河床基底重構(gòu)復(fù)合土控滲試驗(yàn)研究

高金花，李 明，陳 卓，魏 俊，黃森軍，趙進(jìn)勇

（1.長春工程學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130012； 2.吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130012； 3.中國電建集團(tuán) 華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；4.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

我國北方大部分地區(qū)干旱缺水，季節(jié)性特征明顯，當(dāng)河流滲漏嚴(yán)重、生態(tài)需水量得不到滿足時(shí)易引起生態(tài)環(huán)境惡化、生態(tài)系統(tǒng)受損等問題，在河流的生態(tài)修復(fù)與治理過程中，控滲技術(shù)對(duì)改善河床底質(zhì)土壤性能、減少水資源浪費(fèi)具有重要的意義。 近年來，控滲技術(shù)發(fā)展迅速，在工程中得到了廣泛應(yīng)用并取得一定的效益［1－2］。 目前，河道、渠道的主要減滲措施可分為河道硬化處理減滲、復(fù)合土工膜減滲、黏土減滲、膨潤土防水毯減滲和復(fù)合土料減滲等［3－6］。 其中復(fù)合土料減滲是把各種材料配制成復(fù)合土進(jìn)行減滲的方式，例如三合土減滲、水泥潛入土減滲、固化劑土減滲等［7－8］，該減滲方式配料以工程區(qū)素土為主，材料天然、生態(tài)效果好，但目前對(duì)于其摻料類型和配比還需進(jìn)一步研究。

纖維加筋技術(shù)是改良土壤工程特性常采用的方法。 有良好力學(xué)性能的纖維在土體中隨機(jī)分布時(shí)，能以一種較為均勻的方式加固強(qiáng)化土壤［9－10］。 國內(nèi)外學(xué)者圍繞纖維加筋技術(shù)開展了一系列研究并取得大量成果。 王亞軍等［11］在土壤中加入聚丙烯纖維材料，通過無側(cè)限抗壓試驗(yàn)研究了纖維材料對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提高程度。 常志璐等［12］對(duì)植物加筋固化土進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度和滲透正交試驗(yàn)。 曹雅嫻等［13］在硅粉水泥土中摻加聚丙烯纖維，研究水泥土改良后的力學(xué)性能。 Kumar 等［14］根據(jù)軟黏土性質(zhì)選擇摻加聚酯纖維對(duì)土體進(jìn)行改良，有效提高了其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。Yetimoglu 等［15］通過對(duì)比試驗(yàn)探索了纖維摻量對(duì)土壤殘余剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律。 Ramkrishnan 等［16］通過試驗(yàn)研究了劍麻纖維對(duì)黏土和沙壤土強(qiáng)度增強(qiáng)的特性。已有研究表明纖維的摻入可以對(duì)土壤膨脹特性、固結(jié)特性和力學(xué)性能起到改善效果，纖維作為一種工程性質(zhì)良好且天然易獲取的加筋混摻材料已得到很多關(guān)注［17］。

目前，國內(nèi)外復(fù)合土控滲技術(shù)研究主要集中在減滲性能上，針對(duì)其力學(xué)性能的研究較少。 筆者利用膨潤土和植物纖維材料對(duì)土壤進(jìn)行配比重構(gòu)得到減滲復(fù)合土，探究了復(fù)合土的滲透系數(shù)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨各材料變化的規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與研究方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 土壤材料

土樣取自濟(jì)南市創(chuàng)新谷河流漫灘區(qū)，取土深度20～100 cm。 土壤質(zhì)地均勻，含少量植物根系、孔洞和砂礫，主要為含砂粉質(zhì)黏土，呈黃褐色，屬級(jí)配不良土體，力學(xué)性能較差，其基本物理指標(biāo)見表1，顆粒級(jí)配曲線見圖1。1.1.2 膨潤土材料

表1 土樣的基本物理指標(biāo)

試驗(yàn)選取鈣基膨潤土、人工納基膨潤土和天然納基膨潤土3 種類型的膨潤土作為主要摻加材料。 膨潤土是以蒙脫石為主要礦物成分的非金屬礦物材料，蒙脫石含量為70%～95%，物理化學(xué)性質(zhì)主要取決于蒙脫石含量與類型，基本性能參數(shù)見表2。

表2 膨潤土材料的基本性能參數(shù)

