聚丙烯酰胺(PAM)改良黃泛區(qū)粉土堤防水理特性試驗(yàn)

關(guān)鍵詞：改良土；PAM;堤防；水理特性；崩解試驗(yàn)；體積含水率

開封位于河南東部的黃泛區(qū)，有世界罕見的地上“懸河”黃河段，沉積了大量的粉土。粉土具有壓實(shí)難、黏結(jié)性弱、潮濕狀態(tài)易流動(dòng)、動(dòng)荷載作用下易液化等不良工程特性。在強(qiáng)降雨和地下水位上升時(shí)，水作用易導(dǎo)致粉土發(fā)生崩解及強(qiáng)度降低，誘發(fā)建筑物沉降變形、邊坡滑坡、堤防破壞及路堤翻漿等后果，有可能帶來嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，有必要開展粉土改良，研究其水理性，確保邊坡、路基及建筑物的穩(wěn)定及安全。

近年來，針對非飽和粉土水理特性問題已取得了一些有價(jià)值的研究成果。李文政等利用V-G模型擬合了不同坡位土體的土一水特征曲線，通過分析不同參數(shù)，對不同坡位土體的滲透性能和持水能力進(jìn)行了評估。畢銀強(qiáng)等以多種理論模型對三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，反演和解析了非飽和黃土的土一水特征曲線，并從本構(gòu)關(guān)系及強(qiáng)度模型人手，探究了基于吸應(yīng)力的強(qiáng)度特性。黎桉君等研究MICP加固紫色土，在不同初始干密度、含水率及顆粒級配條件下進(jìn)行浸水崩解試驗(yàn)，結(jié)合電鏡分析，探討了其崩解規(guī)律。黎澄生等基于PM方法，獲得了不同飽和度下花崗巖殘積土的非飽和有效應(yīng)力，結(jié)合瞬態(tài)人滲模型進(jìn)行崩解機(jī)制分析。趙志峰等研究顆粒級配對MICP加固粉土的影響，表明摻入一定比例的砂土有利于提高粉土的水穩(wěn)性。胡再強(qiáng)等分析了石灰改良黃土的土一水特征曲線，了解其持水性，并結(jié)合數(shù)學(xué)模型預(yù)測改良黃土的滲水系數(shù)，得出了滲水系數(shù)與基質(zhì)吸力之間的冪函數(shù)關(guān)系。趙昊宇等分析水泥混摻不同含量粉土改良風(fēng)積沙的凍融特性，指出改良形成堿性環(huán)境，降低了土體持水能力，對環(huán)境造成污染，影響了地下建筑物服役壽命，因此建議改良材料優(yōu)先選擇高效及環(huán)保材料，以滿足國家綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。

與摻石灰、水泥等傳統(tǒng)改良法相比，摻高分子聚合物PAM更加生態(tài)環(huán)保。PAM長分子鏈結(jié)構(gòu)在顆粒之間起到“架橋”作用，促進(jìn)絮團(tuán)形成，酰胺基可與土壤親和或吸附形成氫鍵，起到固化土顆粒的作用。基于PAM結(jié)構(gòu)特性，Wei等通過一維垂直人滲試驗(yàn)，得出土壤保水率隨著PAM含量增大先增大后減小的結(jié)論。Mamedov等利用低吸力下保水曲線，研究了PAM溶液對不同土壤團(tuán)聚體加固效果、土體孔隙分布及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響規(guī)律等。在農(nóng)業(yè)方面，PAM作為改良劑，可通過調(diào)節(jié)土壤的膠體理化行為來改善土壤結(jié)構(gòu)，從而減少土壤侵蝕和元素流失。但對其在工程中的探索及應(yīng)用研究相對較少。利用PAM改良粉土并了解其水理性質(zhì)，不僅可以預(yù)防粉土病害，而且有利于提高粉土性能及工程價(jià)值，也有助于穩(wěn)固堤防及保護(hù)附近或上部歷史建筑。

