3種固化劑對坡地黃土抗沖刷性能的影響

母冰潔，王康宏

(韓城市水土保持工作站，陜西 韓城 715400)

黃土是一種結構疏松、顆粒較細、富含礦物質松散堆積物，滲透性、濕陷性等特性良好，在黃土高原地區(qū)分布范圍較為廣泛。黃土邊坡坡面容易在自然條件的影響下，容易造成邊坡失穩(wěn)和水土流失等現(xiàn)象，近年來很多學者應用土壤改良技術和生態(tài)護坡新技術對黃土邊坡進行防護。王翰越等[1]和呂擎峰等[2]在黃土中摻入石灰、水泥等能夠降低黃土凍脹率、提高抗凍性能。劉熙媛等[3]認為黃土中摻加水泥能夠提高黃土的抗?jié)B性和抗凍性。范劍明等[4]研究了有機/無機復合新型土壤固化劑對沙土性能的影響。王銀梅等[5-6]研究表明黃土中摻加新型高分子土固化材料SH和水泥能夠顯著提高黃土強度、滲透性和抗剪強度等性能。王銀濤等[7]研究了HEC對濕陷性黃土強度及持水性的影響，結果表明隨HEC摻量的增加，陷性黃土強度逐漸增加，黃土持水性降低，比水容量逐漸減小。LIU等[8]研究表明沙土中摻加高分子固化劑加可以有效改良沙土的強度特性和滲透性能。徐鵬飛等[9]研究了新型高分子固化劑固化黃土的凍融循環(huán)特性的影響。金鑫等[10]研究了堿液對黃土工程性質的研究，表明NaOH摻量和養(yǎng)護溫度對黃土強度增長的影響最為顯著。目前，關于土壤固化劑對于黃土抗壓強度、抗剪強度、抗?jié)B性能和持水性等性能的影響研究較多，但是，在實際工程中，由于黃土性質和抗沖刷能力不同，臨界坡度也會隨之發(fā)生變化，并且已有研究關于適宜的黃土邊坡、固化劑摻量、養(yǎng)護期齡和壓實度等沒有一致的結論。因此，確定適宜的臨界坡度范圍、固化劑摻量、養(yǎng)護期齡和壓實度等條件，對實際邊坡工程建設具有重要的實際意義。

本研究以黃河支流無定河岔巴溝流域的黃土為研究對象，采用室內模擬邊坡沖刷試驗方法，研究了3種不同類型土壤固化劑對不同坡度、養(yǎng)護期齡、壓實度和固化劑摻量條件下黃土抗剪切性能、滲透系數(shù)和抗沖刷性能的影響，旨在獲得適宜的固化劑摻量、養(yǎng)護期齡、壓實度和坡度等數(shù)據(jù)，為加固黃土邊坡和防治水土流失提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選取黃河支流無定河的二級支流的岔巴溝流域(37°43′N，109°55′E)，降水時空分布差異較大，年內季節(jié)降雨分布不均，5—10月降雨量占全年降雨量90%以上，多年平均降雨量400 mm，年均蒸發(fā)量1 000 mm左右，平均溫度8 ℃，霜凍期180 d左右。該地區(qū)黃土層厚度大(10～100 m)，地表溝壑發(fā)育，地形地貌支離破碎，坡面、坡度變化復雜，流域坡度為15°～40°，平均坡度為(21.2±9.3)°[11]。

1.2 試驗材料

試驗所用土壤固化劑為EN-1固化劑、SG-1固化劑、W-OH固化劑，分別標記為A、B、C，EN-1固化劑是一種酸基化合物類離子型土壤固化劑(由美國Road Bond公司生產(chǎn))，密度為1.7 g·cm-3。SG-1固化劑(自制)主要成分為水泥、粉煤灰、生石灰和表面活性劑等高分子材料，常溫下為灰白色粉狀固體，密度為2.8 g·cm-3[12]。W-OH(江蘇杰成凱新材料科技有限公司提供)是一種常溫下為淡黃色油狀體的改性親水性聚氨酯復合材料，可與水反應生成彈性固化體，密度為1.18 g·cm-3。試驗所用黃土取自岔巴溝流域原狀黃土，取樣位置位于洛川縣城以南約6 km的國家地質公園內，收集深度為0.1～1 m，將所有采回的樣品混合均勻風干后，過5和2 mm的篩網(wǎng)備用。黃土基本物理性質如表1所示。