3 種類型膨潤土主要化學(xué)成分見表3。 人工鈉基膨潤土是由鈣基膨潤土通過物理化學(xué)手段添加大量鈉離子形成，因此二者主要化學(xué)成分含量相近。

1.1.3 植物纖維材料

試驗(yàn)采用椰殼纖維和劍麻纖維兩種類型植物纖維作為纖維加筋材料，這兩種纖維易獲取，具有優(yōu)良的耐久性、耐濕性和力學(xué)性能，基本性能參數(shù)見表4。

表4 纖維材料的基本性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 變水頭滲透試驗(yàn)

試驗(yàn)采用五聯(lián)變水頭滲透裝置進(jìn)行，試樣按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL 237—1999）擾動(dòng)土預(yù)備程序制作，以1.6 g／cm3的干密度進(jìn)行配比混摻，標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸為6.18 cm×4.00 cm（直徑×高），同一配比試樣制備2 塊，確保不同試樣的密度、含水率差在1%之內(nèi)，外觀無明顯差異。 試樣制作完畢后置入滲透儀，在浸泡箱進(jìn)行土壤水飽和處理，預(yù)飽和后放入滲透裝置，并調(diào)試供水設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。 滲透儀出水穩(wěn)定后開始記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)滲透速度每隔15 min 或1 h 測記一次數(shù)據(jù)，重復(fù)測量5～6 次。 當(dāng)同樣間隔時(shí)間內(nèi)水分入滲速率穩(wěn)定時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。

以膨潤土類型和摻量作為影響因子，膨潤土類型分別為天然納基膨潤土、人工納基膨潤土、鈣基膨潤土，膨潤土摻量分別為3%、6%、9%、12%、15%、18%、21%，共制作42 塊試樣。

植物纖維材料配比方案見表5，以纖維類型、纖維長度和纖維摻量作為影響因子，共制作24 塊試樣。

表5 植物纖維配比方案

1.2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角等與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，研究無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可以判斷材料對(duì)復(fù)合土力學(xué)性能的影響。 試驗(yàn)使用萬能壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，采用三瓣輕型擊實(shí)儀制備試塊，以1.6 g／cm3的干密度進(jìn)行配比制作，標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸為6.18 cm×12.50 cm（直徑×高），含水率控制在17%，天然納基膨潤土摻量為15%，纖維類型、長度、摻量配比同表5，對(duì)應(yīng)4 個(gè)方案編號(hào)為A ～D，同一配比試樣制備2 塊，共制備試樣24 塊。 試樣制作完畢后放入標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱（養(yǎng)護(hù)溫度20 ℃±2 ℃，濕度＞90%）養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期7 d 后進(jìn)行試驗(yàn)，記錄破壞荷載并計(jì)算無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 膨潤土對(duì)復(fù)合土滲透系數(shù)的影響

膨潤土摻量對(duì)滲透系數(shù)的影響見圖2。 由圖2 可知：3 種類型膨潤土都具備良好的減滲效果，等摻量的情況下，減滲效果強(qiáng)弱排序?yàn)樘烊患{基膨潤土、人工納基膨潤土、鈣基膨潤土；當(dāng)摻量達(dá)到21%時(shí)，天然納基膨潤土、人工納基膨潤土、鈣基膨潤土3 種類型復(fù)合土滲透系數(shù)分別為5.1×10－8、8×10－8、6.5×10－8cm／s。 當(dāng)3 種膨潤土摻量為15%時(shí)，復(fù)合土滲透系數(shù)相對(duì)于素土可減小2～3 個(gè)數(shù)量級(jí)；摻入鈣基膨潤土和人工鈉基膨潤土?xí)r，土壤滲透系數(shù)隨摻量變化規(guī)律趨于一致，原因主要是二者化學(xué)成分相近；當(dāng)摻量為3%～15%時(shí)，3種類型復(fù)合土滲透系數(shù)下降較快，當(dāng)摻量高于15%時(shí)，滲透系數(shù)下降速率逐步降低，對(duì)于摻入同一種類型膨潤土的復(fù)合土，膨潤土摻量是影響滲透系數(shù)的主要因素，膨潤土摻量每提高3%，復(fù)合土的滲透系數(shù)都會(huì)在原有基礎(chǔ)上下降30%到60%。