1試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)粉土樣本取自黃泛區(qū)開封市鐵塔公園水系碼頭項(xiàng)目。鐵塔始建于北宋皇佑元年（公元1049年），其是1961年我國首批公布的國家重點(diǎn)文物保護(hù)單位。試樣取土深度為1.5～2.0m。土顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果見表1，通過輕型擊實(shí)試驗(yàn)獲得了土樣的最大干密度為1.60g/cm3及最優(yōu)含水率為16.5%，具體見圖1，基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表2。PAM是由丙烯酰胺通過自由基引發(fā)聚合而成的一種有機(jī)高分子線性聚合物，離子特性為陰離子，形態(tài)為白色顆粒，易溶于水，水溶液為透明黏稠液體。

1.2試驗(yàn)方法

為了消除自然沉積對試驗(yàn)結(jié)果的影響，需要有效控制試樣顆粒級配、干密度、含水率等參數(shù)，本試驗(yàn)采用重塑土樣。將自然風(fēng)干土樣碾散并過篩（篩孔直徑為2mm），取篩下粉土放入110℃烘箱中烘干至質(zhì)量不變，然后進(jìn)行試件制作。參考董金梅等的研究，將PAM與粉土質(zhì)量比（摻量）設(shè)定為0、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%。

1.2.1土一水特征試驗(yàn)

土一水特征曲線（SWCC）主要根據(jù)濾紙法獲取，遵循熱力學(xué)平衡原理，可以間接測試土體吸力。將土樣放置在密閉容器中，濾紙?jiān)O(shè)置在試件中間，使水分自由遷移到濾紙上。放置一定時(shí)間，土樣與濾紙上的水分將自然達(dá)到平衡狀態(tài)。測定濾紙含水率來評估土樣吸力。試驗(yàn)流程如圖2所示。

1.2.2崩解試驗(yàn)

分析和評價(jià)水穩(wěn)性多采用浸水崩解試驗(yàn)。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）中相關(guān)要求和前人研究成果，設(shè)計(jì)了崩解試驗(yàn)裝置。首先，在燒杯底部放置一個(gè)環(huán)刀；其次，用鋼絲網(wǎng)托著試樣一起放置在燒杯內(nèi)的環(huán)刀頂部。在試驗(yàn)過程中，確保土樣底部一直處于水侵蝕狀態(tài)。在正式試驗(yàn)時(shí)，要求水面淹過試樣頂部，觀察并記錄試樣崩解過程的外部變化情況及試樣質(zhì)量隨時(shí)間的變化情況等。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系

濾紙率定曲線方程如下：

通過式（1）可獲得不同條件下改良土的基質(zhì)吸力。從圖3可以看出，不同摻量的PAM改良土呈現(xiàn)相似的非線性變化趨勢。隨體積含水率增大基質(zhì)吸力不斷減小，大致可分為3個(gè)階段。

1）吸力驟降階段?；|(zhì)吸力可以視為土基質(zhì)對水的吸附潛能。在含水率較低日寸，土中水分較少，多為強(qiáng)結(jié)合水，毛細(xì)效應(yīng)較強(qiáng)，基質(zhì)吸力較大。隨著含水率的增大，孔隙逐漸被水分占據(jù)。土粒周圍薄膜水相對于孔隙氣壓力而言形成的負(fù)壓變小，所以基質(zhì)吸力快速下降。

2）吸力緩慢降低階段?？赡茉撾A段孔隙水以毛細(xì)水存在，孔隙水勢能與自由水勢能間差值較小，所以基質(zhì)吸力較小且下降速率相對緩慢。

3）吸力基本穩(wěn)定階段。隨著含水率繼續(xù)增大，試樣接近飽和，吸力基本穩(wěn)定。

通過對比分析不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基質(zhì)吸力接近0時(shí)，在相同飽和條件下，改良土的體積含水率大于素土的，表明改良土的起始體積含水率較大，親水性較強(qiáng)，持水性較好。

