有機(jī)復(fù)合客土基材接觸面剪切力學(xué)特性試驗(yàn)

李明陽,劉 瑾,梅 紅,盧洪寧,宋澤卓,2,Debi Prasanna Kanungo,祁長青

(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,南京 211100;2. School of Engineering, Royal Melbourne Institute of Technology, Melbourne Vic 3001, Australia;3. Council of Scientific and Industrial Research, Central Building Research Institute, Roorkee 247667, India)

相比原樣地貌,結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜且分布廣泛的裸露邊坡穩(wěn)定性差、易受擾動(dòng),可能造成嚴(yán)重的工程地質(zhì)隱患。隨著工程地質(zhì)領(lǐng)域?qū)ι鷳B(tài)環(huán)保理念的日益重視,針對(duì)裸露巖質(zhì)邊坡的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)[1-2]。其中,客土噴播是關(guān)注較多的一項(xiàng)生態(tài)護(hù)坡技術(shù)。針對(duì)客土基材,添加穩(wěn)定劑改善土壤諸項(xiàng)性能是一種成熟手段。土壤穩(wěn)定劑根據(jù)成分可分為石灰水泥類、礦渣硅酸鹽類、離子類、生物酶制劑類和高分子聚合物類[3-7]。其中,高分子聚合物類穩(wěn)定劑具有摻入少、固化效果穩(wěn)定、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),成為土壤穩(wěn)定劑領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[8]。

客土基材噴播到巖質(zhì)坡面,與巖質(zhì)界面形成基材土-巖體二元結(jié)構(gòu)。土-巖接觸面是表現(xiàn)二元結(jié)構(gòu)不均勻性和各向異性的主要區(qū)域,容易發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn),醞釀次生災(zāi)害[9]。在客土基材變形與接觸面穩(wěn)定問題中,土-巖接觸面的剪切特性是長期以來關(guān)注的重點(diǎn)[10-14]。

目前,針對(duì)有機(jī)高分子材料改良客土基材的研究集中于噴播方式、材料配比等對(duì)基材土物理力學(xué)特性的影響[8,15-18];針對(duì)土-巖接觸面的接觸特性研究集中于試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、模型構(gòu)建、粗糙度評(píng)價(jià)方法、基材土物性影響等方面[9-10,13-14,19]?，F(xiàn)有針對(duì)改良材料與接觸面粗糙度對(duì)土-巖接觸面穩(wěn)定性復(fù)合影響的研究評(píng)價(jià)較少。接觸面的剪切力學(xué)特性是評(píng)價(jià)客土穩(wěn)定的重要指標(biāo),揭示高分子材料和接觸面粗糙度對(duì)接觸面剪切力學(xué)特征的影響規(guī)律具有理論與現(xiàn)實(shí)意義。本文采用預(yù)制混凝土模塊作為巖面相似材料,以PVAc型有機(jī)高分子材料作為改良材料,開展一系列改進(jìn)型直剪試驗(yàn),分析有機(jī)高分子材料含量和接觸面粗糙度對(duì)接觸面剪切特性的影響,并結(jié)合掃描電鏡試驗(yàn)揭示高分子穩(wěn)定劑和接觸面粗糙度對(duì)接觸面剪切力學(xué)特性的強(qiáng)化機(jī)制。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土為粉質(zhì)黏土,取自南京市江寧區(qū),具有可塑性強(qiáng)、膨脹性微弱、失水后易開裂收縮等特性。土樣的粒徑曲線如圖1所示,土樣的物理參數(shù)如表1所示。

表1 土樣物理參數(shù)

圖1 試驗(yàn)用土粒徑曲線

試驗(yàn)所用高分子材料為PVAc型穩(wěn)定劑。PVAc是一種生態(tài)友好型高分子聚合物,由疏水長鏈和大量的親水性基團(tuán)組成[8]。在各類穩(wěn)定劑中,PVAc型高分子穩(wěn)定劑因其價(jià)格低廉、生態(tài)友好、改良效果顯著、長效持久等特性成為了研究熱點(diǎn)[8,15-18],具體理化參數(shù)如表2所示。

