生物聚合物改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖水穩(wěn)性及沖刷試驗(yàn)研究

付宏淵，查煥奕，潘浩強(qiáng)，曾鈴，劉杰

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410114；2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410114)

炭質(zhì)泥巖是一種膨脹軟巖，自然狀態(tài)下，其邊坡表層巖體極易發(fā)生崩解、泥化等現(xiàn)象，進(jìn)而形成一層崩解性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)松散、膨脹性大的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖[1]。在降雨作用下，炭質(zhì)泥巖邊坡表面極易產(chǎn)生沖溝、剝落及開(kāi)裂等災(zāi)害，嚴(yán)重影響其穩(wěn)定性[2]。傳統(tǒng)護(hù)坡方法如錨桿框架梁、厚基噴漿、鋼筋網(wǎng)噴播等，均未考慮炭質(zhì)泥巖表層巖體崩解后導(dǎo)致邊坡巖體破裂、強(qiáng)度降低、水土流失等問(wèn)題，其防護(hù)效果往往不佳，且生態(tài)性較差。因此，亟需尋求一種新型、有效的炭質(zhì)泥巖邊坡防控技術(shù)。

近年來(lái)，隨著護(hù)坡技術(shù)的快速發(fā)展，表層固化護(hù)坡技術(shù)逐漸受到許多學(xué)者的青睞[3]。表層固化護(hù)坡實(shí)質(zhì)是通過(guò)改良邊坡表層土體強(qiáng)度進(jìn)而增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性的方法[4-5]。許多學(xué)者通過(guò)纖維加筋的方式增強(qiáng)土體的強(qiáng)度[6-8]。安寧等[9]利用聚丙烯纖維加筋黃土邊坡表層土體，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維在增強(qiáng)黃土力學(xué)性能的同時(shí)，還可有效增強(qiáng)其抗沖刷性能。然而，纖維加筋加固主要是通過(guò)纖維與土顆粒間的互鎖效應(yīng)來(lái)增強(qiáng)土體性能，對(duì)黏性土、砂土、膨脹土等土體改良效果較好，而對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖這類易崩解的風(fēng)化軟巖顆粒的改良效果并不顯著?，F(xiàn)階段，有機(jī)高分子聚合物改良法因其施工簡(jiǎn)便、改良效果好等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。周翠英等[10]利用生態(tài)脂類材料對(duì)砂土邊坡表層進(jìn)行改良，驗(yàn)證了生態(tài)脂類材料固化護(hù)坡的可行性。LIU等[11]利用水性聚氨酯(PU)固化劑對(duì)沙質(zhì)邊坡表層土進(jìn)行加固，發(fā)現(xiàn)聚氨酯可有效改善砂土邊坡表層沖刷性能。然而，有機(jī)高分子聚合物雖能有效提高土體的力學(xué)性能及持水性能[12]，但在抑制土體干縮濕脹、崩解等性能方面仍具有一定局限性，且其降解難度大，對(duì)環(huán)境有一定的影響。因此，這類高分子聚合物亦不適用于改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖。

在選取預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖固化劑時(shí)，需同時(shí)考慮其對(duì)巖體力學(xué)性能、水穩(wěn)性及抗沖刷性能的影響。生物聚合物具有來(lái)源廣、生態(tài)環(huán)保、改良效果優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)[13]。一般認(rèn)為，生物聚合物改良機(jī)理是將細(xì)小的土體顆粒凝聚成大顆粒，并提高顆粒間的黏聚性，進(jìn)而達(dá)到提升土體力學(xué)性能的效果[14-15]。大量研究表明，生物聚合物加固效果受養(yǎng)護(hù)時(shí)間、聚合物種類、拌和方式及摻量的影響較大，但其在較小用量的條件下即可獲得較好的改良效果，亦可提升土體持水能力及生物性能[16-18]。此外，生物聚合物親水性較強(qiáng)，融入水后黏度較大，可在一定程度上提升土體的滲透性能、水穩(wěn)性及抗沖刷性能[19-20]。因此，生物聚合物有望成為一種新型環(huán)保、有效的炭質(zhì)泥巖固化劑。

