PVA纤维改良软土的工程特性研究

余 浩，余振锡

(安徽工业大学建筑工程学院，安徽 马鞍山 243000)

0 引 言

软土广泛分布于我国沿海平原、三角州及湖泊周围，由于其含水量较高，孔隙比大，很容易由于抗剪强度低导致沉降变形大引发诸多工程问题[1-2]。随着基础设施建设的快速发展，我国对软土地基的工程性能要求越来越高，需要进一步对软土地基进行有效处理，刘佳钰、秦茂洁[3- 4]等对此进行了研究。软土地基处理方法分为物理加固法和化学加固法。其中，物理处理法有着耗时长、造价高、对周边环境影响较大等诸多不足，因此难以适用于实际工程当中。为此，国内外学者逐步针对更加高效的化学加固法研发新的土壤固化剂。Latif[5- 6]等研发了适用于高铁和高铝土壤的SH- 85、TX- 85土壤固化剂。黄新通过废石膏研发了一种新型CG型固化剂，可用来加固有机质土[7]。上述2种都是无机类土壤固化剂，因其化学反应的局限性和不可逆性，导致固化剂用量大，运输成本高且对土体的生长环境造成伤害，使用有一定的局限性。通过不断探索，雷诺首次提出使用离子型固化剂加固土体[8]，这种固化剂加固原理基于Kayadelen、Rajasekaran提出的土壤颗粒的双电层理论改善加固土壤[9-10]，代表性的土壤固化剂有路邦EN-1、SA- 44/LS- 40等[11-12]，但此类土壤固化剂的寿命较短，适用于短期工程。Andre等最早提出利用动植物分泌的蛋白酶加固土壤，并将之命名为生物酶类土壤固化剂[13]，这种固化剂最突出的优势是对环境没有伤害，但仍有寿命较短的问题。相比于上述土壤固化剂，还有一种有机类土壤固化剂有掺入量小、耐久性好等综合优势，是加固软土地基很好的选择，这种固化剂主要以物理反应为主，有机类固化剂渗入到土颗粒界面内部，包裹缠绕土颗粒，从而提高土颗粒粘聚力。有机类土壤固化剂已经发展了很多产品，如CON-AID公司生产的康耐(CON-AID)型有机固化剂[14]、河海大学研发的PU型土壤固化剂[15]、王银梅等研发的SH土壤固化剂[16]。

当前，基于纤维改良土已有了一定的研究基础，其中聚丙烯纤维、玄武岩纤维和钢纤维应用较为广泛，但都存在分散性较差、制作成本高的问题[17]。PVA纤维是一种以聚乙烯为原料制成的合成纤维，表面可吸附一定自由水，不仅抗拉强度高，弹性模量大，且有很好的亲水性，可溶于水中进行土壤固化[18]，兼具纤维较高的抗拉强度、有机高分子聚合物包裹缠绕能力和其可溶于水的优点。这种纤维性能稳定，耐酸耐碱，加入后可以保持长期稳定状态，环保性能较好。为此，本文对PVA纤维改良软土的物理力学性质进行研究，探讨PVA纤维在软土加固领域的适用性，利用动三轴试验确定PVA纤维改良土的路用性能，并通过扫描电镜试验和压汞试验确定其改良机理。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本次试验所用土取自安徽省马鞍山市当涂县软土地区，属于Q4全新统冲洪积层，灰色，天然含水量高，为软塑～流塑状态。原状软土基本物理参数见表1。PVA纤维为安徽皖维公司生产，见图1。水泥使用安徽海螺水泥宁国厂水泥厂生产的P.O42.5型普通硅酸盐水泥。