當(dāng)膨潤土摻量在3%～21%變化時(shí)，隨著摻量的提高，不同類型膨潤土的減滲效果差異呈現(xiàn)減小的趨勢。其主要原因是試樣土壤結(jié)構(gòu)中的有效孔隙和水通道被膨潤土細(xì)粒遇水膨脹后形成的膠體顆粒逐步填充阻隔，當(dāng)有效孔隙和水通道數(shù)量減少至一個(gè)較低水平時(shí)，增加膨潤土顆粒無法使剩余的有效孔隙和水通道數(shù)量進(jìn)一步減少。

通過調(diào)節(jié)不同類型膨潤土的摻加量可以控制滲透系數(shù)，當(dāng)天然納基膨潤土摻量達(dá)15%、人工納基膨潤土摻量達(dá)18%、鈣基膨潤土摻量達(dá)18%時(shí)，復(fù)合土滲透系數(shù)達(dá)1×10－7cm／s。

將3 種類型膨潤土滲透系數(shù)進(jìn)行擬合（見圖3），擬合公式可為同類型工程膨潤土材料選擇提供參照。當(dāng)膨潤土摻量小于15%時(shí)，膨潤土類型對(duì)滲透系數(shù)有一定影響；當(dāng)摻量超過15%時(shí)，膨潤土類型對(duì)滲透系數(shù)影響較小。

鈣基膨潤土摻量為3%～15%、15%～21%時(shí)，復(fù)合土滲透系數(shù)與摻量擬合關(guān)系式分別為

人工鈉基膨潤土摻量為3%～15%、15%～21%時(shí)，復(fù)合土滲透系數(shù)與摻量擬合關(guān)系式分別為

天然鈉基膨潤土摻量為3%～15%、15%～21%時(shí)，復(fù)合土滲透系數(shù)與摻量擬合關(guān)系式分別為

式中：y為滲透系數(shù)，cm／s；x為膨潤土材料摻量；R2為擬合優(yōu)度。

可見，R2均大于0.95，說明關(guān)系式擬合度均較高。

2.2 不同類型植物纖維摻量對(duì)復(fù)合土滲透系數(shù)的影響

不同類型植物纖維摻量對(duì)復(fù)合土滲透系數(shù)的影響見圖4。 由圖4 可知：椰殼纖維和劍麻纖維能一定程度提高復(fù)合土的滲透系數(shù)，摻量在0.25%～0.75%范圍增加時(shí)，復(fù)合土滲透系數(shù)增大速率逐步減?。焕w維摻量為0.25%時(shí)，復(fù)合土最大滲透系數(shù)為素土滲透系數(shù)的1.254 倍；纖維摻量為0.75%時(shí)，復(fù)合土最大滲透系數(shù)為素土滲透系數(shù)的1.534 倍。 當(dāng)纖維摻量和纖維類型相同時(shí)，方案一和方案三增滲效果較好，說明1 cm 短纖維對(duì)滲透系數(shù)增大效果強(qiáng)于2 cm 長纖維的，這可能是長纖維與短纖維在土體中分布時(shí)形態(tài)差異引起的，纖維使?jié)B透系數(shù)增大的主要原因是纖維與土壤的接觸面沿纖維軸向會(huì)形成一定量水分子運(yùn)移通道，纖維與土壤混合并隨機(jī)分布于土體時(shí)，長纖維易產(chǎn)生更大彎曲量，在土壤中形成更多高彎曲度的纖維條，當(dāng)水分子沿纖維軸向運(yùn)移時(shí)，曲折的纖維降低了水分子在土壤中沿垂向滲透效率，增加了水分子沿其他方向的無效運(yùn)移量。 當(dāng)纖維摻量和纖維長度相同時(shí)，方案一和方案二增滲效果較好，說明椰殼纖維對(duì)滲透系數(shù)的增大效果強(qiáng)于劍麻纖維的，原因是兩種纖維束的寬度和表層粗糙度差異較大，椰殼纖維的單個(gè)纖維束的截面和表面粗糙度都大于劍麻纖維束的，這導(dǎo)致椰殼纖維束與土體顆粒接觸面更大，使椰殼纖維與土壤接觸面易形成更多的水分運(yùn)移通道。