瓜爾膠作為一種應(yīng)用廣泛的生物聚合物，性能優(yōu)異，受pH和溫度的影響較小，改良后土體抵抗水侵蝕能力及滲透性能均有明顯提高[21]。研究發(fā)現(xiàn)，瓜爾膠可通過(guò)在土體孔隙內(nèi)部形成凝膠堵塞滲透通道，并黏結(jié)、包覆土體顆粒，進(jìn)而提高其水力特性[22]。鑒于此，本文選取瓜爾膠作為固化劑用于改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖，通對(duì)對(duì)瓜爾膠改性預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、持水特征試驗(yàn)、崩解試驗(yàn)及邊坡沖刷試驗(yàn)，綜合評(píng)價(jià)瓜爾膠改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的強(qiáng)度、滲透、崩解及抗沖刷等性能，揭示其改良機(jī)理及護(hù)坡機(jī)理，以期為表層固化護(hù)坡研究提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖

試驗(yàn)所用預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖取自廣西柳州地區(qū)某高速公路邊坡。將預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖置于室外風(fēng)干后，依據(jù)JTG E40—2007“公路土工試驗(yàn)規(guī)程”[23]，通過(guò)比重瓶法測(cè)得其相對(duì)密度；通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)獲得預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖最大干密度和最佳含水率；利用液塑限儀測(cè)得其液限、塑限和塑限指數(shù)，其結(jié)果見(jiàn)表1。利用XRD 對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖礦物成分進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可知：其礦物成分主要為石英、白云母、高嶺石、伊利石、方解石等，經(jīng)X射線熒光光譜分析(XRF)檢測(cè)得到其主要化學(xué)成分為SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3及CaO。

表1 炭質(zhì)泥巖物理指標(biāo)Table 1 Physical indexes of carbon mudstone

圖1 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖X射線衍射譜Fig.1 X-ray diffraction patterns of disintegrated carbonaceous mudstone(DCM)

1.1.2 生物聚合物

本文采用的生物聚合物是由河南奧尼斯特食品有限公司生產(chǎn)的食品級(jí)瓜爾膠，為白色粉末，其化學(xué)式如圖2(a)所示。由圖2(a)可見(jiàn)，瓜爾膠主要由半乳糖主鏈、半乳糖側(cè)鏈及β-1,4-甘鏈組成，其高分子鏈上含有大量羥基(—OH)和甲醇基團(tuán)(—CH2OH)，可在溶于水后迅速形成高分子聚合物[24-25]；瓜爾膠溶于水中形成淡黃色黏稠狀乳液(圖2(b))，具有很強(qiáng)的黏聚性，并在干燥失水后形成具有彈性的淡黃色高分子膜(圖2(c))。

圖2 瓜爾膠化學(xué)結(jié)構(gòu)式及溶液Fig.2 Chemical structure formula and solution of guar gum

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 強(qiáng)度試驗(yàn)

將風(fēng)干后預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖過(guò)孔徑為2 mm 的篩，稱取一定質(zhì)量的瓜爾膠與干燥的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖均勻混合，加入一定質(zhì)量的去離子水，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝鬆F料24 h。瓜爾膠摻量(w)為0，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%和1.0%，試樣含水率為14%，試樣干密度為1.9 g/cm3。采用靜壓法壓實(shí)，制備直徑×高度為50 mm×100 mm 的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度圓柱形試樣。試樣制備完成后，置于自然狀態(tài)下(室內(nèi)溫度為25 ℃)養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)的齡期[10]，詳見(jiàn)表2。

表2 瓜爾膠的摻量設(shè)計(jì)及試樣養(yǎng)護(hù)時(shí)間Table 2 Design of sodium alginate dosage and specimen maintenance time

