SH固化劑復(fù)配無機(jī)材料加固黃土抗侵蝕試驗(yàn)研究

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(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) a.教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心; b.工程學(xué)院，武漢 430074)

1 研究背景

黃土具有大孔性、水敏性、濕陷性等特點(diǎn)，遇水后強(qiáng)度會大幅降低。在降雨條件下，表層裸露的黃土坡面極易發(fā)生侵蝕，造成嚴(yán)重的水土流失。對于黃土地區(qū)道路工程，路基邊坡的穩(wěn)定性至關(guān)重要。一旦發(fā)生降雨侵蝕，沿坡面沖刷下來的堆積土體會造成公路沿線生態(tài)環(huán)境惡化，邊坡變陡、后退，甚至引發(fā)崩塌和滑坡等次生災(zāi)害，對公路正常運(yùn)營維護(hù)和行車安全造成巨大危害。因此，開展黃土路基邊坡抗侵蝕性研究具有重要的實(shí)踐意義。

長期以來，針對黃土邊坡坡面穩(wěn)定性問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作，其中，采用固化材料改良黃土工程性質(zhì)以達(dá)到坡面治理防護(hù)正逐漸成為研究熱點(diǎn)。Lentz等[1]采用PAM固化劑提高了土體的滲透系數(shù)，抑制表面結(jié)皮從而減少了地表徑流的侵蝕；Miller等[2]將水泥窖粉塵用于土壤加固中，加固后土體的強(qiáng)度有大幅度提升；王菁莪[3]利用木素質(zhì)固化劑對黃土的抗水蝕性能進(jìn)行了模型試驗(yàn)，通過水蝕模數(shù)、沖溝發(fā)育形態(tài)和潛蝕洞穴形態(tài)等方面對木素質(zhì)固化劑改良效果進(jìn)行評價；程佳明[4]、張姝[5]使用高分子材料SH對黃土各項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行了改良，研究了水流量、壓實(shí)度和齡期對坡面徑流產(chǎn)沙的影響；單志杰[6]研究了EN_1固化劑對黃土邊坡水分有效性、穩(wěn)定性、入滲性能等理化性質(zhì)的影響；汪益敏[7]利用沖刷試驗(yàn)分析了黃土路基邊坡抗沖蝕能力的影響因素，并通過力學(xué)手段建立了路基邊坡沖刷穩(wěn)定性評價方法；趙春紅[8]研究了降雨徑流對坡面輸沙能力的影響，探究了降雨條件下坡面泥沙起動的臨界條件；武彩萍[9]通過降雨模擬試驗(yàn)分析了雨水對黃土坡面形態(tài)以及水分入滲對坡體穩(wěn)定性的影響。

研究表明，傳統(tǒng)無機(jī)材料，如石灰、水泥等雖然可顯著提高黃土的力學(xué)強(qiáng)度，但改良后土體透水、透氣性差，且土質(zhì)堿性化嚴(yán)重，不利于植被生長，無法滿足黃土路基邊坡生態(tài)綠化的要求[10-11]。此外，水泥土和石灰土存在早期強(qiáng)度低、易開裂，施工拌合困難等弊端；與之相比，新型高分子類固化劑施工便捷，可就地噴灑碾壓成型，能有效提高黃土工程性質(zhì)，且該類固化劑多為環(huán)境友好型材料，并不改變土質(zhì)自身成分，對坡面植被生長沒有影響。盡管如此，與無機(jī)材料相比，高分子固化劑加固黃土的水穩(wěn)定性和抗侵蝕效果如何，尚無清晰的認(rèn)識。此外，能否將不同固化材料進(jìn)行復(fù)合使用，以克服單一固化材料的不足，從而滿足黃土路基邊坡坡面穩(wěn)定和生態(tài)環(huán)保的雙重要求，還有待進(jìn)一步深入研究。

圍繞上述問題，本文采用人工降雨模擬試驗(yàn)對高分子固化劑SH、水泥、石灰3種固化材料改良前后的黃土坡面抗侵蝕能力進(jìn)行定量研究，比較分析不同材料固化黃土抗侵蝕能力的變化規(guī)律，并將3種材料進(jìn)行復(fù)合配比，評價復(fù)合改良黃土抗侵蝕性能，基于電鏡掃描試驗(yàn)揭示固化材料之間的協(xié)同作用機(jī)理。

