CN114645492B

CN114645492B - 一种聚丙烯酰胺溶液改性土体减缓冻胀变形的方法

Info

Publication number: CN114645492B
Application number: CN202210272734.XA
Authority: CN
Inventors: 季雨坤; 王海航; 李晓昭; 刘江峰; 干沁; 李瑞林; 赵鹏; 卞夏; 王钦科; 赵光思
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2022-03-18
Filing date: 2022-03-18
Publication date: 2023-03-31
Anticipated expiration: 2042-03-18
Also published as: CN114645492A

Abstract

本发明公开了一种聚丙烯酰胺溶液改性土体减缓冻胀变形的方法，具体包括以下步骤：(1)获取改性土层的土性参数、历史最大冻深线参数以及地下补水参数；(2)预估改性土层的土方质量，计算聚丙烯酰胺的用量，并配置聚丙烯酰胺溶液；(3)将聚丙烯酰胺溶液注入改性土层中，即得。本发明通过静压渗透注浆和高压喷射注浆相结合的方法，向潜在冻胀层内注入聚丙烯酰胺溶液且注浆深度不低于本地区历史最大冻深线，聚丙烯酰胺溶液可使细颗粒土改性团聚，从而在降低冻胀敏感性较强的细粒土含量的同时增加土体抗拉强度，即增加冰分凝难度；此外，由于聚丙烯酰胺溶液对土颗粒的包裹作用，使水分迁移阻力增加，渗透特性降低。

Description

一种聚丙烯酰胺溶液改性土体减缓冻胀变形的方法

技术领域

本发明涉及寒区岩土路基工程建设技术领域，涉及一种土体减缓冻胀变形的方法，更具体的说是涉及一种适用于天然冻土区有地下水补给的冻胀敏感性土的聚丙烯酰胺溶液改性土体减缓冻胀变形的方法。

背景技术

寒区岩土路基冻胀变形是困扰工程技术人员的主要难题之一，过量的冻胀变形会引起上部和周边结构的破坏，造成经济损失和负面影响。因此，目前针对路基冻胀变形提出了机械法、热物理法、物理化学法以及综合法等多种手段进行地基土改良以达到减冻胀目的。

针对物理化学法，一般采用土壤盐化、内掺纤维、添加水泥以及电化学处理等方法对土体改性，或降低冰点，或提高土体强度，或降低土体含水量等手段进行针对性处理。然而，热物理化学法在解决冻胀问题的同时往往又引起新的问题，如，土壤盐化控制失当会导致土壤盐渍化，内掺纤维工艺复杂且自团聚导致改良效果有限，石灰水泥的加入导致土体板结且次生危害较大，电化学处理对土层环境条件要求苛刻等。

因此，目前迫切需要一种施工便捷，在有效减缓土体冻胀变形的同时又能避免次生环境危害以及低碳环保的绿色土体改性方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种聚丙烯酰胺溶液改性土体减缓冻胀变形的方法，该方法既能施工便捷，又能避免次生环境危害，有效克服了现有物理化学法在进行地基土改良过程中出现的实施困难以及次生环境破坏等不足。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种聚丙烯酰胺溶液改性土体减缓冻胀变形的方法，具体包括以下步骤：

(1)获取改性土层的土性参数、历史最大冻深线参数以及地下补水参数；

(2)预估改性土层的土方质量，计算聚丙烯酰胺的用量，并配置聚丙烯酰胺溶液；

(3)将聚丙烯酰胺溶液注入改性土层中，即得。

本发明中，待改性土层静置稳定后，其内部形成大量土颗粒团聚体(包括土颗粒、土颗粒团聚体外聚丙烯酰胺和单土颗粒外聚丙烯酰胺)并吸附周围细土颗粒，团聚效应潜在地增加了土颗粒间的抗拉强度，由此增加了冰分凝难度；此外，由于聚丙烯酰胺溶液的黏度远远高于纯水黏度，因此地下补水的迁移阻力也大大增加。改性土层在降温冻结过程中，由于冰分凝和冰生长补水难度增加，因此减缓了冻胀发生和发展过程。

进一步，上述步骤(1)中，获取的方式为地勘资料和气象资料。

采用上述进一步技术方案的有益效果在于，通过地勘资料和气象资料，可以获得土层历史最大冻深以及土体参数，为确定改性土层范围、聚丙烯酰胺使用量以及聚丙烯酰胺溶液注入压力设定提供参考数据。