試樣達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后，采用YSH-2 型應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，軸向應(yīng)變速率為1 mm/min，當(dāng)軸向應(yīng)力下降至最大軸向應(yīng)力的1/3時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。為提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每種養(yǎng)護(hù)條件及固化溫度均制備6 個(gè)平行試樣。

1.2.2 滲透試驗(yàn)

采用變水頭滲透試驗(yàn)測(cè)試改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的滲透系數(shù)，使用表2 所示瓜爾膠摻量制備改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖試樣，控制試樣的干密度為1.9 g/cm3，含水率為14%，圓柱形試樣直徑×高度為61.8 mm×40.0 mm。

1.2.3 持水特性試驗(yàn)

與傳統(tǒng)膠凝材料的相比，生物聚合物的一大優(yōu)勢(shì)是其可改善土體的持水特性，進(jìn)而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[26-27]。因此，改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的持水特性也是生物聚合物改良效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一。采用靜壓法制備持水特性試樣，其直徑×高度為50 mm×100 mm，控制試樣的干密度為1.9 g/cm3，含水率為14%。試樣制備完成后，稱取其質(zhì)量(m0)；為保證試樣不受外部環(huán)境濕度的影響，將其置于鼓風(fēng)干燥箱中干燥(干燥溫度為25 ℃)，稱取t時(shí)刻的試樣質(zhì)量(mt)。試驗(yàn)采用平均失水速率表征生物聚合物改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的持水能力。

式中：v(t)為試樣在某一時(shí)刻的平均失水速率；mt1為t1時(shí)刻的試樣質(zhì)量，mt2為t2時(shí)刻的試樣質(zhì)量。

1.2.4 崩解試驗(yàn)

改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖崩解試驗(yàn)裝置如圖3 所示。采用邊長(zhǎng)為10 mm 的鋼筋網(wǎng)格制作正方體的鋼筋籠，再將其懸掛在彈簧秤上(精度為0.5 g)。崩解試驗(yàn)時(shí)，將直徑×高度為50 mm×100 mm 的圓柱形試樣置于鋼筋籠中，然后將其浸入裝滿水的有機(jī)玻璃箱中，直至水面淹沒(méi)試樣；記錄浸水瞬間彈簧秤讀數(shù)(mt0)及浸水時(shí)刻t1時(shí)彈簧秤讀數(shù)mt1。按以下公式計(jì)算其崩解率Y：

圖3 崩解試驗(yàn)裝置Fig.3 Disintegration test setup

1.2.5 邊坡沖刷試驗(yàn)

邊坡沖刷試驗(yàn)裝置如圖4所示，其主要由降雨系統(tǒng)、邊坡主體及集水箱組成。降雨系統(tǒng)可調(diào)節(jié)降雨量以模擬真實(shí)降雨情況；邊坡主體由長(zhǎng)×寬×高為30 cm×20 cm×3 cm 的模型箱組成，底部集水箱用于收集降雨條件下的坡面徑流。分別配制瓜爾膠摻量為0，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%和1.0%的改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖，將其在模型箱中壓實(shí)，并將其置于恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)3 d后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，將模型箱置于坡度為30°的支架上進(jìn)行降雨沖刷，并利用底部集水箱收集表層流失的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖，過(guò)濾后烘干稱質(zhì)量，并計(jì)算出其沖刷速率。本次沖刷試驗(yàn)降雨強(qiáng)度設(shè)置為60 mm/h，降雨時(shí)長(zhǎng)為1 h。

圖4 沖刷試驗(yàn)裝置Fig.4 Rainfall scour test setup

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖力學(xué)性能

圖5所示為不同養(yǎng)護(hù)齡期下瓜爾膠改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。由圖5可見(jiàn)：隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，不同摻量下瓜爾膠改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均明顯增大，其變化過(guò)程大致可分為以下階段。