本文試驗(yàn)結(jié)果有望進(jìn)一步豐富黃土加固改良的研究成果，并可為固化劑治理黃土路基邊坡的理論和實(shí)踐提供有益的借鑒和參考。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)土樣

本次試驗(yàn)使用的土樣為陜西省子長縣的Q3馬蘭黃土?；疚锢硇再|(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)黃土基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical parameters of test loess

2.2 固化劑材料

試驗(yàn)選用的是本課題組與蘭州大學(xué)合作研制的高分子固化材料SH。SH固化劑是一種環(huán)境友好型固化材料，具有黏度低、凝膠時間短、無毒無污染等特點(diǎn)，密度為1.27～1.31 g/cm3，易溶于水，能達(dá)到固化黃土、防治風(fēng)沙的效果。水泥選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,石灰選用天津博迪化工公司生產(chǎn)的一級熟石灰。

2.3 人工降雨模擬裝置

降雨模擬裝置采用閉環(huán)自動控制技術(shù)和旋轉(zhuǎn)下噴式噴頭，降雨高度5 m，雨強(qiáng)變化范圍為20～300 mm/h，具有4種不同規(guī)格的噴頭，降雨均勻系數(shù)高，雨滴粒徑與天然降雨十分接近。降雨裝置下方為盛裝土樣的土槽和支架。土槽尺寸為1 m×0.8 m×0.3 m，框架為不銹鋼材料，四周和底面用有機(jī)玻璃板覆蓋。土槽前端和底部玻璃板上鉆有Φ3 mm的小孔，孔間距為5 cm，坡體內(nèi)的積水可通過小孔排出。支架前端高50 cm，后端高度可根據(jù)試驗(yàn)所需坡度自行調(diào)節(jié)。土槽正前方放置收集土水混合物的收集箱。降雨裝置示意圖和實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Test apparatus

2.4 試驗(yàn)土樣準(zhǔn)備

考慮到實(shí)際施工時土壤回填需滿足0.90～0.94的壓實(shí)系數(shù)，本文根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)中所得到的最優(yōu)含水率和最大干密度,將本次試驗(yàn)土樣的干密度和含水率定分別為1.8 g/cm3和17%。試驗(yàn)土坡坡度設(shè)為20°。SH濃度為溶液濃度百分比，設(shè)定為2%，4%，6%，8%，10%，12%，向干土中噴灑后拌合；水泥、石灰濃度為混合物質(zhì)量百分比，設(shè)定為8%，以粉末的形式加入干土中拌合后再與水混合；復(fù)配材料中先將石灰、水泥與土拌合再噴灑SH溶液。

根據(jù)土壤所在地區(qū)的降雨特點(diǎn)將本次試驗(yàn)的降雨歷時定為2 h，降雨強(qiáng)度分為50,100,150 mm/h3個階段，每次進(jìn)行2組試驗(yàn)。

2.5 試驗(yàn)步驟

(1)取試驗(yàn)土樣風(fēng)干碾磨后,按照設(shè)定濃度將土樣與固化劑和水混合。拌合均勻后分層壓實(shí)裝入土槽中。將土槽置入人工溫室中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d。

(2)將養(yǎng)護(hù)好的土樣連同土槽置于支架上，調(diào)整支架角度。打開降雨控制器和雨量計，設(shè)置降雨參數(shù)。

(3)試驗(yàn)在無風(fēng)的環(huán)境下進(jìn)行，開啟控制器后用秒表開始計時，同時利用壓力表和雨量計記錄降雨量和徑流量。仔細(xì)觀察并記錄坡面開始產(chǎn)生徑流的時間和坡面開始產(chǎn)沙的時間。產(chǎn)沙開始后每隔10 min將收集到的土水混合物進(jìn)行回收。試驗(yàn)完成后將收集到的土水混合物靜置一晝夜，倒去上層清水，采用烘干法計算產(chǎn)沙量。試驗(yàn)結(jié)束后，利用Excel和Origin軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

圖2 不同濃度SH土樣產(chǎn)沙量曲線和產(chǎn)沙速率曲線Fig.2 Curves of sediment yield and sediment yield rate of loess with different concentrations of stabilizer SH