进一步，上述步骤(1)中，改性土层为地表和改性土层下界之间的区域；改性土层下界超过历史最大冻深线；改性土层下界的以下区域为原地层；地下补水在迁移驱动力的作用下通过原地层向改性土层内运移。

采用上述进一步技术方案的有益效果在于，改性土层为原地层通过静压渗透和高压喷射法注入聚丙烯酰胺溶液后的地层，改性土层内含有大量不同类型的土颗粒团聚体，能够减缓冻胀变形的发生。

进一步，上述步骤(2)中，聚丙烯酰胺为阴离子型聚丙烯酰胺或非离子型聚丙烯酰胺，优选为非离子型聚丙烯酰胺；且分子量不低于1000万，优选为1200万。

采用上述进一步技术方案的有益效果在于，本发明所选分子量的聚丙烯酰胺属于高分子量聚丙烯酰胺，其分子链长度与絮凝效果较好，可有效团聚土颗粒。

进一步，上述步骤(2)中，聚丙烯酰胺的用量为改性土层土方质量的0.30％-0.60％，优选为0.60％。

采用上述进一步技术方案的有益效果在于，在一定含水量条件下，聚丙烯酰胺在建议用量范围内越多，聚丙烯酰胺溶液黏度越大，团聚土颗粒作用越强，越不利于冻胀过程中分凝冰形成与生长过程所需的水分运移，从而有效减缓冻胀变形。此外，还可保证聚丙烯酰胺溶液处于高黏度水平，一方面加强土颗粒团聚，另一方面削弱水分运移。

进一步，上述步骤(3)中，注入的方式具体为：在改性土层中上部选用静压渗透法注入聚丙烯酰胺溶液，在改性土层中下部选用高压喷射法注入聚丙烯酰胺溶液。

采用上述进一步技术方案的有益效果在于，静压渗透法设备简单，能耗较小，对浅表土层可保证溶液的有效注入，但对于深度较大地层无法满足溶液注入要求，此时需高压喷射法注液。根据土层深度合理选用注液方法，可有效节能减排。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明通过静压渗透注浆和高压喷射注浆相结合的方法，向潜在冻胀层内注入聚丙烯酰胺溶液且注浆深度不低于本地区历史最大冻深线，聚丙烯酰胺溶液可使细颗粒土改性团聚，从而在降低冻胀敏感性较强的细粒土含量的同时增加土体抗拉强度，即增加冰分凝难度；由于聚丙烯酰胺溶液对土颗粒的包裹作用，使水分迁移阻力增加，渗透特性降低；此外，掺入较少含量的聚丙烯酰胺即可有效减缓冻结区域产生冻胀变形。

2、本发明利用聚丙烯酰胺溶液对土颗粒的团聚作用，能够潜在性地增强土体强度进而增加冰分凝难度；利用土颗粒团聚体内部孔隙残留导致的渗透性降低以及聚丙烯酰胺溶液的高黏度特性导致水分补给具有较大的迁移阻力等综合特性，从多角度抑制减缓冻胀发生发展过程。

3、本发明方法在减缓冻胀问题的同时，不会对土壤环境造成次生破坏，具有绿色无污染、低碳环保等特点。

4、由于聚丙烯酰胺的绿色环保属性，与本技术领域内现有技术相比，本发明方法具有净化效率高、成本低、无污染和操作便捷等诸多优点。

附图说明

图1为实施例1和实施例2中聚丙烯酰胺溶液改性土体工程实施的效果示意图；其中：1.改性土层，1-1.地表，1-2.改性土层下界，2.土颗粒团聚体，3.历史最大冻深线，4.原土层，5.地下补水；

图2为实施例1和实施例2中聚丙烯酰胺溶液改性土体土颗粒团聚体的表面结构示意图；其中：m-土颗粒，n-土颗粒团聚体外聚丙烯酰胺，p-单土颗粒外聚丙烯酰胺；

图3为实施例1和实施例2聚丙烯酰胺溶液改性土体室内单向冻结冻胀试验的冻胀数据的折线图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

聚丙烯酰胺溶液改性土体减缓冻胀变形的方法，具体包括以下步骤：

(1)通过地勘资料和气象资料获取改性土层的土性参数、历史最大冻深线参数以及地下补水参数；

其中，如图1所示，改性土层为地表和改性土层下界之间的区域，含有大量不同类型如图2所示的土颗粒团聚体，改性土层下界超过历史最大冻深线，改性土层下界的以下区域为原地层，地下补水在迁移驱动力的作用下通过原地层向改性土层内运移；