1)前期失水快速增大階段。這一階段中試樣逐漸失水，瓜爾膠膠結(jié)，形成高分子膜，進(jìn)而增強(qiáng)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖顆粒間作用力；但由于試樣在同種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下失水速率不相同，且試樣含水率保持在較高水平，試樣強(qiáng)度受含水率的影響大于瓜爾膠改良作用的影響，因此，此階段試樣強(qiáng)度增大趨勢(shì)與瓜爾膠摻量的關(guān)系并不明顯。

2)后期持續(xù)增大階段。這一階段試樣含水率較低，并持續(xù)失水至風(fēng)干，但由于瓜爾膠的保水作用，試樣完全風(fēng)干所需時(shí)間不一致，因此，不同瓜爾膠摻量下的改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增大速率并不一致。

由圖5可見(jiàn)，w=0的改良預(yù)崩解試樣最先完全風(fēng)干，故其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最先趨于穩(wěn)定，其值為431.08 kPa；而w=1.0%時(shí)的試樣由于瓜爾膠的影響導(dǎo)致其失水速率最慢，風(fēng)干持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，因此，其強(qiáng)度在8 d內(nèi)持續(xù)增大，且增幅最大。此外，養(yǎng)護(hù)8 d后，改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨瓜爾膠摻量的增大而增大，w=1.0%時(shí)，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1 319.24 kPa，為w=0時(shí)的3.06倍。

圖5 不同養(yǎng)護(hù)齡期下瓜爾膠改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.5 UCS of guar gum modified DCM at different curing times

2.2 改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖持水特性

圖6所示為不同摻量的瓜爾膠改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖在干燥失水過(guò)程中含水率的變化。從圖6可以看出：1)隨著失水時(shí)間持續(xù)，各組改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖試樣含水率逐漸減小。2)失水過(guò)程整體可分為3個(gè)階段。失水前期，含水率隨失水時(shí)間延長(zhǎng)而呈線性下降；失水中期，含水率變化逐漸減小，其變化曲線由直線型轉(zhuǎn)變?yōu)榍€型；失水后期，其變化逐漸趨于穩(wěn)定。3)瓜爾膠可明顯提高預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖持水能力，其摻量越大，改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖最終含水率越大。這是因?yàn)樵谑缙?，試樣含水率較高時(shí)，其失水速率主要受含水率的控制；隨著失水過(guò)程的持續(xù)，不同摻量下瓜爾膠改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖分別沿不同的路徑進(jìn)入下一階段；此外，由于瓜爾膠在改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖試樣內(nèi)部形成瓜爾膠-預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖團(tuán)聚體，改變了試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且瓜爾膠自身就具備保水功能，因此，失水過(guò)程中不同瓜爾膠摻量的試樣在進(jìn)入下一階段時(shí)其含水率有明顯區(qū)別，瓜爾膠摻量越大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)的試樣剩余含水率越大。

圖6 改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖含水率的變化Fig.6 Changes of water content of modified DCM

圖7所示為不同摻量瓜爾膠改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖失水速率隨時(shí)間的變化。從圖7可以看出：1)改良后炭質(zhì)泥巖試樣失水速率均隨失水時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定直至降于0。2)瓜爾膠摻量越大，其失水速率越小，含水率趨于0所需時(shí)間越長(zhǎng)，w=0 時(shí)試樣的失水速率趨于0 g/h 的速度最快。通過(guò)擬合后發(fā)現(xiàn)改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖失水速率隨時(shí)間變化符合Logistic回歸曲線：

