聚乙烯醇纤维加筋水泥固化疏浚土静力特性试验研究

王正龙，邓 杰，梅 岭，王炳辉

(1.中煤长江基础建设有限公司，南京 210046) (2.江苏科技大学 土木工程与建筑学院，镇江 212100)

疏浚土广泛存在于长江中下游航道中，由于其高含水率、低渗透性、低承载力等特性，使其几乎没有利用价值，大多通过挖泥船从江底抽出直接吹填到岸边，或者抛填，对环境造成污染.极少部分疏浚土经过处理后可用作建筑材料，但处理成本高，利用率低．因此选择一种经济有效的方法处理疏浚土，对生态环境的保护、疏浚土利用率的提高都具有积极的意义．

目前工程上大多采用水泥、石灰等化学材料对疏浚土进行固化，但这种固化方法逐渐满足不了工程的需要，存在材料、经济等各方面问题．而有研究表明采用纤维和水泥联合固化可以有效加固土体[1]．

实际上利用纤维加固混凝土材料、复合材料等方面的研究由来已久[2-3]，但用来加固土体的研究尚未成熟．文献[4]通过在素土中加入玻璃纤维，进行单轴抗压试验和劈裂试验，得出玻璃纤维能够增加素土的无侧限峰值抗压和抗拉强度．文献[5]利用聚丙烯纤维水泥固化淤泥土时，通过无侧限抗压和直剪试验得出随着纤维的掺入量的增加，土体的抗压强度提高更显著．文献[6]发现聚丙烯纤维可以大量的凝聚石灰土中水化硅酸钙,从而提高了聚丙烯纤维与石灰土颗粒间的胶结力和密实度．

聚乙烯醇纤维(PVA)纤维具有高强度、高模量、低伸度、分散性好的优点，与水泥有良好的亲和力与结合力，选用PVA纤维有助于减低纤维加固水泥土的施工成本，提高水泥土的强度[7-12]．

文中针对长江中下游航道水泥疏浚土，以PVA作为加筋材料，水泥作为固化材料，开展三轴固结不排水抗剪强度特性研究，考虑纤维的长度、掺量、养护龄期对固化疏浚土抗剪强度(内摩擦角φ和粘聚力c)的影响，分析其对疏浚土的影响规律，得出最优的PVA长度模数及其最佳掺入量．

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

(1) 土体

试验疏浚土取自于长江中下游航道中水下疏浚土，经过污水厂脱水技术处理后，土体试样的力学特性指标如表1．

表1 疏浚土的力学特性指标

(2) 纤维材料

试验用的聚合物纤维是聚乙烯醇纤维，简称PVA，在试验中所用到纤维长度模数M分别为3、6、9、12 mm 4种．

表2 PVA纤维的物理力学性质

(3) 水泥材料

试验所用固化剂是普通硅酸盐水泥P.O42.5(杨春水泥)，产自上海．

1.2 试验仪器和方法

试验采用的静三轴仪是TSZ-2全自动三轴仪，进行固结不排水试验，试样为底面直径3.91 cm、高度8 cm的圆柱体，剪切速率为每分钟0.1%应变，即0.08 mm/min，围压分别为100、200、300 kPa 3种工况．具体操作过程参照《土工试验方法标准》GB/T 50123-1999进行．

2 试验方案

对纤维加筋水泥固化疏浚土进行了静三轴试验研究，主要考虑纤维的掺量F(0、0.1%、0.2%、0.3%)、纤维的长度模数M(3、6、9、12 mm)，不同养护龄期D(7、14、28 d)，对疏浚土力学性能的影响，设置了一组空白对照．具体的试验方案如表3，试验中选取水泥掺量为6%．

表3 疏浚土固化试验方案

3 试验与结果

3.1 纤维长度模数的确定

为分析PVA纤维的不同长度模数对加固疏浚土抗剪强度参数的影响，选取0.3%掺量的纤维加固疏浚土进行试验研究，得到在不同养护龄期(7、14、28 d)，纤维长度模数分别为3、6、9、12 mm时土样抗剪强度参数的变化规律，试验结果如图1～4．