表2 PVAc的理化參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

設(shè)計(jì)表面有折線形凹槽的混凝土模塊模擬粗糙巖面,于25 ℃干燥環(huán)境下養(yǎng)護(hù)26 d。為綜合考慮接觸面上凹凸體高度與體積的統(tǒng)一影響,采用灌砂法計(jì)算粗糙度R,即

(1)

式中:R為接觸面粗糙度,Vs為整平粗糙起伏表面需要灌入砂的體積,A0為整平狀態(tài)下的表面面積。粗糙度R表征接觸面的宏觀粗糙起伏形態(tài),不涉及微觀表面摩擦參數(shù)。

將土樣置于105 ℃環(huán)境下干燥10 h,冷卻后粉碎,過2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩。試驗(yàn)設(shè)置0、0.5%、1%、2%4組穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變量,0、1.5、2.5、6.5 mm 4組接觸面粗糙度變量。將對(duì)應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的穩(wěn)定劑溶液與處理后的黏土顆粒混合,與模塊置于專用壓實(shí)設(shè)備中壓實(shí)。制得規(guī)格為高20 mm、直徑61.8 mm、基材密度1.75 g/cm3、含水率25%的直剪試樣。將試樣置于25 ℃恒溫箱內(nèi)濕養(yǎng)48 h。試驗(yàn)采用儀器為改造型應(yīng)變式直剪儀(圖 2(c)),可使剪切過程中直剪樣的剪切面正好位于基材與混凝土模塊的接觸面上。剪切試驗(yàn)施加各法向應(yīng)力為100、200、300、400 kPa,剪切加載速率為1.2 mm/min。試驗(yàn)流程及所用儀器如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)流程及所用儀器

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過改進(jìn)型直剪試驗(yàn)對(duì)有機(jī)復(fù)合客土基材-巖面的剪切力學(xué)特性進(jìn)行研究,得到試驗(yàn)變量穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)P、接觸面粗糙度R和接觸面各抗剪強(qiáng)度指標(biāo)間的關(guān)系如表3所示。

表3 試樣接觸面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

2.1 有機(jī)高分子材料改良客土基材抗剪強(qiáng)度參數(shù)分析

為保證試驗(yàn)完整性,首先評(píng)價(jià)高分子穩(wěn)定劑改良基材土的效果。統(tǒng)計(jì)基材試樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角與穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系并做擬合曲線(如圖3所示)。結(jié)果表明,2%摻量的基材黏聚力增加了33.42 kPa,比無穩(wěn)定劑的提高了313.91%。隨著穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增加至2%,黏聚力的增長速率降低。以黏聚力增量與穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增量的無量綱比值為黏聚力增長速率,穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增加至2%,黏聚力平均增長速率降低至4.29,比0～1%區(qū)段的黏聚力增速降低了85.28%;基材土的黏聚力增長集中于穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增長至1%的區(qū)段,占總增量的87.17%。質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加至2%時(shí),基材土黏聚力增長速率減緩并接近停滯。這是因?yàn)槲刺砑臃€(wěn)定劑時(shí),客土基材內(nèi)部黏聚力主要取決于含水率和自身顆粒特性。隨著穩(wěn)定劑的加入,宏觀上基材土在穩(wěn)定劑成膜作用、充填作用下整體性得到了提高;細(xì)觀上基材土內(nèi)部黏土顆粒在穩(wěn)定劑PVAc長鏈大分子間的包裹、橋接與分子間作用下,整體性增強(qiáng)。但隨著穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,穩(wěn)定劑對(duì)基材土的強(qiáng)化作用發(fā)揮充分,基材土黏聚力的提高速率呈降低趨勢(shì)。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下基材試樣內(nèi)摩擦角分別為12.48°、13.52°、14.13°和15.31°,數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差為1.02。結(jié)果表明,增加穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)能為基材試樣的內(nèi)摩擦角帶來2.83°的微小增長,但影響微弱。

圖3 不同穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下基材試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

