含水率及掺砂量对双聚材料改良碎石土性能的影响

裴向军，罗阳楚君，杨晴雯

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

0 引 言

公路开挖及边坡冲刷都是公路边坡常见的灾害诱发因素。随着国家对基础设施建设项目投资力度的不断加大，公路建设项目逐渐开展起来。在山区的公路工程建设中，公路多穿行于河谷山川之间，需开挖边坡，若不及时处理，可能造成裸露边坡坡面侵蚀、水土流失，甚至斜坡失稳造成山体滑坡，严重影响生态环境及公路的正常运营。因此，选择合适的边坡治理措施具有重要的现实意义。

传统的边坡加固方式如框格、护面墙及喷浆防护等方式，多采用浆砌片石和混凝土等无机结合料砌筑，材料与土质坡面刚性的长期结合会导致脱落、变形，还阻隔了植被生长，不利于生态环境。为了克服以上缺点，目前采用比较新颖的治理措施—化学加固岩土体。在土壤中加入固化剂，改善土体性质和结构，使细粒土产生凝聚和胶结作用形成较大的团粒结构，从而提高土体强度和水稳定性，使得坡面的工程性质提高[1-4]。岩土体固化剂的研究以美、日等国家为代表，从20世纪40年代开始发展。国内从20世纪60年代开始广泛研究岩土体固化剂，起步较晚，但近二十年来，土壤固化技术得到快速发展，研发了一系列固化材料，取得了很多理论成果和实际经验：刘瑾[5]等发明了一种新型的土壤固化剂，该固化剂是通过丙烯酸等乙烯基单体为主体经过高分子聚合反应产生；唐朝生[6]等研究了聚丙烯纤维加固软土的效果和机制，改善了石灰土和水泥土的脆性破坏形式，并使其水稳性得到改善；庄中霞[7]等证明了Renolit固化剂在工程运用时，能提高堤防的防渗、抗压等性能，同时具有施工方便、就地取材、维护方便等优点；黄河[8]等自主研发的STW型生态固化剂能改性膨胀土的水理性质，还初步分析了其改性机理；方祥位[9]等研究了GT型土壤固化剂能增强土体的各项性能；侯浩波[10]等利用室内试验及工程应用的研究，阐明了HAS土壤固化剂的加固特性；王银梅[11]等用SH新型高分子材料进行了固沙试验和黄土化学改良试验；彭思甜[12]等研究了改善膨胀土的土壤固化剂机能，为治理路基病害提供技术支撑；徐渊博[13]等研究出了具有良好的固结强度、水稳性PAM-CATS土壤固化剂，使得加固土体的无侧限抗压强度值大幅度提高。

笔者采用的双聚材料由成都理工大学裴向军[14]教授自主研发(该双聚材料是由两种有机高分子材料组成的复合型材料，基本性质见表1，以下简称为1#、2#)。试验从碎石土本身出发。由于碎石土具有强度低、孔隙大、胶结能力差、几乎无粘聚力等特点，其在边坡治理过程中常带来困扰。笔者在室内配制共18组土样，研究了不同含水率及掺砂量对双聚材料改良碎石土性能(以下简称加固土)的影响，使土样具有一定的强度和耐水性。试验结果为现场工程建设提供重要参考。

表1 双聚高分子材料各组分性质Table 1 Properties of the components of polyester material

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本次试验所用土均取自在建绵九高速公路沿线开挖坡边坡面碎石土，其物理性质如表2。由表2可知，该天然碎石土几乎不具粘聚力，而且级配不良。以下试验用土均取过5 mm孔筛后的碎石土。

