聚丙烯酰胺(PAM)改良黃泛區粉土堤防水理特性試驗

關鍵詞：改良土；PAM;堤防；水理特性；崩解試驗；體積含水率

開封位于河南東部的黃泛區，有世界罕見的地上“懸河”黃河段，沉積了大量的粉土。粉土具有壓實難、黏結性弱、潮濕狀態易流動、動荷載作用下易液化等不良工程特性。在強降雨和地下水位上升時，水作用易導致粉土發生崩解及強度降低，誘發建筑物沉降變形、邊坡滑坡、堤防破壞及路堤翻漿等后果，有可能帶來嚴重的人員傷亡和財產損失。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，對不同坡位土體的滲透性能和持水能力進行了評估。畢銀強等以多種理論模型對三軸試驗數據進行擬合，反演和解析了非飽和黃土的土一水特征曲線，并從本構關系及強度模型人手，探究了基于吸應力的強度特性。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行浸水崩解試驗，結合電鏡分析，探討了其崩解規律。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力，結合瞬態人滲模型進行崩解機制分析。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性。胡再強等分析了石灰改良黃土的土一水特征曲線，了解其持水性，并結合數學模型預測改良黃土的滲水系數，得出了滲水系數與基質吸力之間的冪函數關系。趙昊宇等分析水泥混摻不同含量粉土改良風積沙的凍融特性，指出改良形成堿性環境，降低了土體持水能力，對環境造成污染，影響了地下建筑物服役壽命，因此建議改良材料優先選擇高效及環保材料，以滿足國家綠色可持續發展戰略要求。

與摻石灰、水泥等傳統改良法相比，摻高分子聚合物PAM更加生態環保。PAM長分子鏈結構在顆粒之間起到“架橋”作用，促進絮團形成，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結構特性，Wei等通過一維垂直人滲試驗，得出土壤保水率隨著PAM含量增大先增大后減小的結論。Mamedov等利用低吸力下保水曲線，研究了PAM溶液對不同土壤團聚體加固效果、土體孔隙分布及結構穩定性的影響規律等。在農業方面，PAM作為改良劑，可通過調節土壤的膠體理化行為來改善土壤結構，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用研究相對較少。利用PAM改良粉土并了解其水理性質，不僅可以預防粉土病害，而且有利于提高粉土性能及工程價值，也有助于穩固堤防及保護附近或上部歷史建筑。

1試驗材料與試驗方法

1.1試驗材料

試驗粉土樣本取自黃泛區開封市鐵塔公園水系碼頭項目。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文物保護單位。試樣取土深度為1.5～2.0m。土顆粒分析試驗結果見表1，通過輕型擊實試驗獲得了土樣的最大干密度為1.60g/cm3及最優含水率為16.5%，具體見圖1，基本物理性質指標見表2。PAM是由丙烯酰胺通過自由基引發聚合而成的一種有機高分子線性聚合物，離子特性為陰離子，形態為白色顆粒，易溶于水，水溶液為透明黏稠液體。

1.2試驗方法

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

1.2.1土一水特征試驗

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

1.2.2崩解試驗

分析和評價水穩性多采用浸水崩解試驗。根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）中相關要求和前人研究成果，設計了崩解試驗裝置。首先，在燒杯底部放置一個環刀；其次，用鋼絲網托著試樣一起放置在燒杯內的環刀頂部。在試驗過程中，確保土樣底部一直處于水侵蝕狀態。在正式試驗時，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量隨時間的變化情況等。

2試驗結果與分析

2.1含水率與基質吸力的關系

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吸力。從圖3可以看出，不同摻量的PAM改良土呈現相似的非線性變化趨勢。隨體積含水率增大基質吸力不斷減小，大致可分為3個階段。

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

2）吸力緩慢降低階段。可能該階段孔隙水以毛細水存在，孔隙水勢能與自由水勢能間差值較小，所以基質吸力較小且下降速率相對緩慢。

3）吸力基本穩定階段。隨著含水率繼續增大，試樣接近飽和，吸力基本穩定。

通過對比分析不難發現，當基質吸力接近0時，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，持水性較好。

2.2SWCC分析

試驗數據為離散點，準確反映非飽和土性質相對困難，因此可通過特定的數學模型將試驗數據擬合成連續的SWCC。由于Gardner、Fredlund-Xing、雙應力變量廣義土一水特征曲線模型（W-G）僅在分點擬合方面優勢突出，而Van-Genuchten模型在整體擬合方面效果最好且應用較廣泛，因此本文采用Van-Genu-chten模型對改良土的SWCC進行擬合。

不同摻量下PAM改良土的SWCC擬合結果見圖4，試驗數據點能較好地呈現在擬合曲線上，相關性良好。不同摻量PAM改良土的SWCC變化趨勢相似。基質吸力越大，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，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。這是因為在低吸力段，土體孔隙基本上被水分占據，只有極少部分為不連續的空氣，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合部位，含水率變化相對緩慢，土體持水性較強。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的，說明水流動暢通，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。