圖4為部分不同條件下接觸面剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線。其中,圖4(a)～(d)為穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)P=1% ,不同粗糙度的接觸面剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線;圖4(e)～(h)為接觸面粗糙度R=6.5 mm,不同穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下接觸面剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖4 不同條件下接觸面的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4表明,在試驗(yàn)選用剪切方案下,各法向壓力對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體上表現(xiàn)出非軟化特征;試樣的峰值剪應(yīng)力在不同粗糙度、不同穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,均會(huì)隨著法向應(yīng)力的增大而提高。

對(duì)比圖4(a)～(d)以及圖4(e)～(h)可以看出,在相同法向壓力下,粗糙度R越大、穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,接觸面的抗剪強(qiáng)度峰值越大。這初步說明,添加有機(jī)高分子材料和提高接觸面粗糙度都可強(qiáng)化接觸面的剪切強(qiáng)度特性。同時(shí),P2-R6.5(P=2%,R=6.5 mm)組各法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度分別為96.78、160.21、194.18、239.55 kPa,高于P1-R6.5組與P2-R0組數(shù)據(jù)。這表明穩(wěn)定劑與接觸面粗糙度對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的強(qiáng)化具有協(xié)同效應(yīng)。

在不同粗糙度和穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)具有同質(zhì)性,總結(jié)為3個(gè)階段。初始階段為近彈性變形階段,接觸面上層基材在法向應(yīng)力作用下被不斷壓密,抵抗剪切變形。在初始剪切作用下,剪應(yīng)力與剪切位移之間呈線性關(guān)系。第二階段為彈塑性變形階段,黏土基材與接觸面間的相互作用,穩(wěn)定劑高分子材料對(duì)土體的強(qiáng)化作用開始參與抵抗剪切變形。整體上,接觸面上土-巖相互作用、穩(wěn)定劑強(qiáng)化作用的參與程度隨著剪切進(jìn)行繼續(xù)提高,剪應(yīng)力也持續(xù)提高,增長速率逐步降低。第三階段為變形破壞階段,隨著剪切繼續(xù)進(jìn)行,接觸面間相互作用與穩(wěn)定劑的強(qiáng)化作用充分發(fā)揮,接觸面的剪應(yīng)力達(dá)到最大。繼續(xù)剪切,試樣開始出現(xiàn)剪切破壞變形,在試驗(yàn)采用的一系列高法向應(yīng)力作用下,試樣的剪應(yīng)力保持不變或繼續(xù)增加,呈現(xiàn)出非軟化特征。

2.3 巖面粗糙度與穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)土-巖接觸面抗剪強(qiáng)度影響特征分析

接觸面粗糙度和穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的影響見圖5。圖5(a)～(d)結(jié)果表明,在不同法向壓力和穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,增大粗糙度R可提高接觸面的抗剪強(qiáng)度。隨著接觸面粗糙度R從0增加至6.5 mm,接觸面粗糙度增加使接觸面抗剪強(qiáng)度提升15.72～74.01 kPa,增幅為21.47%～105.24%;圖5(e)～(h)表明不同接觸面粗糙度下,增加穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)可提高接觸面的抗剪強(qiáng)度,隨著穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增長至2%,不同接觸面試樣抗剪強(qiáng)度提升了28.63～61.71 kPa,增幅為23.52%～121.99%。

