聚乙烯醇纖維加筋水泥固化疏浚土靜力特性試驗研究

王正龍，鄧 杰，梅 嶺，王炳輝

(1.中煤長江基礎(chǔ)建設(shè)有限公司，南京 210046) (2.江蘇科技大學 土木工程與建筑學院，鎮(zhèn)江 212100)

疏浚土廣泛存在于長江中下游航道中，由于其高含水率、低滲透性、低承載力等特性，使其幾乎沒有利用價值，大多通過挖泥船從江底抽出直接吹填到岸邊，或者拋填，對環(huán)境造成污染.極少部分疏浚土經(jīng)過處理后可用作建筑材料，但處理成本高，利用率低．因此選擇一種經(jīng)濟有效的方法處理疏浚土，對生態(tài)環(huán)境的保護、疏浚土利用率的提高都具有積極的意義．

目前工程上大多采用水泥、石灰等化學材料對疏浚土進行固化，但這種固化方法逐漸滿足不了工程的需要，存在材料、經(jīng)濟等各方面問題．而有研究表明采用纖維和水泥聯(lián)合固化可以有效加固土體[1]．

實際上利用纖維加固混凝土材料、復合材料等方面的研究由來已久[2-3]，但用來加固土體的研究尚未成熟．文獻[4]通過在素土中加入玻璃纖維，進行單軸抗壓試驗和劈裂試驗，得出玻璃纖維能夠增加素土的無側(cè)限峰值抗壓和抗拉強度．文獻[5]利用聚丙烯纖維水泥固化淤泥土時，通過無側(cè)限抗壓和直剪試驗得出隨著纖維的摻入量的增加，土體的抗壓強度提高更顯著．文獻[6]發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維可以大量的凝聚石灰土中水化硅酸鈣,從而提高了聚丙烯纖維與石灰土顆粒間的膠結(jié)力和密實度．

聚乙烯醇纖維(PVA)纖維具有高強度、高模量、低伸度、分散性好的優(yōu)點，與水泥有良好的親和力與結(jié)合力，選用PVA纖維有助于減低纖維加固水泥土的施工成本，提高水泥土的強度[7-12]．

文中針對長江中下游航道水泥疏浚土，以PVA作為加筋材料，水泥作為固化材料，開展三軸固結(jié)不排水抗剪強度特性研究，考慮纖維的長度、摻量、養(yǎng)護齡期對固化疏浚土抗剪強度(內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c)的影響，分析其對疏浚土的影響規(guī)律，得出最優(yōu)的PVA長度模數(shù)及其最佳摻入量．

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

(1) 土體

試驗疏浚土取自于長江中下游航道中水下疏浚土，經(jīng)過污水廠脫水技術(shù)處理后，土體試樣的力學特性指標如表1．

表1 疏浚土的力學特性指標

(2) 纖維材料

試驗用的聚合物纖維是聚乙烯醇纖維，簡稱PVA，在試驗中所用到纖維長度模數(shù)M分別為3、6、9、12 mm 4種．

表2 PVA纖維的物理力學性質(zhì)

(3) 水泥材料

試驗所用固化劑是普通硅酸鹽水泥P.O42.5(楊春水泥)，產(chǎn)自上海．

1.2 試驗儀器和方法

試驗采用的靜三軸儀是TSZ-2全自動三軸儀，進行固結(jié)不排水試驗，試樣為底面直徑3.91 cm、高度8 cm的圓柱體，剪切速率為每分鐘0.1%應變，即0.08 mm/min，圍壓分別為100、200、300 kPa 3種工況．具體操作過程參照《土工試驗方法標準》GB/T 50123-1999進行．

2 試驗方案

對纖維加筋水泥固化疏浚土進行了靜三軸試驗研究，主要考慮纖維的摻量F(0、0.1%、0.2%、0.3%)、纖維的長度模數(shù)M(3、6、9、12 mm)，不同養(yǎng)護齡期D(7、14、28 d)，對疏浚土力學性能的影響，設(shè)置了一組空白對照．具體的試驗方案如表3，試驗中選取水泥摻量為6%．

表3 疏浚土固化試驗方案

3 試驗與結(jié)果

3.1 纖維長度模數(shù)的確定

為分析PVA纖維的不同長度模數(shù)對加固疏浚土抗剪強度參數(shù)的影響，選取0.3%摻量的纖維加固疏浚土進行試驗研究，得到在不同養(yǎng)護齡期(7、14、28 d)，纖維長度模數(shù)分別為3、6、9、12 mm時土樣抗剪強度參數(shù)的變化規(guī)律，試驗結(jié)果如圖1～4．