式中：a1為L(zhǎng)ogistic 回歸參數(shù)曲線的最大值；a2為曲線最小值；p為曲線坡度；x0為最大有效速率的1/2。

由圖7 可見(jiàn)：隨著瓜爾膠摻量增大，Logistic回歸曲線的弧度也隨之增大，其曲線凹向坐標(biāo)軸原點(diǎn)的程度亦越大。造成上述現(xiàn)象的原因主要是瓜爾膠遇水形成黏稠的膠體，并隨水分?jǐn)U散至預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖顆粒間的孔隙中，填充了試樣內(nèi)部微觀孔隙，堵塞了內(nèi)部水分向外部遷移的通道，減小了試樣內(nèi)部水分的蒸發(fā)。此外，瓜爾膠自身結(jié)合水的能力較強(qiáng)，極易吸收試樣中自由水形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的結(jié)合水，因此，瓜爾膠摻量越大，試樣平均含水率下降速率越緩慢，最終穩(wěn)定含水率越大；失水速率趨于0的時(shí)間越短，擬合曲線凹向坐標(biāo)軸原點(diǎn)的弧度越大。擬合后Logistic回歸曲線的基本參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖失水速率隨時(shí)間變化的擬合曲線Table 3 Fitted curve of water loss rate of modified DCM with time

圖7 改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖失水速率隨時(shí)間的變化Fig.7 Changes of water loss rate of modified DCM with time

2.3 改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖滲透性能

圖8所示為瓜爾膠摻量對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖滲透系數(shù)的影響。從圖8可以看出：改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖試樣的滲透系數(shù)與瓜爾膠摻量呈負(fù)相關(guān)。未處理預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的滲透系數(shù)為2.56×10-6m/s；當(dāng)瓜爾膠摻量小于0.8%時(shí)，改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的滲透系數(shù)變化明顯，其降幅較大，尤其是摻入0.2%瓜爾膠時(shí)，其滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于未處理的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖滲透系數(shù)，僅為未處理時(shí)的42.58%；當(dāng)瓜爾膠摻量大于等于0.8%時(shí)，滲透系數(shù)降幅減??；當(dāng)瓜爾膠摻量為1.0%時(shí)，其滲透系數(shù)最小，為1.1×10-7m/s。瓜爾膠改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖滲透系數(shù)呈現(xiàn)出上述趨勢(shì)的原因主要是：隨著瓜爾膠的摻入，在預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖內(nèi)部形成了瓜爾膠-炭質(zhì)泥巖聚集體，瓜爾膠膠體封堵了土體內(nèi)部的滲水通道，從而減小了其滲透系數(shù)；而當(dāng)瓜爾膠摻量大于等于0.8%時(shí)，炭質(zhì)泥巖內(nèi)部滲水通道已大部被封堵，造成后期滲透系數(shù)緩慢減小。

圖8 不同摻量下瓜爾膠改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖滲透系數(shù)Fig.8 Permeability coefficients of DCM modified with different guar dosages

2.4 改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖水穩(wěn)特性

圖9所示為不同瓜爾膠摻量下改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖崩解現(xiàn)象。由圖9可以看出：當(dāng)瓜爾膠摻量為0時(shí)，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖浸水后立即崩解，表層小顆粒剝落直至試樣崩解完全，水樣逐漸渾濁，出現(xiàn)明顯的霧化現(xiàn)象(圖9(a))，形成預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖懸浮液，整個(gè)過(guò)程僅持續(xù)15 min。而當(dāng)瓜爾膠摻量為0.2%～1.0%時(shí)，改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖試樣崩解現(xiàn)象呈現(xiàn)出明顯的4個(gè)階段(圖9(b)～(d))：1)吸水飽和階段。試樣上依附大量的細(xì)小氣泡，隨著浸水時(shí)間的持續(xù)延長(zhǎng)，試樣吸水飽和，氣泡逐漸排出并上升直至露出水面破裂。以瓜爾膠摻量為0.2%的改性預(yù)崩解試樣為例，此階段持續(xù)30 min。2)表層剝落階段。試樣表層氣泡脫離、破裂，且表層出現(xiàn)魚(yú)鱗狀細(xì)小裂紋，隨浸水時(shí)間持續(xù)，裂紋逐漸發(fā)育貫通，導(dǎo)致試樣表層顆粒逐漸剝落，侵蝕現(xiàn)象明顯，試樣體積逐漸變小。3)試樣開(kāi)裂階段。試樣表層顆粒剝落，導(dǎo)致水進(jìn)一步入滲至試樣內(nèi)部，內(nèi)部氣體被排出，并形成裂隙，隨著浸水時(shí)間持續(xù)，裂隙進(jìn)一步貫通，致使試樣斷裂、坍塌。4)穩(wěn)定階段。試樣坍塌、斷裂后，進(jìn)一步吸水膨脹，細(xì)小顆粒掉落，大的團(tuán)聚體仍聚集在一起，質(zhì)量損失減小，最終趨于穩(wěn)定。