取圖5中法向應(yīng)力300 kPa對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為分析對(duì)象,得接觸面抗剪強(qiáng)度變化與粗糙度R、穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)P關(guān)系如圖6所示?？辜魪?qiáng)度增量占比Δτ在不同粗糙度變化區(qū)段分布如圖6(a)所示。P=0時(shí),接觸面粗糙度0～1.5 mm、>1.5～2.5 mm、>2.5～6.5 mm區(qū)段Δτ分別為24.62%、41.45%、33.93%,表明抗剪強(qiáng)度在3個(gè)區(qū)段增長較為均勻;P=0.5%時(shí)相應(yīng)Δτ為51.45%、24.67%、24.18%,表明抗剪強(qiáng)度增長主要發(fā)生在0～1.5 mm區(qū)段;P=1%時(shí),抗剪強(qiáng)度增長78.19%發(fā)生在>2.5～6.5 mm區(qū)段;P=2%時(shí),抗剪強(qiáng)度增長均勻分布于3個(gè)區(qū)段。以抗剪強(qiáng)度增量與粗糙度R的無量綱比值為抗剪強(qiáng)度關(guān)于R的增長速率vτ,得vτ與R的關(guān)系如圖6(b)所示。圖6(b)表明,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,粗糙度>2.5～6.5 mm區(qū)段vτ處于3.39～7.33,除P=1%外,均明顯小于粗糙度0～1.5 mm、>1.5～2.5 mm區(qū)段。這初步說明隨著數(shù)值的繼續(xù)增大,粗糙度R對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的強(qiáng)化效率會(huì)逐漸衰減。陳俊樺等[19]的研究證明了這一點(diǎn)。

圖6 300 kPa法向壓力下接觸面抗剪強(qiáng)度變化

圖6(c)為抗剪強(qiáng)度增量占比Δτ在不同穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化區(qū)段分布?？梢钥闯?R=0 mm時(shí),穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化0～0.5%、>0.5%～1%、>1%～2%區(qū)段Δτ分別為42.77%、57.23%、-18.58%,表明抗剪強(qiáng)度增長發(fā)生在0～0.5%、>0.5%～1%區(qū)段;R=1.5 mm時(shí)相應(yīng)抗剪強(qiáng)度增量占比變化為73.86%、1.44%、24.70%,表明抗剪強(qiáng)度增長主要發(fā)生在0～0.5%區(qū)段;R=2.5 mm時(shí),抗剪強(qiáng)度增長均勻地發(fā)生在0～0.5%、>1%～2%區(qū)段;R=6.5 mm時(shí),抗剪強(qiáng)度增長主要發(fā)生在0～0.5%、>1%～2%區(qū)段。這表明不同粗糙度下,穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增至0.5%能明顯增強(qiáng)接觸面抗剪強(qiáng)度。R=0和R=2.5 mm兩組數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出增加穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的負(fù)面影響。這可能是由重塑土直剪樣造成的數(shù)據(jù)誤差,具體規(guī)律應(yīng)結(jié)合其余抗剪強(qiáng)度參數(shù)分析揭示。

圖5 接觸面粗糙度與穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的影響

2.4 巖面粗糙度與穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)土-巖接觸面黏聚力影響特征分析

黏聚力表現(xiàn)無法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度。圖7為接觸面粗糙度和穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)接觸面黏聚力的影響。

圖7 接觸面粗糙度與穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)接觸面黏聚力影響

圖7(a)表明,隨著粗糙度從0 mm增加至6.5 mm,接觸面黏聚力持續(xù)增長,不同穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下黏聚力關(guān)于粗糙度的最終增幅為12.27～23.77 kPa,增長率為41.61%～391.54%。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定劑下,黏聚力關(guān)于粗糙度R的增長關(guān)系具有趨同性,表現(xiàn)為兩種區(qū)段,即粗糙度0～1.5 mm變化區(qū)段的陡增段與>1.5～6.5 mm的緩增段。這是因?yàn)镽=0 mm時(shí),接觸面表面平坦缺乏宏觀嵌合結(jié)構(gòu),黏聚效果依賴黏土顆粒、滲出水與混凝土顆粒之間的微弱作用。R由0 mm增加至1.5 mm,接觸面間出現(xiàn)顯著宏觀嵌合結(jié)構(gòu),兩種顆粒之間接觸面積增加,增強(qiáng)了二元結(jié)構(gòu)的微弱黏聚作用;同時(shí),在剪切過程中,接觸面上部薄層土體會(huì)被粗糙接觸面調(diào)動(dòng)參與到剪切破壞過程,高俊合等[14]稱其為接觸面厚度。光滑接觸面調(diào)動(dòng)上層土體有限,接觸面剪切破壞以基材土沿接觸面滑動(dòng)位移為主;粗糙接觸面的宏觀嵌合結(jié)構(gòu)提高了接觸面調(diào)動(dòng)上部土體參與接觸面抵抗剪切破壞的能力,接觸面剪切破壞表現(xiàn)為基材土沿接觸面滑動(dòng)位移與接觸面厚度內(nèi)基材土自身變形位移兩種模式,黏聚力出現(xiàn)顯著增長。隨著R繼續(xù)增大,土-巖接觸面間的黏聚作用并未出現(xiàn)機(jī)制上的新變化。R=1.5 mm之后,粗糙度R繼續(xù)增加,黏聚力關(guān)于R的增長率降低。