(1) 對黏聚力的影響

圖1為不同齡期下，纖維長度模數(shù)與土樣黏聚力c的變化關(guān)系，齡期在7、14 d時，隨著纖維長度模數(shù)的增大，土樣的黏聚力不斷增加，并有穩(wěn)定的趨勢；齡期在28 d時，土樣的黏聚力在纖維長度模數(shù)為6 mm時最大，隨著纖維長度模數(shù)的進一步增大，土樣的黏聚力有所下降，但下降幅度不大．由此可見，纖維長度模數(shù)的增大對土樣黏聚力的增長有積極作用；但隨著養(yǎng)護齡期的增大，纖維長度模數(shù)對土樣黏聚力增長的貢獻越來越小，摻入纖維的長度模數(shù)存在最優(yōu)值．

圖1 疏浚土黏聚力在不同齡期下隨纖維長度模數(shù)變化Fig.1 Changes of cohesion of dredged soil with fiber length modulus at different ages

為研究纖維在不同長度模數(shù)下，土樣黏聚力隨養(yǎng)護齡期增長而增加的變化率，以養(yǎng)護齡期為7 d土樣的黏聚力為基準進行歸一化處理，結(jié)果如圖2．

圖2 黏聚力隨長度模數(shù)變化歸一化Fig.2 Normalization of cohesion with different length modulus

由圖2可知，在同一長度模數(shù)下，隨著養(yǎng)護齡期的增大，黏聚力也逐漸增大，且在7～14 d的增長幅度遠小于14～28 d的增長幅度；另外，由圖2可知，纖維長度模數(shù)為6 mm時，土樣黏聚力的增幅達到最大，增大約2.0倍，隨著纖維長度進一步增大，土樣黏聚力的增幅有所下降．所以，摻入6 mm的纖維長度可使土體有最大的黏聚力．

(2) 對內(nèi)摩擦角的影響

圖3為不同齡期下，纖維長度模數(shù)與土樣內(nèi)摩擦角φ的變化關(guān)系，隨著纖維長度模數(shù)的增大，土樣的內(nèi)摩擦角逐漸降低并趨于穩(wěn)定．其中，齡期在7、14 d時，土樣的內(nèi)摩擦角隨著纖維長度模數(shù)的增大，降低幅度較大；齡期在28 d時，土樣的內(nèi)摩擦角隨著纖維長度模數(shù)的增大，降低幅度較小．這是因為纖維在摻入疏浚土后有一定吸附自由水的能力，在一定程度上增大在土顆粒中的滑移效果，從而降低了纖維與土顆粒之間的滑動摩擦力，纖維長度模數(shù)越大，滑移效果越明顯．

圖3 疏浚土內(nèi)摩擦角在不同齡期下隨纖維長度模數(shù)變化Fig.3 Variation of internal friction angle of dredged soil with fiber length modulus at different ages

為研究纖維在不同長度模數(shù)下，土樣內(nèi)摩擦角隨養(yǎng)護齡期增長而降低的變化率，以長度模數(shù)3 mm，養(yǎng)護齡期為7、14、28 d土樣的內(nèi)摩擦角為基準進行歸一化處理，結(jié)果如圖4．

由圖4可知，在同一長度模數(shù)下，隨著養(yǎng)護齡期的增大，土樣的內(nèi)摩擦角逐漸下降，且降幅也逐漸減?。渲?，試樣在養(yǎng)護28 d時，內(nèi)摩擦角變化平緩，此時纖維長度模數(shù)對內(nèi)摩擦角幾乎沒有影響；而相對于養(yǎng)護7、14 d，內(nèi)摩擦角變化較大．所以，隨著養(yǎng)護齡期的增大，纖維長度模數(shù)對土樣內(nèi)摩擦角的影響趨于穩(wěn)定．

圖4 內(nèi)摩擦角隨長度模數(shù)歸一化Fig.4 Normalization of internal friction angle with different length modulus

由分析可知，試樣在纖維摻入量為0.3%時，在相同的養(yǎng)護齡期下，隨著纖維長度模數(shù)的變化，加固疏浚土的黏聚力在長度模數(shù)為6 mm達到最大值；而隨著養(yǎng)護齡期的增大，土樣內(nèi)摩擦角隨著纖維長度模數(shù)增大而降低的速率趨于平緩，即纖維長度模數(shù)對土樣的內(nèi)摩擦角影響趨于穩(wěn)定．所以，選擇6 mm長度模數(shù)的PVA，養(yǎng)護28 d具有較好固化效果．

3.2 摻量的確定

為分析PVA纖維的不同摻量對加固疏浚土抗剪強度參數(shù)的影響，根據(jù)分析，選取6 mm纖維長度模數(shù)的加固疏浚土進行試驗研究，得到在不同養(yǎng)護齡期下(7、14、28 d)，纖維摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%時土樣抗剪強度參數(shù)的變化規(guī)律，試驗結(jié)果如圖5～8．