2.2SWCC分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)為離散點(diǎn)，準(zhǔn)確反映非飽和土性質(zhì)相對困難，因此可通過特定的數(shù)學(xué)模型將試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合成連續(xù)的SWCC。由于Gardner、Fredlund-Xing、雙應(yīng)力變量廣義土一水特征曲線模型（W-G）僅在分點(diǎn)擬合方面優(yōu)勢突出，而Van-Genuchten模型在整體擬合方面效果最好且應(yīng)用較廣泛，因此本文采用Van-Genu-chten模型對改良土的SWCC進(jìn)行擬合。

不同摻量下PAM改良土的SWCC擬合結(jié)果見圖4，試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)能較好地呈現(xiàn)在擬合曲線上，相關(guān)性良好。不同摻量PAM改良土的SWCC變化趨勢相似?；|(zhì)吸力越大，改良土體積含水率越明顯大于素土的。體積含水率越大，表明持水性越強(qiáng)，但持水性并不是隨摻量的增加而增大。在低吸力段及中高吸力段，曲線趨勢相對平緩，體積含水率變化不大。這是因?yàn)樵诘臀Χ危馏w孔隙基本上被水分占據(jù)，只有極少部分為不連續(xù)的空氣，所以含水率變化并不明顯。在中高吸力階段，水分僅存在于顆粒間結(jié)合部位，含水率變化相對緩慢，土體持水性較強(qiáng)。在中吸力階段，曲線趨勢相對較陡，土體中的水及空氣基本是連續(xù)的，說明水流動(dòng)暢通，含水率變化顯著。研究表明，摻量為0.8%改良土的SWCC整體趨勢較平緩，體積含水率損失較小，持水性最強(qiáng)。

2.3崩解特征

2.3.1崩解特征現(xiàn)象描述

通過分析試樣崩解情況（見表3）可知：當(dāng)素土樣浸水后，水進(jìn)入孔隙和裂隙中將大量的氣體擠出：試樣表面大量氣泡逸出，裂縫愈多愈深，表層易被頂起，部分土體脫落，水渾濁不堪；30min左右試樣崩解一半，崩解產(chǎn)物呈分散顆粒狀，水穩(wěn)性相對較差。

不同摻量PAM改良土與素土相比，水穩(wěn)性得到明顯改善。0.4%摻量PAM改良土試樣浸水過程中，試樣側(cè)面孔隙處土體出現(xiàn)鱗片狀剝落，5min左右側(cè)面一周土體基本脫落：隨著浸泡時(shí)間延長，試樣上表面產(chǎn)生大量氣泡，裂紋由短小逐漸變?yōu)檩^長的貫通裂縫，脫落范圍不斷增大：1h后脫落約一半，待狀態(tài)趨于穩(wěn)定，試樣基本“完全崩解”，土體雖已脫落但仍黏結(jié)在一起，呈塊狀堆積在鋼絲網(wǎng)上。0.6%摻量PAM改良土試樣在浸水后，表面有較少分散顆粒崩解；隨著水分繼續(xù)人滲，試樣上部發(fā)生局部崩解，崩解產(chǎn)物中存在少量塊狀土體：24h后狀態(tài)趨于穩(wěn)定，試樣發(fā)生變形，但并不松散，而是有黏性土體堆積在鋼絲網(wǎng)上，沒有氣泡再產(chǎn)生，此時(shí)殘余土體已達(dá)到飽和狀態(tài)，與文獻(xiàn)所述現(xiàn)象基本一致。0.8%摻量PAM改良土試樣浸水過程中，初期在土樣邊緣僅有少量氣泡產(chǎn)生，隨后部分小顆粒開始脫落：0.5h后邊緣裂紋變多，導(dǎo)致薄弱面增多，水分進(jìn)入土體內(nèi)部：24h后邊緣裂縫不斷變深且呈塊狀剝落，試樣中間有細(xì)小裂紋，相對素土保持較完整。1.0%摻量PAM改良土試樣浸水后，其表面只有微量氣泡從孔隙中產(chǎn)生：試樣吸水后出現(xiàn)微膨脹，當(dāng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在表面形成一層薄水膜，雖出現(xiàn)極少量短而細(xì)的微小裂紋，但不易崩解，依舊保持完整，浸泡用水清澈透明，僅有極少土顆粒脫落。1.2%摻量PAM改良土試樣浸水后，僅發(fā)生微膨脹且表面沒有裂紋，相對完好。綜上所述，摻量越大，試樣抗崩解性能越強(qiáng)，PAM有利于土體整體穩(wěn)定，改良效果明顯。