圖7(b)表明,隨著穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)P從0增加至2%,接觸面黏聚力出現(xiàn)明顯增長,不同粗糙度下黏聚力的最終增幅為29.44～37.94 kPa,增長率為197.91%～754.87%;光滑接觸面與粗糙接觸面下黏聚力c關(guān)于P的增長關(guān)系表現(xiàn)出兩種形式:R=0 mm的光滑接觸面,黏聚力關(guān)于P的增長區(qū)段可劃分為0～0.5%區(qū)間的陡增段,>0.5%～1%區(qū)間的穩(wěn)定增長段,>1%～2%區(qū)間的增長衰弱段;對(duì)于R不為0的粗糙接觸面,黏聚力關(guān)于P的增長區(qū)段可劃分為0～0.5%區(qū)間的陡增段,>0.5%～1%區(qū)間的衰弱段,>1%～2%區(qū)間的陡增段。

接觸面的黏聚力主要由土中水對(duì)土顆粒的吸引力、土中水對(duì)接觸面間顆粒的吸引力提供[20],摻入穩(wěn)定劑后,高分子材料也參與強(qiáng)化接觸面間的黏聚作用。光滑接觸面的剪切破壞形式以基材土沿接觸面滑動(dòng)位移為主;粗糙接觸面存在宏觀嵌合結(jié)構(gòu),增加了異相顆粒間的接觸面積,強(qiáng)化了接觸面調(diào)動(dòng)上層土參與抵抗剪切破壞變形的能力,剪切破壞包括基材土沿接觸面滑動(dòng)位移與上部薄層土體變形位移兩種形式。未加入穩(wěn)定劑時(shí),接觸面黏聚力由土中水對(duì)兩種異相顆粒的吸附力提供。加入穩(wěn)定劑后,穩(wěn)定劑高分子材料通過包裹、勾連、膠結(jié)、成膜等作用,參與強(qiáng)化接觸面黏聚力。對(duì)于平坦接觸面,穩(wěn)定劑主要通過膠結(jié)關(guān)聯(lián)吸附兩種異相顆粒方式增強(qiáng)接觸面黏聚力;對(duì)于粗糙接觸面,穩(wěn)定劑主要通過膠結(jié)關(guān)聯(lián)吸附兩種異相顆粒、強(qiáng)化接觸面上薄層土體的剪切力學(xué)性能兩種方式增強(qiáng)接觸面黏聚力。穩(wěn)定劑強(qiáng)化模式的差異導(dǎo)致平坦接觸面與粗糙接觸面黏聚力關(guān)于穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)P的增長關(guān)系表現(xiàn)出兩種形式:平坦接觸面黏聚力關(guān)于穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)P的增長表現(xiàn)為逐漸衰弱特征;粗糙接觸面黏聚力關(guān)于穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)P的增長表現(xiàn)出更為復(fù)雜的形式。

2.5 接觸面粗糙度與穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)土-巖接觸面內(nèi)摩擦角影響特征分析

圖8(a)、(b)分別為接觸面粗糙度R和穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)P對(duì)接觸面內(nèi)摩擦角φ的影響。