(1) 對黏聚力的影響

圖5為不同齡期下，纖維摻量與土樣黏聚力c的變化關(guān)系．如圖5，齡期在7、14 d時，隨著纖維摻量的增大，土樣的黏聚力不斷增加，并有逐漸收斂的趨勢；齡期在28 d時，土樣的黏聚力在纖維摻量為0.1 mm時有最大值，隨著纖維摻量的進一步增大，土樣的黏聚力趨于定值．這即說明，纖維的有無對固化土黏聚力起著關(guān)鍵的作用，但隨著養(yǎng)護時間的增長，纖維的摻量的影響趨于平緩，主要是其含水率減少的原因．所以，纖維的摻量并非越多加固效果越好，而是存在最優(yōu)值．

圖5 疏浚土黏聚力在不同齡期下隨纖維摻量變化Fig.5 Changes of cohesion of dredged soil with fiber content at different ages

為研究纖維不同摻量下，土樣黏聚力隨齡期增長而增加的變化率，以養(yǎng)護齡期為7 d土樣的黏聚力為基準進行歸一化處理，結(jié)果如圖6．

圖6 黏聚力隨摻量變化歸一化Fig.6 Normalized graph of cohesion with different fiber content

由圖6可知，在同一摻量下，隨著養(yǎng)護齡期的增大，黏聚力也逐漸增大，且在7～14 d的增長幅度小于14～28 d的增長幅度；由圖6還可知，纖維摻量為0.1%時，土樣黏聚力的增幅達到最大，隨著纖維長度進一步增大，土樣黏聚力的增幅有所下降．所以，摻入0.1%的纖維長度即可使土體具有最大的黏聚力．

(2) 對內(nèi)摩擦角的影響

圖7為不同齡期下，纖維摻量與土樣內(nèi)摩擦角φ的變化關(guān)系，在摻量為0時，試樣的內(nèi)摩擦角有著很小幅度的增長，主要是因為水泥固化，吸收水分，增大了土顆粒之間的摩擦；后續(xù)隨著纖維摻量的增大，土樣的內(nèi)摩擦角逐漸降低并趨于穩(wěn)定．這還是因為纖維在摻入疏浚土后吸附自由水的緣故，增大了在土顆粒中的滑移效果，纖維摻量越大，滑移效果越明顯．

圖7 疏浚土內(nèi)摩擦角在不同齡期下隨纖維摻量變化Fig.7 Variation of internal friction angle of dredged soil with fiber content at different ages

為研究纖維在不同摻量下，土樣內(nèi)摩擦角隨養(yǎng)護齡期增長而降低的變化率，分別以養(yǎng)護齡期為7、14、28 d土樣的內(nèi)摩擦角為基準進行歸一化處理，結(jié)果如圖8．

圖8 內(nèi)摩擦角隨纖維摻量歸一化Fig.8 Normalized diagram of internal friction angle with different fiber content

由圖8可知，在同一纖維摻量下，隨著養(yǎng)護齡期的增大，土樣的內(nèi)摩擦角逐漸下降，且降幅也逐漸減小，都趨于平緩．所以，隨著養(yǎng)護齡期的增大，纖維摻量對土樣的內(nèi)摩擦角影響趨于穩(wěn)定．

由以上分析可知，在纖維長度6 mm時，試樣的黏聚力隨著摻入量的增加總體上呈現(xiàn)上升趨勢，其中在養(yǎng)護28 d時，試樣的黏聚力在摻量0.1%時到最大值，而內(nèi)摩擦角在養(yǎng)護28 d時基本趨于平緩，不會隨著摻量的變化而變化．因此選用6 mm長度模數(shù)的PVA，摻入0.1%時，對長江中下游疏浚土的加固效果最佳．

4 結(jié)論

(1) 養(yǎng)護齡期為7、14 d時，固疏浚土的黏聚力隨纖維長度模數(shù)的增大逐漸增大；養(yǎng)護到28 d時，其黏聚力隨纖維長度模數(shù)的增大有最大值．

(2) 隨著纖維長度模數(shù)的增大，土體的內(nèi)摩擦角逐漸降低并趨于穩(wěn)定，且隨著養(yǎng)護齡期的增大，長度模數(shù)對土體內(nèi)摩擦角的影響不大．

(3) 養(yǎng)護齡期為7、14 d時，加固疏浚土的黏聚力隨纖維摻量的增大逐漸增大；養(yǎng)護到28 d時，其黏聚力隨纖維摻量的增大有最大值．

(4) 隨著纖維摻量的增大，土體的內(nèi)摩擦角逐漸降低并趨于穩(wěn)定，且隨著養(yǎng)護齡期的增大，摻量對土體內(nèi)摩擦角的影響趨于穩(wěn)定．

(5) 試樣在養(yǎng)護28 d下，摻入纖維長度模數(shù)為6 mm時，對長江中下游疏浚土的加固效果最佳，最佳的纖維摻量為0.1%．