，PVA纖維的增大效果大于水泥的增大效果，且這種增大效果在動剪應變γd>0.6%時更為顯著。

圖15 改良土的阻尼比

2.6 細觀試驗

2.6.1 壓汞試驗

為研究PVA纖維和水泥對軟土的孔隙的影響，分別對3種試樣進行壓汞試驗。圖16為3組改良土試樣的孔徑分布密度，將密度分布在某個孔徑范圍內進行積分可得相應孔徑范圍的孔隙含量。圖17為3種試樣的平均孔徑和中值孔徑試驗值。

圖16 孔隙分布密度

圖17 平均孔徑和中值孔徑

從圖16可知，3組試樣的孔隙含量關系為：素土>PVA纖維改良土>水泥改良土，且3個試樣的孔徑主要分布在0.1～2、2～10 μm區(qū)間內，分別將其定義為微孔隙段和小孔隙段。可見，PVA纖維改良土的孔隙含量在微孔隙段小于素土，在小孔徑段與素土相當。從圖17可知，PVA纖維的加入并未明顯降低改良土的中值孔徑和平均孔徑，說明PVA纖維的加入可以一定程度減少微孔隙的含量，但并未對土壤孔隙進行填充。而水泥改良土在微孔隙段和小孔隙段均明顯低于素土，且總孔隙含量明顯降低，說明水泥的加入有效填充了土壤孔隙。

2.6.2 掃描電鏡試驗

為進一步研究PVA纖維對軟土的作用機制，對摻入PVA纖維前后的試樣進行1 000倍掃描電鏡試驗。試驗結果見圖18。從圖18可知：

圖18 SEM試驗結果

(1)素土孔隙較多，顆粒之間的黏結較弱，且排列較為松散。

(2)水泥改良土的微觀結構較為致密，水泥作為無機膠結物有效填充了土壤孔隙，將土體膠結為一個整體，有效降低了土體孔隙率。

(3)加入PVA纖維后，PVA纖維以凝膠的狀態(tài)填充于土顆粒間，使土顆粒形成團聚體，以此增加土顆粒的粘聚力，但并未填充土壤孔隙，即可以在不減小土壤透氣性的同時增大土壤的強度。

2.7 水泥和PVA纖維工程性能比較

通過總結以上改良土的試驗可以發(fā)現，PVA纖維在改良軟土的強度、膨脹性、吸收變形等工程性能方面有著巨大優(yōu)勢。比對PR=3%～5%的PVA纖維改良土和同摻量的水泥改良土發(fā)現，當PR=3%～4%時，PVA纖維改良土的無側限抗壓強度均高于水泥改良土的無側限抗壓強度。且經過試驗驗證，PVA纖維改良土同樣存在著較好的路用性能，可大幅提高改良土動強度的同時增大軟土的阻尼比，PVA纖維在抗壓強度方面可以完全替代水泥作為一種新型固化劑進行軟土改良加固。當PR=5%時，PVA纖維改良土強度小于水泥改良土的強度，PVA纖維的發(fā)揮效果逐步飽和。因此，當需要大幅提高軟土強度，PVA纖維摻量大于4%的分界點且對環(huán)境保護要求較低時，建議選擇水泥進行加固。

3 結 語

本文對不同摻量PVA纖維和水泥改良軟土的物理力學性能進行試驗，通過動三軸試驗確定PVA纖維改良土的動力學性能，并通過細觀試驗研究了PVA纖維的改良機理，得出以下結論：

(1)PVA纖維的摻入可使改良土的最佳含水量變大，且不會對改良土的最大干密度造成很大影響；PVA纖維使改良軟土的塑限、液限增大，大幅提高軟土的變形能力；PVA纖維可顯著降低軟土的膨脹性且效果較水泥好。

(2)PVA纖維可將軟土的無側限抗壓強度提高近5倍，且隨著PVA纖維的加入，軟土的無側限抗壓強度同步增加。此外，PVA纖維可通過提高土體動粘聚力的方式提高土體動強度，且不會對土體動剪切模量造成影響，但可增大土體的阻尼比。而水泥改良土通過同時提高土體的動摩擦角和動粘聚力的方式提高土體動強度，且同時增大軟土的動剪切模量和阻尼比。

(3)PVA纖維和水泥改良軟土的機制不同，PVA纖維主要通過其較好的親水性和凝膠作用團聚土顆粒，且以較高的纖維抗拉強度對土體形成加筋作用，并未填充土壤孔隙，使改良土依然具有良好的透氣性；而水泥改良土主要通過水化作用形成C-S-H水化硅酸鈣晶體填充并凝結土體，提高軟土的強度，降低了軟土的透氣性。

(4)在實際的土壤工程性質的改良過程中，可以使用PVA纖維代替水泥，其改良效果優(yōu)越、價格低廉且不會對實際環(huán)境造成污染，在軟土改良中具有潛在的價值，是一種理想的土壤固化劑。