圖8 接觸面粗糙度與穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)接觸面內(nèi)摩擦角影響

圖8(a)表明,隨著粗糙度R從0 mm增加至6.5 mm,接觸面內(nèi)摩擦角持續(xù)增長,不同穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下內(nèi)摩擦角關(guān)于R的最終增幅在4.36°～7.38°,增長率為24.52%～46.62%。以P0.5組為例,R0-R6.5對(duì)應(yīng)的接觸面內(nèi)摩擦角分別為16.81°、18.56°、20.22°、21.17°,隨著R的增大,內(nèi)摩擦角分別增大了1.75°、1.66°、0.95°。同時(shí),P0-P2組下內(nèi)摩擦角變化極差分別為7.25°、4.36°、4.44°、7.38°。這表明不同穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下, 接觸面粗糙度R的增大會(huì)增加接觸面的內(nèi)摩擦角,但對(duì)內(nèi)摩擦角增大的影響有限。圖8數(shù)據(jù)揭示,接觸面粗糙度R對(duì)接觸面剪切特性的影響表現(xiàn)在對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角兩方面,其中R對(duì)黏聚力的影響占主要因素。

如圖8(b)所示,接觸面粗糙度一定時(shí),R0-R6.5組內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.94、0.91、0.46、1.30。結(jié)果表明,穩(wěn)定劑對(duì)內(nèi)摩擦角造成的影響微弱。以R1.5組為例,P0-P2對(duì)應(yīng)的接觸面內(nèi)摩擦角分別為17.06°、18.56°、19.52°、18.96°,可見穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化使接觸面內(nèi)摩擦角在17.06°～19.52°微弱波動(dòng)。土-巖接觸面的內(nèi)摩擦角表征接觸面摩擦特性,包括發(fā)生剪切破壞時(shí)接觸面上層過渡帶內(nèi)土顆?？朔砻娲植诙刃枰幕瑒?dòng)摩擦,顆粒間相互擠壓、嵌合、解鎖產(chǎn)生的咬合摩擦,以及基材土與巖面粗糙結(jié)構(gòu)體之間在宏細(xì)觀上產(chǎn)生的摩阻力。作為一種柔性材料,PVAc型高分子穩(wěn)定劑的摻入雖然可在一定程度上增強(qiáng)基材土體內(nèi)部的整體性,并廣泛參與土-巖接觸面之間的耦合作用,卻無法明顯改造基材土內(nèi)部的顆粒形態(tài)與土-巖接觸面間土顆粒及混凝土微骨料顆粒的表面粗糙度。因此,接觸面的內(nèi)摩擦角受穩(wěn)定劑添加量影響微弱。

3 機(jī)制分析

3.1 高分子材料改良機(jī)制分析

PVAc型穩(wěn)定劑主要成分為含有大量極性羧基(—CH3COO)的聚醋酸乙烯酯長鏈大分子。長鏈大分子通過多種相互作用彼此相互勾連,纏繞包裹黏土顆粒、充填顆粒孔隙從而增強(qiáng)黏土的整體性,改善基材土和接觸面的力學(xué)強(qiáng)度特性。

PVAc長鏈大分子的強(qiáng)化作用具體可分為化學(xué)強(qiáng)化作用和物理強(qiáng)化作用。首先,PVAc乳液在常態(tài)下會(huì)吸附大量的陰離子,表現(xiàn)出負(fù)電性。穩(wěn)定劑與黏土顆粒接觸后,長鏈大分子通過靜電吸引與黏土顆粒表面結(jié)合。隨著穩(wěn)定劑的運(yùn)移擴(kuò)散,黏土顆粒表面吸附的長鏈大分子延伸勾連逐漸充分;穩(wěn)定劑中存在的大量親水基團(tuán)會(huì)減小黏土顆粒間的水合膜厚度,顆粒間斥力減小,毛細(xì)水與黏土顆粒的接觸面積與表面張力顯著增強(qiáng),提高黏土顆粒之間的關(guān)聯(lián)性(圖9(a))。同時(shí),黏土顆粒表面的羥基也會(huì)與PVAc的極性羧基之間反應(yīng)生成氫鍵(圖9(b))。PVAc型穩(wěn)定劑是一種具有大量親水基團(tuán)的聚合物乳液,其與黏土顆粒充分混合后,乳液中含有的大量極性羧基基團(tuán)會(huì)與黏土顆粒表面雙電層中的堿性金屬離子(Ca2+、Mg2+等)發(fā)生置換反應(yīng)(圖9(c))。極性羧基中的H+取代了黏土顆粒表面的堿金屬離子。黏土顆粒表面雙電子層厚度變薄,顆粒間的吸引力增加,促進(jìn)了黏土顆粒之間的聚集結(jié)合。隨著PVAc濃度的增加,黏土顆粒之間通過氫鍵與延伸勾連的PVAc長鏈大分子相互關(guān)聯(lián)靠近,增強(qiáng)土體力學(xué)特性。