表1 原状软土的基本物理参数

图1 水溶性PVA纤维

1.2 试验方法

定义PVA纤维掺入比PR为PVA纤维质量与混合土总质量的比值，依次取PR=0、1%、2%、3%、4%和5%。根据现有研究成果，水泥采用掺量为3%、4%，5%进行试验。其中，最大干密度性能根据手动击实试验进行评价；界限含水量试验根据液塑限联合测定仪进行液塑限试验评价；静强度通过无侧限抗压强度试验评价；膨胀性根据自由膨胀率试验进行评价；动强度、动剪切模量及阻尼比采用动三轴试验。

采用扰动土进行试验，制样时首先将软土在(100±5)℃(膨胀性试验在105～110℃)下烘干碾碎，过5 mm筛，膨胀性试验过0.5 mm筛，放入干燥器备用。然后按照固化剂掺量将可溶性聚乙烯醇纤维融入60～80℃的水中，用磁力棒充分搅拌均匀。按照预先设定的含水量均匀将水喷入土中，充分拌和后进行制样。击实试验时，同时对单掺水泥和单掺PVA纤维进行击实，采用14%、16%、18%、20%和22%等5个含水量。将制好的试样在温度为20℃、湿度为95%的条件下养护28 d。软土试样见图2。动三轴试验选取素土、PVA纤维的最优掺量和水泥改良土的最优掺量土样进行试验。

图2 软土试样

2 试验结果及讨论

2.1 击实试验

本次试验参照GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》，使用轻型手动击实器，单位体积击实功592.2 kJ/m3，均匀分3层，每层25击进行击实试验，击实试验保证在水泥水化之前进行。试验得出最大含水量、最佳干密度随固化剂掺量的关系见图3、4。

图3 最佳含水量随固化剂掺量的关系

从图3可知，加入水泥和PVA纤维后，软土的最佳含水量均较素土有所增大，且随着固化剂的增加，2种改良土的最佳含水量均有不同程度的增大。改良软土的最佳含水量随着水泥掺量的增加呈现出近似线性的关系增加，增加速率也随着固化剂掺量呈正相关关系。随着PVA纤维掺量的增加，PVA纤维在2%以内时，最佳含水量与PVA纤维近似呈线性关系；PVA纤维掺量为2%以上时，其最佳含水量的增加速度变缓。当固化剂掺量超过4%时，固化剂掺量对最佳含水量的改变作用不明显。从图4可知，水泥的掺入可以增加改良软土的最大干密度，随着水泥掺入量的增加，最大干密度的增长规律呈线性关系，且水泥改良土的最大干密度大于PVA纤维改良土。PVA纤维的掺入量在3%以内时，不会对改良土的最大干密度造成显著影响；当掺入量大于3%时会稍有增加。

图4 最大干密度随固化剂掺量的关系

2.2 界限含水量试验

本次试验参照GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》，使用SYS数显液塑限联合测定仪测定素土、不同掺量的水泥改良土和PVA纤维改良土的液限、塑限。试验结果见图5、6、7。

图5 塑限随固化剂掺量的关系

从图5可知，加入水泥和PVA纤维后改良土的塑限均有不同程度的提高，且PVA纤维对改良土塑限的提高幅度大于同掺量水泥的提高幅度。当PR≤3%时，塑限增长幅度较小，其关系曲线接近直线；当PR>3%时，塑限增长幅度较大。因此，在实际工程的固化剂掺量设计中，应注意3%的分界线。在软土中掺入水泥的过程中，塑限也呈现缓慢的增长，但不是线性增长关系；水泥掺入量超过4%时，稍有下降趋势。从图6可知，加入PVA纤维和水泥后改良土的液限均有所增长，且同掺量的PVA纤维改良土液限较水泥改良土液限大。PVA纤维改良土液限随固化剂掺量呈直线增长。从图7可知，PVA纤维对改良软土的塑性指数的影响在掺入量为3%时最大，水泥改良土的对塑性指数变化影响较低。