圖9 崩解現(xiàn)象Fig.9 Disintegration phenomenon

圖10 所示為不同瓜爾膠摻量下改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖及未改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖崩解率變化規(guī)律。由圖10 可見(jiàn)：改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖崩解率隨崩解時(shí)間呈現(xiàn)出相似的趨勢(shì)，均存在4個(gè)明顯的階段：

1)負(fù)增長(zhǎng)階段。試樣初始含水率較低，需吸水飽和，造成試樣質(zhì)量增大，進(jìn)而使其崩解率呈現(xiàn)出負(fù)增長(zhǎng)，雖然試樣出現(xiàn)細(xì)小顆粒剝落，但其吸水飽和占主導(dǎo)地位，直至吸水飽和與崩解達(dá)到平衡。

2)緩慢增長(zhǎng)階段。試樣繼續(xù)吸水飽和，但其崩解逐漸占主導(dǎo)地位，使其吸水飽和質(zhì)量增長(zhǎng)速率小于崩解質(zhì)量減小速率，導(dǎo)致試樣崩解率逐漸增大。

3)快速增長(zhǎng)階段。由于前期試樣吸水達(dá)到飽和，這一階段試樣快速崩解，質(zhì)量損失較大，崩解率快速增大。

4) 穩(wěn)定階段。這一階段試樣崩解逐漸完全，質(zhì)量損失趨于0，崩解率趨于穩(wěn)定。

由圖10 還可見(jiàn)：試樣崩解率的增幅隨瓜爾膠摻量增大而減小。隨著瓜爾膠摻量增大，試樣最終崩解率不斷減小。當(dāng)瓜爾膠摻量為0時(shí)，最終崩解率趨于100%；而當(dāng)瓜爾膠摻量為1.0%時(shí)，最終崩解率最小，僅為10%。

圖10 改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖崩解率變化規(guī)律Fig.10 Variation law of disintegration rate of DCM modified with different guar dosing

2.5 邊坡模擬沖刷性能試驗(yàn)結(jié)果

圖11 所示為不同瓜爾膠摻量下改良炭質(zhì)泥巖坡面沖刷前后對(duì)比。從圖11 可知：不同瓜爾膠摻量下改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖前后坡面抗沖刷性能有明顯的區(qū)別。初始狀態(tài)時(shí)，改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖坡面均平整光滑；經(jīng)1 h 降雨后，瓜爾膠摻量為0時(shí)的坡面沖蝕較大，表層出現(xiàn)嚴(yán)重的剝落，而摻加瓜爾膠后的坡面經(jīng)1 h 降雨沖刷后仍能保持完整，沖刷特征不明顯，且隨著瓜爾膠摻量增大，坡面完整性更高。整個(gè)降雨沖刷過(guò)程中，瓜爾膠摻量為0時(shí)的改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖坡面破壞形態(tài)變化可大致分為3 個(gè)階段：1) 顆粒流失階段(t≈10 min)。此時(shí)表層出現(xiàn)顆粒剝落，并隨降雨流失。2)面狀侵蝕階段(t≈30 min)。此時(shí)坡面出現(xiàn)明顯的剝落。3)溝狀侵蝕階段(t≈50 min)。此時(shí)坡面右下側(cè)與模型箱接觸面逐漸出現(xiàn)沖溝，并出現(xiàn)明顯的破壞。