圖9 PVAc型穩(wěn)定劑改良機(jī)制

經(jīng)一定時(shí)間恒溫養(yǎng)護(hù),穩(wěn)定劑擴(kuò)散滲透,長鏈大分子對(duì)黏土基材的一系列物理化學(xué)作用充分開展。土體內(nèi)部形成充填黏土顆粒孔隙,緊密連接大量黏土顆粒的三維網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu),整體性和工程力學(xué)特性獲得顯著增強(qiáng)。

對(duì)改良黏土基材進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)分析其細(xì)觀特征。圖10是不同放大倍率下改良黏土基材的SEM圖像,由圖10(a)、(b)可以看出,在穩(wěn)定劑與土壤接觸后,一部分穩(wěn)定劑聚合物滲透到土壤內(nèi)部并填充大多數(shù)顆粒間的孔隙,這增強(qiáng)了顆粒之間的關(guān)聯(lián)性。PVAc在黏土顆粒表面形成的立體膜結(jié)構(gòu)如圖10(c)所示。這些膜結(jié)構(gòu)具有良好的疏水性和強(qiáng)度,可以緊密聯(lián)系附近的黏土顆粒。

圖10 PVAc型穩(wěn)定劑改良基材土內(nèi)部電鏡照片

3.2 接觸面起伏形態(tài)影響接觸面剪切變形特征機(jī)制分析

黏土基材與混凝土模塊之間的接觸面是典型的異相介質(zhì)接觸面,上層黏土顆粒與下層混凝土微骨料顆粒之間具有明顯的各向異性。粗糙起伏的土-巖接觸面抵抗剪切變形性能是接觸面上層黏土顆粒間黏結(jié)摩擦、黏土顆粒與模塊表面微骨料顆粒擠壓嚙合、黏土體與模塊宏觀嵌合結(jié)構(gòu)間接觸咬合作用的統(tǒng)一表現(xiàn)。以上作用的相對(duì)變化決定土-巖接觸面的剪切變形特征。接觸面粗糙度R對(duì)接觸面剪切強(qiáng)度特性的影響主要體現(xiàn)在:

1)一定范圍內(nèi)增大的粗糙度R可以明顯增大黏土基材與混凝土模塊之間的接觸面積,提高了黏土顆粒與混凝土微骨料顆粒之間的接觸耦合機(jī)會(huì)。在法向應(yīng)力的作用下,黏土基材滲出的層間浸潤水、分散至層間的穩(wěn)定劑分子也會(huì)參與并強(qiáng)化兩種顆粒之間的接觸嚙合作用。

2)接觸面粗糙起伏程度的增大為土-巖耦合提供了明顯的宏觀嵌合結(jié)構(gòu)。具有明顯粗糙形態(tài)的接觸面的剪切變形破壞不會(huì)僅局限在接觸面上,同時(shí)可能會(huì)發(fā)生在接觸面上層一定厚度的土體之中。土-巖接觸面的粗糙度會(huì)對(duì)接觸面間的土-巖耦合作用和基材土體內(nèi)部顆粒土顆粒的運(yùn)移、轉(zhuǎn)動(dòng)、破碎分散以及剪切作用下形態(tài)主軸和主應(yīng)力軸向的偏轉(zhuǎn)等作用造成顯著影響。且在一定范圍內(nèi),上層土體受影響范圍和程度與接觸面的宏觀粗糙程度密切相關(guān)[10,14,19]。