2.3 不同類型植物纖維摻量對(duì)復(fù)合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

不同類型植物纖維摻量對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響見圖5。 由圖5 可知，椰殼纖維和劍麻纖維都可以有效提高復(fù)合土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，4 種方案摻量從0.25%到0.50%變化過程中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高較多，摻量從0.50%到0.75%變化時(shí)提高較少。 當(dāng)纖維摻量和纖維長度相同時(shí)，方案A 和方案B 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高較多，說明椰殼纖維對(duì)復(fù)合土強(qiáng)度的提高效果強(qiáng)于劍麻纖維的，例如摻入量為0.25%時(shí)，方案A 對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提高量是方案C 提高量的1.405倍；當(dāng)纖維摻量和纖維類型相同時(shí)，方案B 和方案D無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高較多，說明2 cm 長纖維對(duì)土壤無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提高效果大于1 cm 短纖維的，例如摻量為0.25%時(shí)，方案D 對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提高量是方案C 的1.213 倍。 兩種類型纖維對(duì)土壤無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高程度的不同可能是纖維束特征差異導(dǎo)致的，纖維提高復(fù)合土強(qiáng)度的重要原因是纖維與土料混摻后，兩者之間產(chǎn)生的摩擦阻力可以限制變形，即當(dāng)土體產(chǎn)生相對(duì)位移或者破壞開裂時(shí)，纖維與土體會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦力，起到加筋連固作用，減小形變或者形變趨勢。 而兩種纖維束的寬度和表面粗糙度差異較大，椰殼纖維的單個(gè)纖維束的寬度遠(yuǎn)大于劍麻纖維束的，同時(shí)椰殼纖維束的表面粗糙度也大于劍麻纖維束的，這導(dǎo)致了椰殼纖維與土壤接觸面摩擦固定效果更強(qiáng)，更大幅度提高了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。 2 cm 長纖維對(duì)強(qiáng)度的提高效果強(qiáng)于1 cm 短纖維的，原因是長纖維在土體中隨機(jī)分布時(shí)更易形成相互交錯(cuò)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在纖維與土壤顆粒摩擦?xí)r提高纖維束多向受力程度，將更多土壤顆粒固結(jié)成為整體，從而提高土體的整體性和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。 植物纖維提高了復(fù)合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，能改善耐久性并減少受外力影響時(shí)的破壞，有利于復(fù)合土控滲。

3 結(jié) 論

通過室內(nèi)滲透試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了不同配比復(fù)合土的控滲性能和力學(xué)性能，主要結(jié)論如下。

（1）3 種類型膨潤土都具備良好的減滲效果，等摻量的情況下，減滲效果強(qiáng)弱排序?yàn)樘烊患{基膨潤土、人工納基膨潤土、鈣基膨潤土，通過調(diào)節(jié)不同類型膨潤土的摻量可使?jié)B透系數(shù)下降2～3 個(gè)數(shù)量級(jí)。

（2）椰殼纖維和劍麻纖維具有一定的增滲效果，隨著纖維摻量的增大，復(fù)合土滲透系數(shù)會(huì)有所增大。同樣纖維摻量和纖維種類的情況下，1 cm 短纖維對(duì)滲透系數(shù)增大效果強(qiáng)于2 cm 長纖維的；同樣纖維長度和纖維摻量的情況下，椰殼纖維對(duì)復(fù)合土滲透系數(shù)增大效果強(qiáng)于劍麻纖維的。

（3）椰殼纖維和劍麻纖維可以有效提高復(fù)合土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，改善其力學(xué)性能，復(fù)合土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著纖維摻量的增大而增大。 同樣纖維摻量和纖維種類的情況下，2 cm 長纖維對(duì)復(fù)合土強(qiáng)度的提高效果強(qiáng)于1 cm 短纖維的；同樣纖維長度和摻量的情況下，椰殼纖維對(duì)復(fù)合土強(qiáng)度的提高效果強(qiáng)于劍麻纖維的。

（4）利用膨潤土和植物纖維材料對(duì)區(qū)域土壤配比重構(gòu)形成的復(fù)合土有良好的控滲性能，材料天然、生態(tài)效果好；復(fù)合土控滲有助于解決河流持水能力差、水資源滲漏浪費(fèi)的問題，在河道生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景。 但本文試驗(yàn)方案具有一定局限性，后續(xù)將針對(duì)不同類型土壤和其他力學(xué)性能開展進(jìn)一步研究。