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同濃度SH土樣抗侵蝕能力對比

圖2(a)和圖2(b)分別為摻入不同濃度SH后坡面的產(chǎn)沙量-時間曲線和產(chǎn)沙速率-時間曲線。

由圖2可知,總的來說，坡體的產(chǎn)沙量和產(chǎn)沙速率隨摻入SH濃度的增加逐漸降低，但不同SH摻量對坡體抗沖刷能力的影響效果存在差異。

雨強(qiáng)較低的Ⅰ階段，4%SH濃度土樣的抗沖能力已有一定提升。相較于素黃土，其產(chǎn)沙量-時間曲線更平緩，產(chǎn)沙速率也更低，Ⅰ階段結(jié)束時的產(chǎn)沙量和產(chǎn)沙速率分別減少了22%和17%。Ⅱ階段時，受雨強(qiáng)增加的影響，4%和6%SH濃度土體的抗沖刷能力有所減弱，產(chǎn)沙量和產(chǎn)沙速率曲線上升幅度增大。 8%,10%,12% 3組土樣的曲線與Ⅰ階段保持一致，基本保持線性增長。Ⅲ階段時，SH濃度較低的3組土樣(2%,4%,6%)曲線逐漸與素黃土平行，8%，10%,12% 3組土樣的曲線的上升速率略有增加。此階段內(nèi)各組土樣的單位面積產(chǎn)沙量分別為0.709 kg/m2(0%)、0.685 kg/m2(2%)、0.664 kg/m2(4%)、0.679 kg/m2(6%)、0.465 kg/m2(8%)、0.425 kg/m2(10%)和0.441 kg/m2(12%)。可以看到，2%,4%, 6%SH濃度的3組土樣在Ⅲ階段內(nèi)的產(chǎn)沙量與素黃土大致相同，此濃度下SH并未對土體的抗侵蝕能力造成影響。8%,10%,12% 3組土樣在該階段內(nèi)的產(chǎn)沙量相較于素黃土分別減少了34%,38%,40%，產(chǎn)沙量減少明顯，加固效果依然理想。由此可見，當(dāng)SH濃度>8%時，即使在極端降雨條件下亦能明顯提高坡體的抗侵蝕能力。

另外，通過對比8%,10%,12% 3組土樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，降雨試驗(yàn)結(jié)束時，三者的單位面積產(chǎn)沙量和產(chǎn)沙速率分別為0.978,0.894,0.848 kg/m2和0.013 64,0.012 45,0.011 44 kg/min，相較于素黃土分別減少了42%,46%,48%和33%,39%,43%，相鄰濃度間的提升效果差異性逐漸減小，提升效果基本相當(dāng)，此時濃度的增加并未取得更明顯的加固作用。以上2組試驗(yàn)結(jié)果表明，SH可以減少降雨條件下黃土邊坡的產(chǎn)沙量和產(chǎn)沙速率，提高坡體的抗沖能力，綜合考慮加固效果和材料成本，SH的最優(yōu)配比濃度可選定為8%。

七夕，“為牛慶生”教你在情感中學(xué)會感恩。相傳，古時兒童會在七夕之日采摘野花掛在牛角上，又叫“賀牛生日”。因?yàn)閭髡f西王母用天河把牛郎織女分開后，老牛為了讓牛郎能夠跨越天河見到織女，讓牛郎把它的皮刨扒下來，駕著它的牛皮去見織女。人們?yōu)榱思o(jì)念老牛的犧牲精神，便有了“為牛慶生”的習(xí)俗。學(xué)會感恩彼此，是愛情的另一個真諦，感恩彼此的付出、感恩彼此的守護(hù)、感恩雙方父母給予我們創(chuàng)造與提供的一切、感恩在我們?nèi)松飞辖o予我們的每一份真誠，這是愛情收獲人世間最大幸福、最多祝福的訣竅。