(1) 对黏聚力的影响

图1为不同龄期下，纤维长度模数与土样黏聚力c的变化关系，龄期在7、14 d时，随着纤维长度模数的增大，土样的黏聚力不断增加，并有稳定的趋势；龄期在28 d时，土样的黏聚力在纤维长度模数为6 mm时最大，随着纤维长度模数的进一步增大，土样的黏聚力有所下降，但下降幅度不大．由此可见，纤维长度模数的增大对土样黏聚力的增长有积极作用；但随着养护龄期的增大，纤维长度模数对土样黏聚力增长的贡献越来越小，掺入纤维的长度模数存在最优值．

图1 疏浚土黏聚力在不同龄期下随纤维长度模数变化Fig.1 Changes of cohesion of dredged soil with fiber length modulus at different ages

为研究纤维在不同长度模数下，土样黏聚力随养护龄期增长而增加的变化率，以养护龄期为7 d土样的黏聚力为基准进行归一化处理，结果如图2．

图2 黏聚力随长度模数变化归一化Fig.2 Normalization of cohesion with different length modulus

由图2可知，在同一长度模数下，随着养护龄期的增大，黏聚力也逐渐增大，且在7～14 d的增长幅度远小于14～28 d的增长幅度；另外，由图2可知，纤维长度模数为6 mm时，土样黏聚力的增幅达到最大，增大约2.0倍，随着纤维长度进一步增大，土样黏聚力的增幅有所下降．所以，掺入6 mm的纤维长度可使土体有最大的黏聚力．

(2) 对内摩擦角的影响

图3为不同龄期下，纤维长度模数与土样内摩擦角φ的变化关系，随着纤维长度模数的增大，土样的内摩擦角逐渐降低并趋于稳定．其中，龄期在7、14 d时，土样的内摩擦角随着纤维长度模数的增大，降低幅度较大；龄期在28 d时，土样的内摩擦角随着纤维长度模数的增大，降低幅度较小．这是因为纤维在掺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颗粒中的滑移效果，从而降低了纤维与土颗粒之间的滑动摩擦力，纤维长度模数越大，滑移效果越明显．

图3 疏浚土内摩擦角在不同龄期下随纤维长度模数变化Fig.3 Variation of internal friction angle of dredged soil with fiber length modulus at different ages

为研究纤维在不同长度模数下，土样内摩擦角随养护龄期增长而降低的变化率，以长度模数3 mm，养护龄期为7、14、28 d土样的内摩擦角为基准进行归一化处理，结果如图4．

由图4可知，在同一长度模数下，随着养护龄期的增大，土样的内摩擦角逐渐下降，且降幅也逐渐减小．其中，试样在养护28 d时，内摩擦角变化平缓，此时纤维长度模数对内摩擦角几乎没有影响；而相对于养护7、14 d，内摩擦角变化较大．所以，随着养护龄期的增大，纤维长度模数对土样内摩擦角的影响趋于稳定．

图4 内摩擦角随长度模数归一化Fig.4 Normalization of internal friction angle with different length modulus

由分析可知，试样在纤维掺入量为0.3%时，在相同的养护龄期下，随着纤维长度模数的变化，加固疏浚土的黏聚力在长度模数为6 mm达到最大值；而随着养护龄期的增大，土样内摩擦角随着纤维长度模数增大而降低的速率趋于平缓，即纤维长度模数对土样的内摩擦角影响趋于稳定．所以，选择6 mm长度模数的PVA，养护28 d具有较好固化效果．

3.2 掺量的确定

为分析PVA纤维的不同掺量对加固疏浚土抗剪强度参数的影响，根据分析，选取6 mm纤维长度模数的加固疏浚土进行试验研究，得到在不同养护龄期下(7、14、28 d)，纤维掺量分别为0、0.1%、0.2%、0.3%时土样抗剪强度参数的变化规律，试验结果如图5～8．