1.3 試驗設計與方法

室內土壤物理試驗溫度控制在21 ℃左右。試驗設置5個固化劑摻量處理和1個對照組，設置3個養(yǎng)護齡期，5個壓實度(密度與最大干密度的比值)處理，每個處理處理設置3個重復，設置土壤質量含水率為10.9%。養(yǎng)護期齡設置為4、7和15 d；固化劑摻量(質量比,%)設置5個處理和1個對照組，即為0(對照)、0.1、0.5、1.0、1.5、2.0；壓實度設置5個處理，分別為0.80、0.85、0.90、0.95、1.00。

表1 黃土基本物理性質

將不同類型、不同摻量的固化劑與把不同含水率(質量含水率)的土樣按試驗設計混合后攪拌均勻，在密閉容器中靜置24 h后，裝入容積為60和120 cm3的環(huán)刀，將其放入壓樣器內，應用靜力壓力法將土壓入環(huán)刀內，制成壓實度為設計要求的試樣，將其放置于塑料袋內在室內(環(huán)境溫度為20 ℃)養(yǎng)護至4、7和15 d時進行直剪試驗和滲透試驗。

試驗采用單因素試驗方法。壓實度為常量(0.95)時，固化劑摻量和養(yǎng)護齡期為變量；當固化劑摻量、養(yǎng)護齡期為常量時(分別為1.0%、7 d)，壓實度為變量。當試樣養(yǎng)護時間達到設計齡期后，測試黃土試樣的抗剪強度和滲透系數(shù)。

1.3.1 抗剪強度的測定 土壤抗剪強度采用直剪儀測定，試驗步驟參照《土工試驗方法標準GB/T50123—1999》進行[13-14]。每組試驗設置4個樣品，垂直壓力為100、200、300、400 kPa，剪切速度為0.8 mm·min-1(4 r·min-1)，直至試樣剪切破壞。剪應力計算公式如式(1)。

(1)

式中：f為剪應力(kPa)；R為量力環(huán)測表讀數(shù)(0.01 mm)；C為量力環(huán)率定系數(shù)(kPs·(0.01 mm)-1)；A0為環(huán)刀面積(cm2)。

抗剪強度計算公式如式(2)。

τ=c+σtanφ

(2)

式中：τ為抗剪強度(kPa)；σ為作用在剪切面上的法向應力(kPa)；φ為內摩擦角(°)；c為黏聚力(kPa)。

1.3.2 滲透系數(shù)的測定 利用變水頭法測定黃土的滲透系數(shù)，測試前用真空飽和法使試樣充分飽和[15]。標準溫度下的滲透系數(shù)計算公式[16]如式(3)。

(3)

式中：KT為水溫T℃時試樣的滲透系數(shù)(cm·s-1)；K20為在標準溫度(20 ℃)時試樣的滲透系數(shù)(cm·s-1)；ηT為在T℃時水的動力黏滯系數(shù)(kPa·s(10-6))；η20為在20 ℃時水的動力黏滯系數(shù)(kPa·s(10-6))。

1.3.3 坡面沖刷試驗 試驗裝置參照梁止水等[17]的試驗裝置，試驗前先將按試驗設計摻加不同類型固化劑(摻量為0(對照)、0.1%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%)的黃土按不同的壓實度(0.80、0.85、0.90、0.95、1.00)分層填入沖刷土槽內，厚度為40 cm。當其達到設計養(yǎng)護期齡(4、7、15 d)后開始沖刷試驗，結合當?shù)亟涤陱姸葲_刷流量選擇為4 L·min-1的降雨強度，坡度根據(jù)野外實際自然坡度選取為15°、20°、30°、40°。每次沖刷時間為30 min，當沖刷20 min后，收集1 min內的徑流泥沙樣，試驗結束后用烘干法測定泥沙量。壓實度常量(0.85)時，固化劑摻量為變量；當固化劑摻量、養(yǎng)護齡期、坡度為常量(分別為1.0%、7 d、30°)時，壓實度為變量，每個處理設置3個重復。

2 結果與分析

2.1 固化劑對黃土抗剪強度的影響

不同固化劑摻量對黃土抗剪強度的影響如圖1所示。從圖1中可以看出，摻加固化劑黃土的內摩擦角和黏聚力與對照組相比均有顯著增強，但是固化劑對黏聚力的影響大于內摩擦角的影響，通過方差分析分析發(fā)現(xiàn)，各處理間均達到顯著水平。不同固化劑對黃土內摩擦角的影響大小為B(SG-1)>A(EN-1)>C(W-OH)，對黏聚力的影響依次為C>B>A。

