含水率及摻砂量對雙聚材料改良碎石土性能的影響

裴向軍，羅陽楚君，楊晴雯

(成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，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害誘發因素。隨著國家對基礎設施建設項目投資力度的不斷加大，公路建設項目逐漸開展起來。在山區的公路工程建設中，公路多穿行于河谷山川之間，需開挖邊坡，若不及時處理，可能造成裸露邊坡坡面侵蝕、水土流失，甚至斜坡失穩造成山體滑坡，嚴重影響生態環境及公路的正常運營。因此，選擇合適的邊坡治理措施具有重要的現實意義。

傳統的邊坡加固方式如框格、護面墻及噴漿防護等方式，多采用漿砌片石和混凝土等無機結合料砌筑，材料與土質坡面剛性的長期結合會導致脫落、變形，還阻隔了植被生長，不利于生態環境。為了克服以上缺點，目前采用比較新穎的治理措施—化學加固巖土體。在土壤中加入固化劑，改善土體性質和結構，使細粒土產生凝聚和膠結作用形成較大的團粒結構，從而提高土體強度和水穩定性，使得坡面的工程性質提高[1-4]。巖土體固化劑的研究以美、日等國家為代表，從20世紀40年代開始發展。國內從20世紀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，土壤固化技術得到快速發展，研發了一系列固化材料，取得了很多理論成果和實際經驗：劉瑾[5]等發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過高分子聚合反應產生；唐朝生[6]等研究了聚丙烯纖維加固軟土的效果和機制，改善了石灰土和水泥土的脆性破壞形式，并使其水穩性得到改善；莊中霞[7]等證明了Renolit固化劑在工程運用時，能提高堤防的防滲、抗壓等性能，同時具有施工方便、就地取材、維護方便等優點；黃河[8]等自主研發的STW型生態固化劑能改性膨脹土的水理性質，還初步分析了其改性機理；方祥位[9]等研究了GT型土壤固化劑能增強土體的各項性能；侯浩波[10]等利用室內試驗及工程應用的研究，闡明了HAS土壤固化劑的加固特性；王銀梅[11]等用SH新型高分子材料進行了固沙試驗和黃土化學改良試驗；彭思甜[12]等研究了改善膨脹土的土壤固化劑機能，為治理路基病害提供技術支撐；徐淵博[13]等研究出了具有良好的固結強度、水穩性PAM-CATS土壤固化劑，使得加固土體的無側限抗壓強度值大幅度提高。

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

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

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本次試驗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，其物理性質如表2。由表2可知，該天然碎石土幾乎不具粘聚力，而且級配不良。以下試驗用土均取過5 mm孔篩后的碎石土。

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

1.2 試驗制備及設備

根據GB/T50123—1999《土工試驗方法標準》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量比)。然后按照試驗設計的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的試樣都采用壓樣法，根據干密度為1.4 g/cm3的稱量(試樣稱量=干密度×環刀容積×(1+試驗設計含水率))填入直徑為61.8 mm，高度為20 mm，容積為60 mm3的環刀中，待試樣稱量(試樣稱量=干密度×環刀容積×(1+自然含水率))自然風干到天然含水率后，再進行直接剪切和耐水性試驗。試驗所采用的直剪儀器為DJY—4電動四聯直剪儀，見圖1。耐水性試驗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 不同含水率的試驗研究

對配制好的各組試樣分別進行了直接剪切試驗和耐水性試驗，研究不同含水率對加固土性能的影響。

2.1 直接剪切試驗

直剪試驗時，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，得到粘聚力和內摩擦角變化趨勢如圖2。

圖2 不同含水率加固土的粘聚力和內摩擦角變化趨勢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，對內摩擦角影響很小。在一定范圍內增加含水率，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，出現在含水率為30%時，為碎石土的塑限值，此時粘聚力提高了20.3%。當含水率超過30%時，粘聚力反而降低了20%。而加固土的內摩擦角幾乎不受含水率變化的影響。

2.2 耐水性試驗

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

表3 不同含水率加固土的水穩性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，均具有良好的水穩定性，但當含水率超過碎石土的塑限值后，水穩性能稍有下降，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。

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

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

因為在適當含水率的作用下，顆粒表面水分子與雙聚材料發生競爭吸附，使得細顆粒通過這些大分子鏈相互連結起來，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]。當繼續提高含水率，土粒結合水膜變厚，吸力減小，減弱了雙聚材料對土顆粒的膠結作用，使得加固土的粘聚力和耐水性開始呈現下降趨勢。

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，導致內摩擦角未能明顯提高。因此想要提高改良碎石土的內摩擦角，可在碎石土中摻入砂，一方面用以改善碎石土的天然級配，另一方面用以增加顆粒表面的粗糙度。含水率試驗證實了最優含水率為塑限值，摻砂量試驗的含水率選取塑限值。

3 不同摻砂量的試驗研究

3.1 試樣材料及方法

為了提高加固土內摩擦角，試驗選取普通烘干的河砂進行研究，其特性參數如表4。

表4 砂的特性參數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)的砂充分攪拌，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，然后自然風干放置至天然含水率，進行直接剪切和耐水性試驗。

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

3.2 直接剪切試驗

直剪試驗時，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，得到粘聚力和內摩擦角變化趨勢如圖4。

圖4 不同摻砂量雙聚材料加固土的粘聚力和內摩擦角 變化趨勢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先增加后減小的趨勢。粘聚力最大值為81.8 kPa，出現在摻砂量為5%時，是天然碎石土的136倍，比摻砂量為0%時的加固土提高了0.6%。摻砂的加固土內摩擦角隨摻砂量的增加先增加后減小。摻砂量為5%時加固土的內摩擦角達到最大，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，適量的砂量對提高加固土的內摩擦角有顯著作用。

3.3 耐水性試驗

通過不同摻砂量加固土耐水性試驗得到耐水性指標，如表6。

表6 不同摻砂量加固土的水穩性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定性，但當摻砂量為15%時，水穩性能有所下降。

3.4 原因分析

試驗表明，適當的砂量對加固土的內摩擦角有一定的提高作用，是因為適當的砂在碎石土的粗顆粒中增加了細顆粒的含量，提高了土體的級配，細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。隨著摻砂量的繼續增加，土樣的抗剪強度和耐水性有所降低，因為隨著含砂量的增加，減弱；碎石土顆粒與雙聚材料的膠結作用，細顆粒繼續增多，顆粒間的接觸面積減小，顆粒間相對更容易移動，使內摩擦角開始減小。

4 結 論

通過含水率和摻砂量試驗，得到以下結論：

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時含水率的變化對加固土的粘聚力有較大影響。其中最優含水率出現在塑限值處，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，對內摩擦角影響不大。

3)使用雙聚材料改良碎石土時適當增加含砂量，使得內摩擦角和粘聚力提高，內摩擦角是天然碎石土的1.2倍。碎石土最優摻砂量為5%，此時加固土的內摩擦角和粘聚力均達到最大值，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，加固效果達到最優。