图6 液限随固化剂掺量的关系

图7 塑性指数随固化剂掺量的关系

综上，水泥和PVA纤维都使软土的界限含水量整体右移。可能是由于水泥加入后需要吸收水分进行水化反应，消耗掉一部分自由水，使改良土宏观上表现为液限和塑限都有所增加。PVA纤维的加入后，PVA纤维会吸收自由水并将粘附的细小颗粒胶结在一起，消耗更多自由水，因而可吸附更大的水膜，从而造成液塑限整体右移。

2.3 膨胀性试验

膨胀率是反应黏土物理性质的一个重要指标之一，与黏土的矿物成分有着密切联系，PVA纤维与土壤是否有新的矿物成分未知。通过线性膨胀率试验测定在软土工程中掺入PVA纤维后其膨胀性与掺量的关系曲线，可初步判定改良土的膨胀性。本次试验参照GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》中无荷载膨胀率试验进行。不同时间内最大线性膨胀率与固化剂掺量的关系见图8。

图8 膨胀率随固化剂掺量的关系

从图8可知，软土稍有膨胀性，因为土中含有颗粒粒径较细的亲水矿物，这些亲水矿物吸水导致土体膨胀。水泥和PVA纤维都可以降低软土的膨胀率，PVA纤维改良土曲线在水泥改良土的下方，说明 PVA纤维改良土膨胀性能较水泥改良土效果好。2种固化剂对膨胀性能改良的机理不同，PVA纤维加入软土过程中，改善了亲水黏土矿物的界面活性，使亲水黏土矿物的吸水性能大幅降低，因此降低了土壤的膨胀性能；而水泥加入软土过程发生了水化反应，生成粘结矿物将土颗粒粘结起来，一定程度上阻止了土颗粒的吸水能力。

2.4 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度试验通过单向压力作用下测定土的抗压强度，即不在侧面施加围压的工况下评价土的强度指标，是评价无机结合料改良土强度最常用的指标之一。但实际工况都存在侧向土压力，因此，无侧限抗压强度通常作为改良效果的参考指标。本次试验采用电液伺服压力机，对养护28 d的无机结合料稳定土进行无侧限抗压试验，控制压力机位移为2 mm/s。无侧限抗压强度与固化剂掺量关系见图9。

图9 无侧限抗压强度随固化剂掺量的关系

从图9可知，水泥和PVA纤维对软土的无侧限抗压强度都有显著提升，且都随着固化剂掺量的增加而增加，PR=3%时，改良土无侧限抗压强度提高近2倍。2种固化剂强度曲线斜率相近，说明2种固化剂对软土改良能力相近。水泥改良土的增长趋势在3%～5%内呈线性增长。PVA纤维的掺量在3%处作为分界线，当PR≤3%时，无侧限抗压强度随固化剂的掺量呈线性增加，且3%处PVA纤维无侧限抗压强度大于同掺量下水泥改良土的无侧限抗压强度；当PR>3%时，PVA纤维改良土的无侧限抗压强度增长速度变缓，说明此时PVA纤维的改良作用趋于饱和状态；当PR为3%～4%时，PVA纤维改良土强度大于水泥改良强度，且强度增长趋势不足。为了保证改良土的经济性，建议将PVA纤维改良土的最优掺量定为3%～4%。

图10为PVA纤维加入前后的试样破坏形态。从图10可以看出，未掺入PVA纤维与PR=3%改良土的破坏形态变化有很大的差别。未掺入PVA纤维时，试样有1条贯通的斜向裂缝，其他部分未有明显的变形。当PVA纤维掺量PR=3%时，试样有1条竖向的主裂缝，且呈现出许多微小的竖向裂缝，试样中间部分向周边膨胀，到破坏时试样的整体性还较好。

图10 试样破坏形态

图11为素土、PVA纤维改良土、水泥改良土3种试样的应力-应变曲线。从图11可以看出，素土应力-应变关系介于应变硬化型和应变软化型间，土样变形能力较低，在一定变形时出现强度峰值后强度逐步降低。水泥改良土的应力-应变关系呈现出典型的脆性破坏特征，即在应变超过2.5%后，强度瞬间降低，说明水泥改良土在提高强度的同时降低了土体的变形能力。