3.3 上覆基材參與巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

以生態(tài)友好性手段提高裸露巖坡的穩(wěn)定性是客土噴播的主要目標(biāo)。穩(wěn)定黏附在陡傾巖層表面的客土基材可通過一系列作用提高巖質(zhì)邊坡的抗滑穩(wěn)定性。

1)覆蓋作用。將有機(jī)復(fù)合客土基材噴播至粗糙巖坡表面,坡面上形成相對(duì)穩(wěn)定的基材土-巖體二元結(jié)構(gòu)。二元結(jié)構(gòu)中基材土和接觸面均具有良好的剪切力學(xué)特性。穩(wěn)定覆蓋在巖面上的客土基材可關(guān)聯(lián)巖坡表面破碎巖體,增強(qiáng)軟弱結(jié)構(gòu)面附近巖體間整體性,提高巖質(zhì)邊坡表層巖體的穩(wěn)定性。

2)隔離作用。裸露巖坡的各類軟弱結(jié)構(gòu)面、破碎巖體、不良地質(zhì)體等缺少上覆土體保護(hù),受到多類外營力的強(qiáng)烈負(fù)面影響。進(jìn)行客土噴播后,基材發(fā)揮隔離作用,可有效降低氣候、水文等外營力因子對(duì)邊坡巖體穩(wěn)定性造成的一系列不良影響。

3)生態(tài)作用。PVAc型高分子材料具有良好的生態(tài)友好性,經(jīng)其改良的客土基材可通過植被自然侵入或草種噴播引入植被護(hù)坡。護(hù)坡植被通過根系的力學(xué)作用和莖葉的水文效應(yīng)保護(hù)上覆客土基材,保障客土基材對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的強(qiáng)化作用。

PVAc型高分子材料通過一系列物理和化學(xué)作用提高基材土和土-巖接觸面的剪切力學(xué)特性;接觸面粗糙度通過提供土-巖接觸面積與宏觀嵌合結(jié)構(gòu)提高土-巖接觸面的剪切力學(xué)特性。噴播有機(jī)復(fù)合客土基材可配合錨固和支護(hù)等主要防護(hù)手段,在提高巖質(zhì)邊坡抗滑穩(wěn)定性中發(fā)揮輔助作用。

4 結(jié) 論

1)PVAc型高分子穩(wěn)定劑可以明顯提高基材土的剪切力學(xué)性能,改良效果主要表現(xiàn)在對(duì)基材土黏聚力的提高上。摻量2%的基材黏聚力增加33.42 kPa,相比素土基材黏聚力提升了313.91%。

2) 增加接觸面粗糙度可提高土-巖接觸面的剪切力學(xué)性能,具體表現(xiàn)在增大黏聚力和內(nèi)摩擦角兩方面,其中,對(duì)黏聚力的強(qiáng)化占主要因素。粗糙度R對(duì)黏聚力的強(qiáng)化幅度在12.27～23.77 kPa,強(qiáng)化效率為41.61%～391.54%;粗糙度R對(duì)內(nèi)摩擦角的強(qiáng)化幅度在4.36°～7.38°,強(qiáng)化效率為24.52%～46.62%。

3)高分子穩(wěn)定劑對(duì)不同粗糙度接觸面剪切力學(xué)性能表現(xiàn)出良好的強(qiáng)化效果,主要體現(xiàn)為對(duì)黏聚力的強(qiáng)化。穩(wěn)定劑對(duì)不同粗糙度接觸面的黏聚力強(qiáng)化幅度在29.44～37.94 kPa,強(qiáng)化效率為197.91%～754.87%。對(duì)于平坦接觸面和粗糙接觸面,高分子穩(wěn)定劑對(duì)剪切性能的強(qiáng)化表現(xiàn)為兩種不同模式;不同穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,黏聚力關(guān)于接觸面的增長關(guān)系具有趨同性。PVAc型高分子穩(wěn)定劑與接觸面粗糙度對(duì)于接觸面的剪切性能具有協(xié)同強(qiáng)化效應(yīng)。