2.3崩解特征

2.3.1崩解特征現象描述

通過分析試樣崩解情況（見表3）可知：當素土樣浸水后，水進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，崩解產物呈分散顆粒狀，水穩性相對較差。

不同摻量PAM改良土與素土相比，水穩性得到明顯改善。0.4%摻量PAM改良土試樣浸水過程中，試樣側面孔隙處土體出現鱗片狀剝落，5min左右側面一周土體基本脫落：隨著浸泡時間延長，試樣上表面產生大量氣泡，裂紋由短小逐漸變為較長的貫通裂縫，脫落范圍不斷增大：1h后脫落約一半，待狀態趨于穩定，試樣基本“完全崩解”，土體雖已脫落但仍黏結在一起，呈塊狀堆積在鋼絲網上。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；隨著水分繼續人滲，試樣上部發生局部崩解，崩解產物中存在少量塊狀土體：24h后狀態趨于穩定，試樣發生變形，但并不松散，而是有黏性土體堆積在鋼絲網上，沒有氣泡再產生，此時殘余土體已達到飽和狀態，與文獻所述現象基本一致。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生，隨后部分小顆粒開始脫落：0.5h后邊緣裂紋變多，導致薄弱面增多，水分進入土體內部：24h后邊緣裂縫不斷變深且呈塊狀剝落，試樣中間有細小裂紋，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生：試樣吸水后出現微膨脹，當趨于穩定狀態時，在表面形成一層薄水膜，雖出現極少量短而細的微小裂紋，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，PAM有利于土體整體穩定，改良效果明顯。

2.3.2崩解特征分析

由圖5可知，當摻人PAM后，短時間內試樣崩解曲線與重塑素土樣差異較大，崩解時間小于20min時，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了細粒的結合，導致顆粒平均直徑增大，表面結構保持多孔性，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90%。0.6%摻量PAM改良土試樣在5min內崩解率為負值，因初期土樣中孔隙被水填充，故質量增大，隨著水分繼續滲入，顆粒變得更光滑，黏聚力減小，孔隙發展為裂縫，土樣崩解率為23%左右。0.8%～1.2%摻量PAM改良土試樣發生崩解的趨勢基本一致，崩解率均為負增長，說明短時間內試樣基本不發生崩解。

土樣崩解率差異可以反映摻量對PAM改良土水穩性的影響。隨著浸水時間的延長，改良土崩解主要分為3個階段（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改良土崩解率為負增大，主要原因是初期土樣吸水填充孔隙，在土顆粒表面產生PAM膠結皮層“包裹效應”，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。當摻量為1.0%～1.2%時，崩解率仍為負值。

3）后期崩解趨于穩定階段（8～24h）。此階段改良土崩解率基本趨于穩定，1.0%和1.2%摻量的改良土未發生崩解。通過對圖6曲線進行對比分析發現，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。

3改良土水理性特征

3.1改良土持水性特征

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

參數b與土體脫濕速率和SWCC彎曲程度有關（見圖8），參數6越小，曲線彎曲程度越不明顯，摻量為0.4%～1.0%時，曲線整體呈下降趨勢，表明隨著基質吸力增大，體積含水率減小的速率下降，試樣持水性增強，但PAM對減小土體體積含水率速率的影響并不明顯。當摻量增加至1.2%時，b值明顯變大，PAM摻人過量導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，增強了持水性。摻量1.0%的改良土殘余含水率達到最大值，與素土相比增大了37.34%。說明改良土在相同基質吸力條件下，殘余含水率越大，持水性越強。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改良土水穩性特征

崩解速率與摻量關系曲線見圖10。摻量在0.8%～1.0%范圍時該曲線出現拐點，拐點之前，在相同摻量下，隨著浸泡時間延長，試樣崩解率增大。原因是細小團粒結構及顆粒相互凝聚形成的團聚體內部黏滯度相對較小。隨著浸水時間的延長，PAM不斷吸水，減小了土體黏滯性，團聚體又分散成細小顆粒。拐點之后，在相同摻量下，隨浸泡時間延長，崩解率保持負值。PAM是水溶性物質，其含量高會將土體中大量自由水鎖住并繼續吸水，導致土樣質量增大。摻量為1.0%～1.2%時，浸泡時間相同，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結論

通過對PAM改良粉土進行水理性測定，可以評價摻量對粉土持水性和水穩性的影響。基于Van-Genu-chten數學模型可正確擬合PAM改良土SWCC曲線，發現隨著體積含水率增大，基質吸力下降可分為吸力驟降、吸力緩慢降低及吸力基本穩定3個階段。在相同基質吸力條件下，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。摻量為0.8%～1.0%時，基質吸力相對較強，體積含水率變化較小，持水性較強。通過崩解試驗發現素土浸水易快速崩解，PAM可有效改善土體水穩性。隨著摻量增大，土體崩解率逐漸減小，土樣形態相對完整。摻量為1.0%～1.2%時，土樣保持原狀基本不發生崩解，水穩性最佳。通過試驗發現聚丙烯酰胺改善了粉土的水理性，可預防其病害并為堤防加固、工程建設及古建文物保護方案制定等提供一些參考。