養(yǎng)護期齡相同條件下，A摻量為0.1%～1.0%時，黃土內摩擦角和黏聚力隨固化劑摻量的增加而逐漸增大，當摻量大于1.0%時，內摩擦角和黏聚力隨摻量的增加而呈逐漸減小的變化趨勢。養(yǎng)護期齡為15 d時，不同摻量條件下，內摩擦角和黏聚力相比對照分別提高了2.4%、4.0%、5.2%、4.6%、4.5%和40.3%、43.3%、60.4%、60.3%、58.7%，表明當A的摻量超過最佳值后，黃土抗剪強度會逐漸降低，從而降低固化劑的有效利用率。內摩擦角和黏聚力隨B、C摻量的增加呈逐漸增加趨勢。在15 d期齡不同摻量條件下，摻加B固化劑后內摩擦角和黏聚力相比對照分別提高了2.7%、4.6%、6.4%、7.1%、7.3%和45.2%、48.6%、60.7%、63.4%、69.6%，摻加C固化劑后分別提高了2.8%、4.4%、5.3%、5.9%、6.2%和47.4%、57.3%、64.3%、79.6%、85.3%。通過方差分析發(fā)現(xiàn)，摻加不同摻量B、C固化劑后，相比對照組內摩擦角和黏聚力差異顯著。表明當期齡相同時，摻加B、C固化劑能有效增強黃土抗剪強度。A摻量大于0.5%時，其內摩擦角和對照組相比差異較大，但各摻量間差異較小。表明A摻量大于0.5%，能提高黃土內摩擦角和黏聚力，同時增強其抗剪強度，但是固化劑有效利用率逐漸減小。為使黃土具有較好的抗剪強度和適宜的經(jīng)濟效益，建議在實際應用中，A(EN-1)摻量為0.5%，B(SG-1)、C(W-OH)摻量為1.0%。

注：圖中A、B、C分別為EN-1、SG-1、W-OH 3種固化劑，4 d、7 d、15 d為養(yǎng)護期齡，如A-4d為添加EN-1固化劑后養(yǎng)護期齡為4 d,下同。

固化劑摻量相同時，黃土內摩擦角和黏聚力與養(yǎng)護期齡呈正相關關系，并且各處理間差異顯著。摻量為1.0%時，不同養(yǎng)護期齡下，黃土摩擦角和黏聚力隨養(yǎng)護期齡增大和對照組間的差異越大，摻加A固化劑后摩擦角和黏聚力比對照組分別增加了3.8%、4.4%、5.2%和13.2%、37.6%、60.4%；摻加B固化劑分別增加了3.6%、6.3%、6.9%和24.2%、51.1%、60.7%；摻加C固化劑后分別增加了3.7%、5.4%、7.3%和31.1%、60.0%、75.4%。隨養(yǎng)護期齡增加，固化劑和土壤顆粒間的反應越充分，土體抗剪強度越高。建議在實際工程應用中，摻加固化劑后養(yǎng)護期齡不能小于7 d，才能顯著增強黃土抗剪強度。

固化劑類型是影響黃土固化效果的重要因素之一[18]。圖2為黃土壓實度與抗剪強度的影響關系。從圖2可以看出，固化劑摻量為1.0%，不同壓實度條件下，不同固化劑對內摩擦角影響大小為B>A>C，對黏聚力影響大小為C>B>A。黃土中摻加固化劑后，各處理間差異均達到顯著水平，表明增加黃土壓實度有利于提高黃土抗剪強度，壓實度對改性后土樣的抗剪強度影響較大[19]，摻加固化劑后，如果壓實度較低，固化劑對黃土強度影響較低[20]，將其夯壓密實，使土壤顆粒間緊密結合，固化劑才能與土壤顆粒充分反應，使其具有較高的強度，從而提高固化劑有效利用率。當壓實度較小時(0.80～0.90)，試樣土壤相對較為疏松，顆粒間結合不緊密，抗剪強度增加較緩慢；隨著壓實度增加(0.90～0.95)，土壤顆粒間逐漸結合緊密，黃土抗剪強度增加較快；當黃土壓實度大于0.95后，黃土內摩擦角和黏聚力變化較小逐漸趨于穩(wěn)定，抗剪強度指將趨向恒定，韓信來等[21]研究表明延安地區(qū)土壤中摻加固化劑后壓實度控制在0.96以上。因此，在實際應用中，黃土中摻加固化劑后，建議壓實度控制在0.95以上。

注：圖中A-1.0%、B-1.0%、C-1.0%分別表示EN-1、SG-1、W-OH 3種固化劑摻量為1.0%。下同。

2.2 固化劑對黃土滲透系數(shù)的影響

圖3為固化劑摻量和期齡對黃土滲透系數(shù)的影響。從圖3可以看出，固化劑能夠極大地降低黃土滲透系數(shù)，顯著改善黃土滲透性，固化劑摻量、期齡對黃土滲透性數(shù)的影響較大。