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

1.2 试验制备及设备

根据GB/T50123—1999《土工试验方法标准》和材料配比制备试样。

将取回的土样烘干，称取适量土样和适量比例的双聚材料，其中每组试样的材料粉末掺量与干土质量比均相同，为0.295%(其中1#为0.25%、2#为0.045%，均为材料粉末与干土的质量比)。然后按照试验设计的21%、24%、27%、30%和33%的含水率(含水率=溶解双聚材料溶液的量+加水稀释的量)进行加水稀释后充分拌匀，配制出5组不同含水率的试样。直接剪切和耐水性试验的试样都采用压样法，根据干密度为1.4 g/cm3的称量(试样称量=干密度×环刀容积×(1+试验设计含水率))填入直径为61.8 mm，高度为20 mm，容积为60 mm3的环刀中，待试样称量(试样称量=干密度×环刀容积×(1+自然含水率))自然风干到天然含水率后，再进行直接剪切和耐水性试验。试验所采用的直剪仪器为DJY—4电动四联直剪仪，见图1。耐水性试验是指把试样先放在容器里，然后把200 mL水倒入容器中，考察试样耐水性。

2 不同含水率的试验研究

对配制好的各组试样分别进行了直接剪切试验和耐水性试验，研究不同含水率对加固土性能的影响。

2.1 直接剪切试验

直剪试验时，施加垂直正向压力，分别为100、150、200、250 kPa，并保持0.8 mm/min的匀速加载速率，得到粘聚力和内摩擦角变化趋势如图2。

图2 不同含水率加固土的粘聚力和内摩擦角变化趋势Fig. 2 Trend of cohesive force and internal friction angle of reinforced soil with different moisture content

添加双聚材料后，对于不同含水率条件下加固土粘聚力都比天然碎石土提高了58～135倍，效果显著。

从图2可以看出，含水率主要影响粘聚力，对内摩擦角影响很小。在一定范围内增加含水率，粘聚力得到大幅度提高，再提高含水率，粘聚力随含水率的增加而减小。粘聚力最大值为81.3 kPa，出现在含水率为30%时，为碎石土的塑限值，此时粘聚力提高了20.3%。当含水率超过30%时，粘聚力反而降低了20%。而加固土的内摩擦角几乎不受含水率变化的影响。

2.2 耐水性试验

耐水性是土体是否具有抗冲刷和抗风蚀性的重要指标，主要通过考察两个试验现象判别其耐水性能。一是试样的稳水性能，良好的稳水性能有利于土体在降雨天气不被雨水侵蚀。二是试样自然风干后的强度，良好的强度能够保证土体在降雨后的抗风蚀性能，使得土体具有较好的保水性，能存储提供植物生长所需要的水分。通过不同含水率加固土耐水性试验得到耐水性指标，如表3。

表3 不同含水率加固土的水稳性Table 3 Water stability of reinforced soil with different moisture content

由表3可知，碎石土用双聚材料加固后，均具有良好的水稳定性，但当含水率超过碎石土的塑限值后，水稳性能稍有下降，但也能保持试样基本形状。

2.3 原因分析

图3给出了双聚材料改良碎石土在不同含水率条件下颗粒间的状态。

图3 不同含水率加固土的状态Fig. 3 State of reinforced soil with different moisture content

从图3可以看出：当含水率为21%～24%时，加固土呈颗粒状，小颗粒团聚在一起并附着在大颗粒周围，大颗粒间没有明显的胶结作用，呈“散粒状”；增加含水率至27%～30%时，不仅小颗粒会团聚，颗粒之间也会相互团聚相互作用，大小颗粒之间界限开始模糊不清；继续增加含水率至33%时，所有颗粒胶结在一起，大小颗粒无法辨别，成为一团 “整体”。

因为在适当含水率的作用下，颗粒表面水分子与双聚材料发生竞争吸附，使得细颗粒通过这些大分子链相互连结起来，颗粒间排列更紧密、孔隙面积减少、孔隙比降低，比天然碎石土粘聚力提高了58～135倍，加固效果显著且耐水性好[15]。当继续提高含水率，土粒结合水膜变厚，吸力减小，减弱了双聚材料对土颗粒的胶结作用，使得加固土的粘聚力和耐水性开始呈现下降趋势。

但含水率的改变，未能影响土颗粒表面的粗糙度，且使得颗粒破裂，导致内摩擦角未能明显提高。因此想要提高改良碎石土的内摩擦角，可在碎石土中掺入砂，一方面用以改善碎石土的天然级配，另一方面用以增加颗粒表面的粗糙度。含水率试验证实了最优含水率为塑限值，掺砂量试验的含水率选取塑限值。