图11 应力-应变关系

综上，加入PVA纤维后，不连续的PVA纤维分散在改良土中，形成遍布结构整体的纤维网，软土的细小黏土颗粒依附于纤维上，形成微加筋效果。PVA纤维的微加筋性能和包裹性能在提高土体强度的同时也提高了改良土的变形能力，在此基础上使得试样的延性增强，破坏特征得以改善。

2.5 动态力学性能试验

选取素土、掺量为3%的PVA纤维改良土、掺量为3%的水泥改良土3个具有代表性的试样进行动三轴试验，取累计塑性应变为5%处的动应力幅值为改良土的动强度。为测定改良土的动内摩擦角和动粘聚力，选取围压分别为50、100、150 kPa。由于频率为1 Hz下路基动力响应最大[19]，故加载频率选取1 Hz。计算公式为

Ed=σd/(εd)

(1)

λ=As/(Ad·π)

(2)

Gd=Ed/(2(1+μd))

(3)

式中，Ed为动弹性模量；εd为动应变；σd为动应力幅值；λ为阻尼比；As为滞回圈的面积；Ad为包围的面积；Gd为动剪切模量；μd为泊松比，根据GB/T 50269—2015《地基动力特性测试规范》，取μd=0.5。

围压为50 kPa时，改良土的动强度、动粘聚力、动内摩擦角见图12、13。从图12可知，改良土的动强度变化趋势与无侧限抗压强度相同，都有较大幅度的提高。PVA纤维改良土动强度较素土提高了454.5%。稍低于水泥改良软土的强度，低3.83%。从图13可知，PVA纤维可同时提高改良土的动内摩擦角和动粘聚力，且动粘聚力提高幅度较动内摩擦角大；而水泥改良土与PVA纤维相反，动内摩擦角的提高幅度远远大于动粘聚力的提高幅度。可见，虽然PVA纤维和水泥可同时提高改良土的动强度，但强度提高机理不同。

图12 改良土的动强度

图13 改良土的动内摩擦角、动粘聚力

通过进一步计算，得出了改良土的动剪切模量值和阻尼比。改良土的动剪切模量见图14。从图14可知，改良土的动剪切模量随着动剪应变的增长呈非线性衰减趋势，当动剪应变γd<0.2%时衰减速度较快，γd>0.2%时衰减速度趋于平缓，且水泥改良土的动剪切模量值大部分大于素土和PVA纤维改良土的动剪切模量值。可见，在同一应变下，水泥改良土有增大软土动剪切模量的作用；而PVA纤维改良土和素土的动剪切模量值呈现相似的变化规律，且基本落在同一区域内。由此可见，PVA纤维的加入对软土的动剪切模量影响较小。

图14 改良土的动剪切模量

图15为3种改良土在各动剪应变下的阻尼比。从图15可知，3种改良土的阻尼比随动剪切应变γd整体呈非线性上升趋势，且PVA纤维改良土的阻尼比计算值整体大于素土和水泥改良土的阻尼比。可见，PVA纤维和水泥对软土的阻尼比都有增大作用，PVA纤维的增大效果大于水泥的增大效果，且这种增大效果在动剪应变γd>0.6%时更为显著。

图15 改良土的阻尼比

2.6 细观试验

2.6.1 压汞试验

为研究PVA纤维和水泥对软土的孔隙的影响，分别对3种试样进行压汞试验。图16为3组改良土试样的孔径分布密度，将密度分布在某个孔径范围内进行积分可得相应孔径范围的孔隙含量。图17为3种试样的平均孔径和中值孔径试验值。