3.2 不同固化劑土樣抗侵蝕能力對比

在確定SH固化劑的最優(yōu)濃度之后，將SH與石灰、水泥進(jìn)行對比試驗(yàn)分析。參考前人的試驗(yàn)成果，本次試驗(yàn)中水泥和石灰的最佳摻量設(shè)定為8%[12-13]。圖3給出了摻入3種固化材料后坡體的產(chǎn)沙量-時間曲線。由曲線可知，在Ⅰ階段時，SH、水泥和石灰三者對坡體抗沖刷性能的提升效果大致相當(dāng)；40 min時的產(chǎn)沙量基本相同且遠(yuǎn)小于素黃土；從Ⅱ階段開始，SH的曲線上升速度加快，單位時間產(chǎn)沙量逐漸增加，而此時石灰、水泥的曲線斜率基本保持不變，未隨雨強(qiáng)的增大發(fā)生明顯增加；Ⅲ階段結(jié)束時，摻入水泥和石灰土樣的產(chǎn)沙量基本相等，遠(yuǎn)小于素黃土，同時也遠(yuǎn)小于SH土樣。同時，兩者的產(chǎn)沙速率基本不變，說明摻入石灰和水泥后土顆粒間的連結(jié)強(qiáng)度大大增強(qiáng)，可以較好地抵抗極端降雨。以上結(jié)果表明，摻入水泥和石灰后，坡體的產(chǎn)沙能力大幅降低，在強(qiáng)降雨環(huán)境下對坡體抗沖能力的提升效果優(yōu)于SH。

圖3 不同固化劑土樣產(chǎn)沙量曲線Fig.3 Curves of sediment yield of loess with different soil stabilizers

在評價黃土路基邊坡的坡體的抗侵蝕能力時，除了討論產(chǎn)沙量外，還應(yīng)考慮到固化劑的摻入對坡體滲透性能的影響。這是因?yàn)闈B透系數(shù)低的坡體其開始產(chǎn)流時間會提前，坡面徑流量會增加，提高了坡面土體被沖刷的概率，同時也會降低坡體的土壤水分有效性，影響坡面植被的水分吸收?；诖?，通過降雨條件下坡體的開始產(chǎn)生徑流時間和坡面總徑流量2個指標(biāo)對4種摻入不同固化劑土樣的滲透性能進(jìn)行對比，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 不同固化劑土樣開始產(chǎn)流時間和總徑流量Fig.4 Start time of runoff and volume of runoff of loess with different soil stabilizers

從圖4可以看出，相較于素黃土，摻入SH土樣的開始產(chǎn)流時間提前了22.5%，摻入水泥和石灰土樣的開始產(chǎn)流時間分別提前了52.8%和50.0%。在總徑流量方面，2 h降雨試驗(yàn)后，摻入SH土樣的總徑流量比素黃土增加了23.2%，摻入水泥和石灰土樣的總徑流量則分別增加了54.6%和56.2%。這表明摻入固化劑后坡體的入滲性能有所減弱，降雨初期雨水的入滲量減少，坡面更早地進(jìn)入產(chǎn)流狀態(tài)，同時，坡體內(nèi)的積水難以排出，也進(jìn)一步增大了坡面徑流。

綜合圖3、圖4的試驗(yàn)結(jié)果，可以看到，盡管在強(qiáng)降雨條件下，水泥、石灰材料的抗沖蝕能力優(yōu)于SH，但在一般降雨強(qiáng)度下，兩者的改良效果差異并不明顯(Ⅰ階段和Ⅱ階段)，此時SH對坡面已經(jīng)可以起到很好的防護(hù)效果。此外，SH雖然會使坡體滲透性能小幅度降低，但其影響遠(yuǎn)小于水泥和石灰，在推遲產(chǎn)生徑流時間和減少坡面徑流量方面的效果更好，能有效提升土體的透水、保水性。

3.3 復(fù)合加固對比試驗(yàn)

按照一定比例將SH、水泥和石灰三者混合添加到黃土中，分別從開始產(chǎn)流時間、開始產(chǎn)沙時間、總徑流量和總產(chǎn)沙量4個方面與單一固化劑的改良效果進(jìn)行對比。試驗(yàn)統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 摻入不同固化劑土樣抗侵蝕指標(biāo)Table 2 Anti-erosion indexes of loess with different soil stabilizers

由表2可知，將3種固化劑按照一定比例混合摻入后，各項(xiàng)指標(biāo)相較于單一固化劑均發(fā)生了一定程度的變化。在總產(chǎn)沙量上，復(fù)合加固后的土樣Ⅴ相較于土樣Ⅰ和土樣Ⅱ有了明顯降低，與土樣Ⅲ和土樣Ⅳ持平。說明采用低摻量材料的復(fù)合加固可以達(dá)到單一石灰、水泥在高摻入量下的加固效果，土顆粒間的黏結(jié)作用強(qiáng)，坡體的抗沖能力依然理想。