圖11 坡面沖刷前后對(duì)比Fig.11 Comparison of slope before and after scouring

不同瓜爾膠摻量下的沖刷徑流水樣如圖12 所示。由圖12 可知：當(dāng)瓜爾膠摻量為0 時(shí)，收集的坡面徑流水樣渾濁，長(zhǎng)久靜置后懸浮物仍不會(huì)完全沉淀。而瓜爾膠摻量為0.2%，0.4%，0.6%，0.8%及1.0%時(shí)，坡面徑流水樣清澈，無(wú)需靜置懸浮物就已沉淀在透明玻璃箱底，且瓜爾膠摻量越高，水樣越清澈。這主要是因?yàn)楦牧记邦A(yù)崩解炭質(zhì)泥巖松散、顆粒較小，降雨作用后，形成炭質(zhì)泥巖懸浮液，然后隨徑流流失；而改良后，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖顆粒被瓜爾膠包裹、形成聚集體，不易被沖刷且顆粒較大無(wú)法形成懸浮液。將收集的徑流水樣過(guò)濾、烘干后，計(jì)算出不同瓜爾膠摻量下沖刷速率，如圖13所示。由圖13可見(jiàn)，當(dāng)w=0時(shí)，改良炭質(zhì)泥巖坡面沖刷速率最大，可達(dá)5.97 g/min，而隨著瓜爾膠摻入，改良炭質(zhì)泥巖坡面沖刷速率迅速減小，且其降幅隨著瓜爾膠摻量增大而逐漸減小。這說(shuō)明瓜爾膠對(duì)炭質(zhì)泥巖邊坡表層沖刷有很好的抑制作用。

圖12 坡面徑流水樣Fig.12 Slope runoff water samples

圖13 不同瓜爾膠摻量下改良炭質(zhì)泥巖坡面沖刷速率Fig.13 Scouring rate of carbonaceous mudstone slope modified with different guar dosing

3 機(jī)制分析

3.1 改良作用機(jī)制分析

瓜爾膠溶于水后會(huì)形成具有良好黏聚效果的瓜爾膠體，自然干燥條件下具有一定的成膜性。預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖中含有大量的石英、云母等礦物，其黏聚力主要由高嶺石這類黏土礦物提供，內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散、孔隙較多，微觀結(jié)構(gòu)多以片狀顆粒為主，且顆粒較小，微觀孔隙較多，如圖14(a)所示。瓜爾膠以溶液的形式摻入預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖中，其對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的改良過(guò)程可表述如下：瓜爾膠溶液通過(guò)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖內(nèi)部的大孔隙自由擴(kuò)散，在擴(kuò)散過(guò)程中，瓜爾膠溶液首先填充預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖內(nèi)部孔隙，并不斷包裹預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖顆粒(如圖14(b)所示)；當(dāng)瓜爾膠溶液濃度較低時(shí)，由于瓜爾膠溶液黏性較大，使瓜爾膠溶液與預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖顆粒不斷聚集形成瓜爾膠-炭質(zhì)泥巖團(tuán)聚體，減小了粒間孔隙，阻礙了后續(xù)水分子與瓜爾膠膠粒的擴(kuò)展。這也是改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖滲透系數(shù)急劇減小、水穩(wěn)性增強(qiáng)的原因。當(dāng)瓜爾膠溶液達(dá)到一定濃度時(shí)，試樣內(nèi)部孔隙被堵塞，導(dǎo)致瓜爾膠無(wú)法繼續(xù)擴(kuò)散，進(jìn)而造成滲透系數(shù)降幅減小、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅減小。因此，瓜爾膠改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的改良形式包括填充孔隙和黏聚顆粒2個(gè)部分。

圖14 改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖SEM圖Fig.14 SEM images of modified DCM

隨著預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖中水分的蒸發(fā)，其顆粒間的分子作用力增強(qiáng)、粒間咬合力增加，宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)性能的提升。此外，瓜爾膠包裹預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖顆粒且形成的高分子鏈可與預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖顆粒通過(guò)氫鍵形成連接力，進(jìn)而使松散的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖顆粒成為整體，形成包覆著預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖顆粒的三維高分子膜及高分子加筋鏈，如圖13(c)所示。