2.3.2崩解特征分析

由圖5可知，當(dāng)摻人PAM后，短時(shí)間內(nèi)試樣崩解曲線與重塑素土樣差異較大，崩解時(shí)間小于20min時(shí)，0.4%摻量PAM改良土的崩解速率大于素土的，PAM含量較少，在顆粒表面吸附加強(qiáng)了細(xì)粒的結(jié)合，導(dǎo)致顆粒平均直徑增大，表面結(jié)構(gòu)保持多孔性，試樣易崩解。0.4%摻量PAM改良土試樣崩解率緩慢增大，而素土的呈線性上升、在1h左右崩解率達(dá)90%。0.6%摻量PAM改良土試樣在5min內(nèi)崩解率為負(fù)值，因初期土樣中孔隙被水填充，故質(zhì)量增大，隨著水分繼續(xù)滲入，顆粒變得更光滑，黏聚力減小，孔隙發(fā)展為裂縫，土樣崩解率為23%左右。0.8%～1.2%摻量PAM改良土試樣發(fā)生崩解的趨勢基本一致，崩解率均為負(fù)增長，說明短時(shí)間內(nèi)試樣基本不發(fā)生崩解。

土樣崩解率差異可以反映摻量對PAM改良土水穩(wěn)性的影響。隨著浸水時(shí)間的延長，改良土崩解主要分為3個(gè)階段（見圖6）。

1）快速崩解階段（0～2h）。摻量0.4%和0.6%的PAM改良土有相似的崩解特征，崩解速率呈線性上升。摻量0.8%～1.2%的PAM改良土崩解率為負(fù)增大，主要原因是初期土樣吸水填充孔隙，在土顆粒表面產(chǎn)生PAM膠結(jié)皮層“包裹效應(yīng)”，使土不宜松散、流失。

2）中期緩慢崩解階段（2～8h）。摻量0.4%～0.8%的PAM改良土試樣崩解率緩慢上升，摻量增加，崩解率則減小。當(dāng)摻量為1.0%～1.2%時(shí)，崩解率仍為負(fù)值。

3）后期崩解趨于穩(wěn)定階段（8～24h）。此階段改良土崩解率基本趨于穩(wěn)定，1.0%和1.2%摻量的改良土未發(fā)生崩解。通過對圖6曲線進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，PAM對土的耐崩解性有較好的提升作用，其摻量越大，改良試樣耐崩解性越強(qiáng)。

3改良土水理性特征

3.1改良土持水性特征

利用Van-Genuchten模型對改良土進(jìn)行非線性擬合，獲得其參數(shù)a與摻量的關(guān)系曲線，見圖7。參數(shù)a與空氣進(jìn)氣值負(fù)相關(guān)，進(jìn)氣值大小與土體最大孔隙負(fù)相關(guān)。改良土參數(shù)a均小于素土的，摻人PAM可有效減小土體孔隙。在相同基質(zhì)吸力條件下，孔隙越小，空氣進(jìn)入越緩慢，體積含水率變化越小，持水性越強(qiáng)。增大摻量，參數(shù)a整體下降。摻量為0.6%～1.0%時(shí)改良土擬合參數(shù)a相差不大，相較于素土下降了19.23%。當(dāng)摻量增加到1.2%時(shí)，擬合參數(shù)a相較于素土下降了30.76%，原因可能是PAM摻人過量，優(yōu)先與自身結(jié)合，“包裹”土體孔隙，使得空氣進(jìn)入較困難，造成參數(shù)a偏小。因此，摻量不同，導(dǎo)致PAM改良土內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)不同，影響了水分在土體中的遷移。