圖3 固化劑摻量對黃土滲透系數(shù)的影響

在相同期齡下，摻加不同固化劑后，黃土滲透系數(shù)隨摻量的增加呈逐漸降低趨勢。當期齡為7 d，黃土滲透系數(shù)隨A固化劑摻量的增加相比對照分別降低了48.3%、53.2%、61.5%、64%、66%；摻加B固化劑后比對照組分別降低了55.2%、63.1%、73.4%、75.8%、78.3%；摻加C固化劑后比對照分別降低了72.7%、84.5%、91.7%、92.5%、93.5%。不同固化劑對黃土滲透系數(shù)影響與對照組相比差異顯著，但不同摻量間差異較小。表明黃土中摻加固化劑均能對土壤起到一定的固化作用，使土壤結構趨于穩(wěn)定，黃土抗?jié)B性能得到改善，但是固化劑摻量對黃土抗?jié)B性能的影響不大。

當摻量一定時，滲透系數(shù)隨期齡的增加而呈逐漸降低趨勢。當摻量為1.0%時，在不同期齡下，摻加A固化劑后，滲透系數(shù)比對照組分別下降了38.3%、61.6%、69.7%；摻加B固化劑后，滲透系數(shù)分別下降了49.2%、73.3%、76.8%；摻加C固化劑后，滲透系數(shù)分別下降了82.9%、91.7%、91.4%。當期齡為7和15 d時，滲透系數(shù)降低幅度較大，相比對照組降低了0.6～0.9倍左右，摻加固化劑能夠明顯提高黃土的抗?jié)B性能。

摻加固化劑后，土壤顆粒間隙在固化劑膠結作用下逐漸消除，增強土壤顆粒間的聯(lián)結力，提高了黃土的緊密程度；隨著齡期增長，固化劑膠結作用發(fā)揮越充分，降低了黃土滲的透系數(shù)，從而改善了黃土的抗?jié)B性能[22]。因此，在實際應用中，黃土中摻加固化劑后，想使其具有較好的抗?jié)B性能，應盡可能延長養(yǎng)護齡期，至少要在7 d以上。

圖4為壓實度對黃土滲透系數(shù)的影響。從圖中可以看出，黃土滲透系數(shù)與黃土壓實度成反比關系，摻加A、B、C 3種固化劑后，壓實度從0.80變?yōu)?.95時，滲透系數(shù)分別下降了94.12%、92.04%、93.45%，對照組下降了85.73%；當壓實度從0.95變?yōu)?.00時，滲透系數(shù)分別下降了0.21%、0.15%、0.01%，對照組下降了2.86%。壓實度小于0.95時，壓實度對滲透系數(shù)的影響較大[23]。壓實度較小時，土壤顆粒間結構較松散，增大壓實度能夠減小土壤顆粒間空隙，增強土壤結構，使固化劑與土壤顆粒充分反應，從而提高黃土抗?jié)B性能。當壓實度大于0.95時，黃土滲透系數(shù)基本趨于穩(wěn)定。實際應用中，為確保較低的黃土滲透系數(shù)，應盡量增大其壓實度，建議壓實度至少在0.95以上。

圖4 壓實度對黃土滲透系數(shù)的影響

2.3 固化劑對黃土抗沖刷性的影響

圖5為固化劑摻量對不同黃土坡面徑流含沙量的影響。從圖中可以看出，黃土徑流含沙量與固化劑摻量間成反比關系，固化劑摻量越高徑流含沙量越低[24]，養(yǎng)護期齡與徑流含沙量也成反比關系。坡度為15°，期齡為15 d時，不同固化劑摻量下，摻加A固化劑后徑流含沙量比對照組分別下降了27.6%、38.8%、39.4%、44.7%、48.0%；摻加B固化劑后分別下降了33.65%、40.0%、47.1%、49.0%、52.3%；摻加C固化劑后分別下降了20.3%、32.2%、37.3%、39.2%、41.1%。與對照組相比摻加固化劑能夠顯著降低黃土徑流含沙量，但是當A摻量大于0.5%后各摻量間差異較小，B、C摻量大于1.0%后各摻量間差異較小，同時，不同固化劑對黃土徑流含沙量的影響大小為B>A>C。由前面分析可知，摻加固化劑增強了土壤顆粒間聯(lián)結力，提高了黃土的抗剪強度，同時能夠增強黃土抗沖刷能力。當坡度為15°，固化劑摻量為1.0%時，不同期齡下，摻加A固化劑與對照組相比徑流含沙量下降了28.2%、35.6%、39.5%；摻加B固化劑徑流含沙量下降了32.5%、38.7%、45.5%；摻加C固化劑黃土徑流含沙量下降了26.7%、33.2%、37.5%。養(yǎng)護期齡越長黃土徑流含沙量越小，建議實際應用中應盡量延長其養(yǎng)護期齡。