3.2 生態(tài)護(hù)坡機(jī)制分析

前期研究表明，當(dāng)水泥摻量為8%時(shí)，改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1 036 kPa[28]，而當(dāng)瓜爾膠摻量為0.4%時(shí)，改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為1 000 kPa 左右。因此，取得相同固化效果時(shí)瓜爾膠用量?jī)H為水泥用量的1/20。而瓜爾膠價(jià)格為水泥價(jià)格的10～15 倍，故在整體工程造價(jià)方面，瓜爾膠也具有明顯的優(yōu)勢(shì)。此外，炭質(zhì)泥巖邊坡表層預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的主要病害為雨水沖刷及二次崩解，因此，在確定瓜爾膠摻量時(shí)，應(yīng)綜合考慮耐崩解性及抗沖刷性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)瓜爾膠摻量超過(guò)0.4%時(shí)，改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖崩解率增幅變化較小，并逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)瓜爾膠摻量超過(guò)0.2%時(shí)，改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的沖刷速率及抗沖刷性能逐漸趨于穩(wěn)定。因此，綜合考慮瓜爾膠改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的改良效果及工程造價(jià)，瓜爾膠可用于炭質(zhì)泥巖表層生態(tài)護(hù)坡，且其最佳摻量為0.4%。

在炭質(zhì)泥巖生態(tài)護(hù)坡過(guò)程中，瓜爾膠改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖可通過(guò)換填或客土噴播方式在炭質(zhì)泥巖邊坡表層形成穩(wěn)定的改良層。隨著水分的蒸發(fā)，改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖逐漸失水，瓜爾膠膠體中高分子鍵開(kāi)始激活，并包裹預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖顆粒形成三維高分子膜及高分子加筋鏈。此外，瓜爾膠以填充粒間孔隙的方式與預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖顆粒膠結(jié)并形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而交織、糾纏預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖顆粒，使其成為一個(gè)整體。改良層的設(shè)置不僅增強(qiáng)了炭質(zhì)泥巖邊坡表層力學(xué)性能及水穩(wěn)性，也增強(qiáng)了邊坡的穩(wěn)定性，且減小了其滲透系數(shù)，改善了其滲透性能，從而可在降雨條件下及時(shí)排泄坡面雨水，減小雨水在坡面滯留時(shí)間。同時(shí)，由于改良層中瓜爾膠的黏聚作用，使預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖不易被雨水沖刷，削弱了表層徑流的侵蝕。

此外，瓜爾膠-預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖形成的改良層一方面可減小邊坡表層水分蒸發(fā)，起到隔溫隔水的作用，減緩炭質(zhì)泥巖邊坡表層巖體裂隙急劇發(fā)育及快速崩解；另一方面，改良層良好的持水特性可為植物的生長(zhǎng)提供良好的水分及溫度條件，進(jìn)而形成植物根系，達(dá)到護(hù)坡的效果。

4 結(jié)論

1) 瓜爾膠可有效增強(qiáng)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖(DCM)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；總體上，改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；養(yǎng)護(hù)3 d后，DCM無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨瓜爾膠摻量增大而增大，且增速逐漸減小。

2)瓜爾膠可有效填充預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖顆粒間的孔隙，且在失水后，形成具有三維結(jié)構(gòu)的高分子膜，有效阻止了水分的蒸發(fā)及入滲，提高了預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的持水能力。

3)瓜爾膠可有效抑制預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的崩解。經(jīng)瓜爾膠改良后的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖浸水后崩解率顯著減小，延長(zhǎng)了預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖浸水后的穩(wěn)定時(shí)間。

4)經(jīng)瓜爾膠改良后的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖坡面徑流水樣攜帶的細(xì)顆粒明顯減少，水質(zhì)更加清澈，改良預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖邊坡表層抗沖刷能力顯著提升，可達(dá)到減少炭質(zhì)泥巖邊坡水土流失的效果。