(1) 对黏聚力的影响

图5为不同龄期下，纤维掺量与土样黏聚力c的变化关系．如图5，龄期在7、14 d时，随着纤维掺量的增大，土样的黏聚力不断增加，并有逐渐收敛的趋势；龄期在28 d时，土样的黏聚力在纤维掺量为0.1 mm时有最大值，随着纤维掺量的进一步增大，土样的黏聚力趋于定值．这即说明，纤维的有无对固化土黏聚力起着关键的作用，但随着养护时间的增长，纤维的掺量的影响趋于平缓，主要是其含水率减少的原因．所以，纤维的掺量并非越多加固效果越好，而是存在最优值．

图5 疏浚土黏聚力在不同龄期下随纤维掺量变化Fig.5 Changes of cohesion of dredged soil with fiber content at different ages

为研究纤维不同掺量下，土样黏聚力随龄期增长而增加的变化率，以养护龄期为7 d土样的黏聚力为基准进行归一化处理，结果如图6．

图6 黏聚力随掺量变化归一化Fig.6 Normalized graph of cohesion with different fiber content

由图6可知，在同一掺量下，随着养护龄期的增大，黏聚力也逐渐增大，且在7～14 d的增长幅度小于14～28 d的增长幅度；由图6还可知，纤维掺量为0.1%时，土样黏聚力的增幅达到最大，随着纤维长度进一步增大，土样黏聚力的增幅有所下降．所以，掺入0.1%的纤维长度即可使土体具有最大的黏聚力．

(2) 对内摩擦角的影响

图7为不同龄期下，纤维掺量与土样内摩擦角φ的变化关系，在掺量为0时，试样的内摩擦角有着很小幅度的增长，主要是因为水泥固化，吸收水分，增大了土颗粒之间的摩擦；后续随着纤维掺量的增大，土样的内摩擦角逐渐降低并趋于稳定．这还是因为纤维在掺入疏浚土后吸附自由水的缘故，增大了在土颗粒中的滑移效果，纤维掺量越大，滑移效果越明显．

图7 疏浚土内摩擦角在不同龄期下随纤维掺量变化Fig.7 Variation of internal friction angle of dredged soil with fiber content at different ages

为研究纤维在不同掺量下，土样内摩擦角随养护龄期增长而降低的变化率，分别以养护龄期为7、14、28 d土样的内摩擦角为基准进行归一化处理，结果如图8．

图8 内摩擦角随纤维掺量归一化Fig.8 Normalized diagram of internal friction angle with different fiber content

由图8可知，在同一纤维掺量下，随着养护龄期的增大，土样的内摩擦角逐渐下降，且降幅也逐渐减小，都趋于平缓．所以，随着养护龄期的增大，纤维掺量对土样的内摩擦角影响趋于稳定．

由以上分析可知，在纤维长度6 mm时，试样的黏聚力随着掺入量的增加总体上呈现上升趋势，其中在养护28 d时，试样的黏聚力在掺量0.1%时到最大值，而内摩擦角在养护28 d时基本趋于平缓，不会随着掺量的变化而变化．因此选用6 mm长度模数的PVA，掺入0.1%时，对长江中下游疏浚土的加固效果最佳．

4 结论

(1) 养护龄期为7、14 d时，固疏浚土的黏聚力随纤维长度模数的增大逐渐增大；养护到28 d时，其黏聚力随纤维长度模数的增大有最大值．

(2) 随着纤维长度模数的增大，土体的内摩擦角逐渐降低并趋于稳定，且随着养护龄期的增大，长度模数对土体内摩擦角的影响不大．

(3) 养护龄期为7、14 d时，加固疏浚土的黏聚力随纤维掺量的增大逐渐增大；养护到28 d时，其黏聚力随纤维掺量的增大有最大值．

(4) 随着纤维掺量的增大，土体的内摩擦角逐渐降低并趋于稳定，且随着养护龄期的增大，掺量对土体内摩擦角的影响趋于稳定．

(5) 试样在养护28 d下，掺入纤维长度模数为6 mm时，对长江中下游疏浚土的加固效果最佳，最佳的纤维掺量为0.1%．