參數(shù)b與土體脫濕速率和SWCC彎曲程度有關(guān)（見圖8），參數(shù)6越小，曲線彎曲程度越不明顯，摻量為0.4%～1.0%時(shí)，曲線整體呈下降趨勢，表明隨著基質(zhì)吸力增大，體積含水率減小的速率下降，試樣持水性增強(qiáng)，但PAM對減小土體體積含水率速率的影響并不明顯。當(dāng)摻量增加至1.2%時(shí)，b值明顯變大，PAM摻人過量導(dǎo)致顆粒間吸力降低及雙電層厚度增大，削弱了土體持水性。

參數(shù)0，為土體殘余含水率。由圖9可知，存在一定閾值，并不隨摻量的增加而變大。殘余含水率在土體中是以蒸汽或薄膜水流動(dòng)交換為主體。PAM使土體殘余含水率整體呈上升趨勢，表明PAM抑制土體中水分的蒸發(fā)，增強(qiáng)了持水性。摻量1.0%的改良土殘余含水率達(dá)到最大值，與素土相比增大了37.34%。說明改良土在相同基質(zhì)吸力條件下，殘余含水率越大，持水性越強(qiáng)。因此，摻人適量PAM對土體的持水性具有一定的改善作用。

3.2改良土水穩(wěn)性特征

崩解速率與摻量關(guān)系曲線見圖10。摻量在0.8%～1.0%范圍時(shí)該曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)之前，在相同摻量下，隨著浸泡時(shí)間延長，試樣崩解率增大。原因是細(xì)小團(tuán)粒結(jié)構(gòu)及顆粒相互凝聚形成的團(tuán)聚體內(nèi)部黏滯度相對較小。隨著浸水時(shí)間的延長，PAM不斷吸水，減小了土體黏滯性，團(tuán)聚體又分散成細(xì)小顆粒。拐點(diǎn)之后，在相同摻量下，隨浸泡時(shí)間延長，崩解率保持負(fù)值。PAM是水溶性物質(zhì)，其含量高會(huì)將土體中大量自由水鎖住并繼續(xù)吸水，導(dǎo)致土樣質(zhì)量增大。摻量為1.0%～1.2%時(shí)，浸泡時(shí)間相同，崩解率變化較小。PAM溶于水之后，逐漸形成纖維狀的分子長鏈并隨水一起進(jìn)入土體孔隙，易造成孔隙堵塞或過水面積減小，從而阻擋水有效滲透。

4結(jié)論

通過對PAM改良粉土進(jìn)行水理性測定，可以評價(jià)摻量對粉土持水性和水穩(wěn)性的影響?；赩an-Genu-chten數(shù)學(xué)模型可正確擬合PAM改良土SWCC曲線，發(fā)現(xiàn)隨著體積含水率增大，基質(zhì)吸力下降可分為吸力驟降、吸力緩慢降低及吸力基本穩(wěn)定3個(gè)階段。在相同基質(zhì)吸力條件下，不同摻量PAM改良土殘余含水率均大于素土的，持水性相對較強(qiáng)。摻量為0.8%～1.0%時(shí)，基質(zhì)吸力相對較強(qiáng)，體積含水率變化較小，持水性較強(qiáng)。通過崩解試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)素土浸水易快速崩解，PAM可有效改善土體水穩(wěn)性。隨著摻量增大，土體崩解率逐漸減小，土樣形態(tài)相對完整。摻量為1.0%～1.2%時(shí)，土樣保持原狀基本不發(fā)生崩解，水穩(wěn)性最佳。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)聚丙烯酰胺改善了粉土的水理性，可預(yù)防其病害并為堤防加固、工程建設(shè)及古建文物保護(hù)方案制定等提供一些參考。