當固化劑摻量一定時，黃土徑流含沙量隨坡度的增大先減小后增大，當坡度大于30°后，黃土徑流含沙量逐漸增大，當坡度小于30°時隨坡度增大徑流含沙量逐漸降低。固化劑摻量為1.0%，養(yǎng)護期齡為7 d時，在不同的坡度條件下，摻加A固化劑后，黃土徑流含沙量相比對照分別下降了34.0%、39.3%、46.5%、41.9%；摻加B固化劑后，黃土徑流含沙量相比對照分別下降了37.4%、43.3%、48.1%、44.5%；摻加C固化劑后，黃土徑流含沙量相比對照分別下降了29.7%、34.7%、42.8%、38.9%。當坡度小于30°時，由于坡度較小，黃土入滲速率較大，大部分降雨在坡面入滲，坡面不易形成徑流，隨時間變化坡面產(chǎn)流迅速形成，同時坡面含水率較高，坡面容易被沖刷，徑流含沙量較高。隨著坡度增大，雖然坡面容易形成徑流，并且流速較大，但是坡面入滲水量較少，坡面含水率較低，同時黃土抗剪強度較大，從而導致徑流含沙量降低，坡面具有較好的抗沖刷性能。當坡度大于30°時，徑流流速過大，從而導致外力作用大于黃土抗剪強度，同時相關研究表明，隨坡度增大，坡面徑流流態(tài)表為紊流，更易沖刷坡面，最終導致徑流含沙量逐漸增大[25-26]。坡度是坡面土壤侵蝕的重要影響因素，坡面徑流與坡度相關關系存在臨界坡度。

圖5 固化劑摻量對不同坡度黃土徑流含沙量的影響

圖6為壓實度對黃土徑流含沙量的影響。在養(yǎng)護期齡、固化劑摻量、坡度相同條件下，壓實度從0.80增加到0.95后，摻加固化劑能夠大幅度降低黃土徑流含沙量，壓實度大于0.95后，對徑流含沙量的影響較小。摻加A、B、C 3種固化劑后，壓實度為0.95時徑流含沙量比壓實度為0.80時分別降低了32.4%、31.6%、35.4%，對照組下降了37.4%；當壓實度從0.95增大到1.00時，徑流含沙量分別降低了1.4%、2.9%、3.2%，對照組下降了6.3%。表明在摻加固化劑的同時增大黃土坡面壓實度，有利于固化劑與土壤顆粒充分反應，使黃土顆粒間緊密聯(lián)結，增強黃土的緊實度和強度，使黃土具有較好的抗沖刷性，可以有效減小坡面徑流含沙量。摻加固化劑后壓實度大于0.95時，黃土坡面具有穩(wěn)定、良好的抗沖刷性能。

圖6 壓實度對黃土徑流含沙量的影響

3 結論

(1)固化劑能有效提高黃土抗剪強度，對黏聚力的影響最大；隨著養(yǎng)護齡期和固化劑摻量增加，黃土抗剪強度逐漸強，滲透系數(shù)呈逐漸減小(顯著低于對照組)，壓實度能顯著增強黃土抗剪強度。

(2)固化劑能夠顯著降低黃土徑流含沙量，增強黃土坡面的抗沖刷性能。徑流含沙量隨坡度增大先降低后增大，坡度為30°時徑流含沙量最小，并且養(yǎng)護期齡越大含沙量越小，壓實度越大含沙量越小。不同固化劑對黃土性能影響大小為SG-1>EN-1>W-OH。

(3)綜合考慮固化劑有效利用率和經(jīng)濟效益等因素，建議實際應用中EN-1摻量為0.5%，SG-1、W-OH摻量為1.0%。使其具有良好的抗剪強度和抗?jié)B性能，應盡可能延長養(yǎng)護齡期，增加壓實度，建議養(yǎng)護齡期至少要在7 d以上，壓實度至少控制在0.95以上，黃土坡面坡度不宜超過30°。

(4)摻加固化劑后，黃土抗剪強度呈逐漸增加趨勢，但滲透系數(shù)顯著減小，顯著降低黃土徑流含沙量，黃土徑流也相應逐漸增大，但是本文沒有考慮對徑流的影響，在后期研究中將綜合考慮固化劑對黃土抗剪強度、滲透系數(shù)、徑流、含沙量的影響。