同時，由于復(fù)合改良土減少了水泥和石灰的用量，相比僅用水泥或石灰作為固化劑的改良土,開始產(chǎn)流時間延長，總徑流量減少，這說明復(fù)合改良土的滲透性能得到了一定程度的改善，進(jìn)一步增強(qiáng)了坡體的抗侵蝕性和透水性。以上試驗(yàn)結(jié)果表明，將SH與水泥、石灰復(fù)合摻入后，單一固化劑的缺點(diǎn)得到了改善，在降低產(chǎn)沙量的同時也保證了坡體具有良好的滲透性能，全面提高了黃土邊坡的抗侵蝕能力。

圖5 不同固化劑土體電鏡掃描圖像(放大2 000倍)Fig.5 SEM images of loess with different soil stabilizers

4 固化劑作用機(jī)理

通過掃描電鏡對摻入水泥、石灰和SH的土樣進(jìn)行觀察可以明顯看出三者對土體孔隙特征的影響以及加固方式的不同(圖5)。石灰和水泥加入土體后與水和空氣發(fā)生反應(yīng)，前者會生成Ca(OH)2和CaCO3(圖5(c)白色框線區(qū)域)等水化產(chǎn)物，后者則會生成CaO·2SiO2·3H2O、CaO·Al2O3·H2O(圖5(d)白色框線區(qū)域)。這些生成物都難溶于水且會大量填充土顆粒間的孔隙，使土體成為致密牢固的整體，雖然增加了土粒的抗沖性能，但土體的滲透性能大幅度降低。同時，石灰和水泥中的Ca2+還會與土壤中的K+,Na+發(fā)生離子交換[14]，降低黏土膠體的ξ電位，使土顆粒由親水性變?yōu)樵魉?，進(jìn)一步降低土體的滲透性能。SH加入土體后，并未與土顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新物質(zhì)，其主要通過大分子鏈將土顆粒包裹并連結(jié)的方式加強(qiáng)了土顆粒骨架[15](圖5(b)白色框線區(qū)域)，即使水流滲入土體內(nèi)部，也很難對土顆粒造成侵蝕;雖然SH加入對土壤孔隙造成一定程度的填充，但不會大幅度影響土體的滲透性能。三種固化劑復(fù)合摻入后，水泥、石灰對孔隙的填充作用降低，土體具有較好的孔隙度和滲透性，同時SH對土顆粒的連結(jié)和束縛作用使得土顆粒保持較好的抗侵蝕能力(圖5(e)白色框線區(qū)域)。

5 結(jié) 論

本文利用人工降雨裝置對添加不同固化劑的黃土進(jìn)行了降雨模擬試驗(yàn)，從開始產(chǎn)流時間、產(chǎn)沙速率、產(chǎn)沙量和徑流量4個方面對固化劑的加固作用進(jìn)行評價，得出如下結(jié)論：

(1)SH固化劑可以適當(dāng)提高降雨條件下黃土的抗沖性能。濃度為8%時，提升效果最佳，繼續(xù)增加濃度后提升效果不明顯。

(2)強(qiáng)降雨條件下，水泥、石灰材料對坡體的抗沖性能提升效果優(yōu)于SH，但在一般降雨強(qiáng)度下(Ⅰ階段和Ⅱ階段)，兩者的改良效果差異并不明顯，此時SH對坡面已經(jīng)可以起到很好的防護(hù)效果。水泥、石灰材料會大幅度降低土體的滲透性能，增大坡面徑流量并使產(chǎn)流時間提前，SH對坡體的滲透性能影響較小。

(3)SH、水泥、石灰三者復(fù)合摻入黃土后單一固化劑的缺點(diǎn)得到了彌補(bǔ)，在降低產(chǎn)沙量和產(chǎn)沙速率的同時也保證了坡體具有良好的滲透性能，全方面提高了黃土邊坡的抗侵蝕能力。

影響黃土路基邊坡抗侵蝕能力的因素有很多，除本文提到的降雨量、固化劑之外，還跟坡度、土體性質(zhì)、壓實(shí)度、初始含水率等因素有關(guān)，在今后的研究工作中需要繼續(xù)深入。同時，固化劑在凍融循環(huán)、干濕循環(huán)等條件下的耐久性也是以后研究的重點(diǎn)內(nèi)容。