图16 孔隙分布密度

图17 平均孔径和中值孔径

从图16可知，3组试样的孔隙含量关系为：素土>PVA纤维改良土>水泥改良土，且3个试样的孔径主要分布在0.1～2、2～10 μm区间内，分别将其定义为微孔隙段和小孔隙段。可见，PVA纤维改良土的孔隙含量在微孔隙段小于素土，在小孔径段与素土相当。从图17可知，PVA纤维的加入并未明显降低改良土的中值孔径和平均孔径，说明PVA纤维的加入可以一定程度减少微孔隙的含量，但并未对土壤孔隙进行填充。而水泥改良土在微孔隙段和小孔隙段均明显低于素土，且总孔隙含量明显降低，说明水泥的加入有效填充了土壤孔隙。

2.6.2 扫描电镜试验

为进一步研究PVA纤维对软土的作用机制，对掺入PVA纤维前后的试样进行1 000倍扫描电镜试验。试验结果见图18。从图18可知：

图18 SEM试验结果

(1)素土孔隙较多，颗粒之间的黏结较弱，且排列较为松散。

(2)水泥改良土的微观结构较为致密，水泥作为无机胶结物有效填充了土壤孔隙，将土体胶结为一个整体，有效降低了土体孔隙率。

(3)加入PVA纤维后，PVA纤维以凝胶的状态填充于土颗粒间，使土颗粒形成团聚体，以此增加土颗粒的粘聚力，但并未填充土壤孔隙，即可以在不减小土壤透气性的同时增大土壤的强度。

2.7 水泥和PVA纤维工程性能比较

通过总结以上改良土的试验可以发现，PVA纤维在改良软土的强度、膨胀性、吸收变形等工程性能方面有着巨大优势。比对PR=3%～5%的PVA纤维改良土和同掺量的水泥改良土发现，当PR=3%～4%时，PVA纤维改良土的无侧限抗压强度均高于水泥改良土的无侧限抗压强度。且经过试验验证，PVA纤维改良土同样存在着较好的路用性能，可大幅提高改良土动强度的同时增大软土的阻尼比，PVA纤维在抗压强度方面可以完全替代水泥作为一种新型固化剂进行软土改良加固。当PR=5%时，PVA纤维改良土强度小于水泥改良土的强度，PVA纤维的发挥效果逐步饱和。因此，当需要大幅提高软土强度，PVA纤维掺量大于4%的分界点且对环境保护要求较低时，建议选择水泥进行加固。

3 结 语

本文对不同掺量PVA纤维和水泥改良软土的物理力学性能进行试验，通过动三轴试验确定PVA纤维改良土的动力学性能，并通过细观试验研究了PVA纤维的改良机理，得出以下结论：

(1)PVA纤维的掺入可使改良土的最佳含水量变大，且不会对改良土的最大干密度造成很大影响；PVA纤维使改良软土的塑限、液限增大，大幅提高软土的变形能力；PVA纤维可显著降低软土的膨胀性且效果较水泥好。

(2)PVA纤维可将软土的无侧限抗压强度提高近5倍，且随着PVA纤维的加入，软土的无侧限抗压强度同步增加。此外，PVA纤维可通过提高土体动粘聚力的方式提高土体动强度，且不会对土体动剪切模量造成影响，但可增大土体的阻尼比。而水泥改良土通过同时提高土体的动摩擦角和动粘聚力的方式提高土体动强度，且同时增大软土的动剪切模量和阻尼比。

(3)PVA纤维和水泥改良软土的机制不同，PVA纤维主要通过其较好的亲水性和凝胶作用团聚土颗粒，且以较高的纤维抗拉强度对土体形成加筋作用，并未填充土壤孔隙，使改良土依然具有良好的透气性；而水泥改良土主要通过水化作用形成C-S-H水化硅酸钙晶体填充并凝结土体，提高软土的强度，降低了软土的透气性。

(4)在实际的土壤工程性质的改良过程中，可以使用PVA纤维代替水泥，其改良效果优越、价格低廉且不会对实际环境造成污染，在软土改良中具有潜在的价值，是一种理想的土壤固化剂。