(2)预估改性土层的土方质量，由土方质量的0.60％计算分子量为1000万的粉末状阴离子型聚丙烯酰胺的用量，并根据注浆设备和注浆工艺配置相应质量浓度的阴离子型聚丙烯酰胺溶液；

(3)在改性土层中上部选用静压渗透法注入阴离子型聚丙烯酰胺溶液，在改性土层中下部选用高压喷射法注入阴离子型聚丙烯酰胺溶液。

实施例2

(2)预估改性土层的土方质量，由土方质量的0.60％计算分子量为1200万的粉末状非离子型聚丙烯酰胺的用量，并根据注浆设备和注浆工艺配置相应质量浓度的非离子型聚丙烯酰胺溶液；

(3)在改性土层中上部选用静压渗透法注入非离子型聚丙烯酰胺溶液，在改性土层中下部选用高压喷射法注入非离子型聚丙烯酰胺溶液。

性能测试

分别按照实施例1和实施例2聚丙烯酰胺溶液改性土体减缓冻胀变形的方法进行室内单向冻结冻胀试验，参照GB/T50123-2019《土工试验方法标准》，获得各组冻胀量数据以检验其具体效果。

具体检验步骤如下：

a、将800g去离子水与4000g试验土充分拌合，密闭静置24h；

b、在净空间为98mm×98mm×2100mm的制样器内，按照分层击实法采步骤(a)获得的土体分三次击实制样，干密度控制为1.6g/cm³；

c、将步骤(b)所得试样脱模后置入净空间为100mm×100mm×2100mm的冻胀盒内，将冻胀盒放于饱和缸内浸水抽真空饱和，直至试样内部充满孔隙水；

d、将步骤(c)所得冻胀盒置于试验箱内，调试补水装置进行底面无压补水，上冷/下暖端及试验箱温度控制为5℃，温度传感器在试样高度方向每3cm布置一枚，位移传感器在试样顶部布置，直至试样内部温度场均匀(均为5℃)；

e、将上冷端面温度调节为-20℃，开始自上而下一维冻结，冻结时间持续3500min，记录冻胀数据；

f、分别将2g、6g、12g、18g和24g分子量为1000万的粉末状阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)与800g去离子水在容器中按照恒温40℃、100rpm/min条件均速搅拌，直至其完全溶解后与4000g试验土充分拌合，密闭静置24h；

g、重复步骤(b-e)，分别获得掺加2g、6g、12g、18g和24g分子量为1000万的粉末状阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)改性土冻胀数据5组；

h、重复步骤(a-g)，分别获得掺加2g、6g、12g、18g和24g分子量为1200万的粉末状非离子型聚丙烯酰胺(NPAM)改性土冻胀数据5组。

改性土冻胀数据如图3所示。

由图3可知，聚丙烯酰胺溶液改性土可有效减缓冻胀变形。其中，同质量比的非离子型聚丙烯酰胺减缓土体冻胀效果优于阴离子型聚丙烯酰胺，当聚丙烯酰胺与土体质量比达到0.6％时，非离子型聚丙烯酰胺减缓冻胀变形约66.6％，而阴离子型聚丙烯酰胺减缓冻胀变形约63.6％。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种聚丙烯酰胺溶液改性土体减缓冻胀变形的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

所述改性土层为地表和改性土层下界之间的区域；所述改性土层下界超过历史最大冻深线；

所述聚丙烯酰胺为阴离子型聚丙烯酰胺或非离子型聚丙烯酰胺，分子量不低于1000万，用量为改性土层土方质量的0.30％-0.60％；

(3)将聚丙烯酰胺溶液注入改性土层中，即得；

所述注入的方式具体为：在改性土层中上部选用静压渗透法注入聚丙烯酰胺溶液，在改性土层中下部选用高压喷射法注入聚丙烯酰胺溶液；

聚丙烯酰胺溶液对土颗粒的包裹作用，使水分迁移阻力增加，渗透特性降低；

聚丙烯酰胺溶液对土颗粒的团聚作用，能够潜在性地增强土体强度进而增加冰分凝难度。

2.根据权利要求1所述的一种聚丙烯酰胺溶液改性土体减缓冻胀变形的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述获取的方式为地勘资料和气象资料。

3.根据权利要求1所述的一种聚丙烯酰胺溶液改性土体减缓冻胀变形的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述改性土层下界的以下区域为原地层。

4.根据权利要求3所述的一种聚丙烯酰胺溶液改性土体减缓冻胀变形的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述地下补水在迁移驱动力的作用下通过原地层向改性土层内运移。