3 不同掺砂量的试验研究

3.1 试样材料及方法

为了提高加固土内摩擦角，试验选取普通烘干的河砂进行研究，其特性参数如表4。

表4 砂的特性参数Table 4 Property parameters of sand

将取回的土样烘干，称取适量土样分别与0%、5%、10%、、15%(干土与砂的比重)的砂充分搅拌，再称取适量比例的双聚材料(0.295%，其中1#为0.25%、2#为0.045%，均为材料粉末与干土的质量比)按照表5的塑限值为最佳含水率加水稀释后充分拌匀，配制出8组不同掺砂量的试样，然后自然风干放置至天然含水率，进行直接剪切和耐水性试验。

表5 各组土样编号及掺量Table 5 Water stability of reinforced soil with different amount of sanding %

3.2 直接剪切试验

直剪试验时，施加垂直正向压力，分别为100、150、200、250 kPa，并保持0.8 mm/min的匀速加载速率，得到粘聚力和内摩擦角变化趋势如图4。

图4 不同掺砂量双聚材料加固土的粘聚力和内摩擦角 变化趋势Fig. 4 Trend of cohesive force and internal friction angle of dimeric material reinforced soil with different sand content

从图4可看出，在加固土中掺入砂后，粘聚力随掺砂量的增加呈现先增加后减小的趋势。粘聚力最大值为81.8 kPa，出现在掺砂量为5%时，是天然碎石土的136倍，比掺砂量为0%时的加固土提高了0.6%。掺砂的加固土内摩擦角随掺砂量的增加先增加后减小。掺砂量为5%时加固土的内摩擦角达到最大，为41.6°，是掺砂量为0%的加固土及天然碎石土的1.2倍。由此可见，适量的砂量对提高加固土的内摩擦角有显著作用。

3.3 耐水性试验

通过不同掺砂量加固土耐水性试验得到耐水性指标，如表6。

表6 不同掺砂量加固土的水稳性Table 6 Water stability of reinforced soil with different sand content

由表6可知，在双聚材料加固土中掺入砂后，也能保持良好的水稳定性，但当掺砂量为15%时，水稳性能有所下降。

3.4 原因分析

试验表明，适当的砂量对加固土的内摩擦角有一定的提高作用，是因为适当的砂在碎石土的粗颗粒中增加了细颗粒的含量，提高了土体的级配，细颗粒充填了粗颗粒的空隙，使得原来的空隙减少，限制了土颗粒的滑动和重新排列，有效地控制了土颗粒的变形和位移，增加了土样的整体性，使得摩阻力增加[16]，最大内摩擦角为掺砂量为0%的加固土及天然碎石土的1.2倍。随着掺砂量的继续增加，土样的抗剪强度和耐水性有所降低，因为随着含砂量的增加，减弱；碎石土颗粒与双聚材料的胶结作用，细颗粒继续增多，颗粒间的接触面积减小，颗粒间相对更容易移动，使内摩擦角开始减小。

4 结 论

通过含水率和掺砂量试验，得到以下结论：

1)在碎石土中加入双聚材料能显著提高土体的粘聚力和耐水性。

2)使用双聚材料改良碎石土时含水率的变化对加固土的粘聚力有较大影响。其中最优含水率出现在塑限值处，粘聚力最大值为81.3 kPa，且耐水性良好。但双聚材料中含水率的增减，对内摩擦角影响不大。

3)使用双聚材料改良碎石土时适当增加含砂量，使得内摩擦角和粘聚力提高，内摩擦角是天然碎石土的1.2倍。碎石土最优掺砂量为5%，此时加固土的内摩擦角和粘聚力均达到最大值，分别为41.6°和81.8 kPa，并具有良好的耐水性。

4)绵九高速公路沿线碎石土加固采用双聚材料掺量为0.295%、掺砂量为5%、含水率为26%时，加固效果达到最优。