砂質(zhì)邊坡安全保障新技術(shù)研究

牛笑笛，楊廣慶，劉偉超

（石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊 050043）

路基是保證正常交通秩序的關(guān)鍵因素之一，一旦損毀，將阻斷交通，危及行車安全。其中邊坡穩(wěn)定性對(duì)路基結(jié)構(gòu)的整體性能具有很大影響。工程實(shí)踐表明，地質(zhì)要素是公路邊坡開挖和防護(hù)決策的根本依據(jù)。對(duì)于砂質(zhì)邊坡而言，風(fēng)積砂黏聚力幾乎為零，邊坡穩(wěn)定性差，易受雨水沖刷而發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。砂質(zhì)邊坡一般采用常規(guī)防護(hù)措施，包括工程類防護(hù)和植物類防護(hù)。工程類防護(hù)主要為土工合成材料防護(hù)，瀝青類防護(hù)，水泥混凝土類防護(hù)，卵石、礫石、片石類防護(hù)，土類防護(hù)，柴草類防護(hù)等；植物類防護(hù)主要為種植喬木、灌木、草本植物等[1,2]。

使用常規(guī)防護(hù)措施存在許多不足之處。片石、混凝土、瀝青等易發(fā)生老化，增加后期的維修費(fèi)用，不易進(jìn)行綠化。柴草類防護(hù)和土類防護(hù)只能應(yīng)用于低等級(jí)公路。單純采用植物類防護(hù)，在植物長(zhǎng)成之前，邊坡不夠穩(wěn)定，邊坡坡面在雨水的沖刷作用下容易損壞，使植物防護(hù)失去效果[3～5]。

為了提高砂質(zhì)邊坡的防護(hù)效果，筆者研究了砂質(zhì)邊坡安全保障新技術(shù)。該技術(shù)采用化學(xué)固砂方法在邊坡表層形成10～30 cm的砂土固化層，增加了邊坡穩(wěn)定性與抗風(fēng)蝕、水蝕性能。之后結(jié)合客土噴播技術(shù)，在邊坡表面植草，增強(qiáng)生態(tài)效應(yīng)。近年來(lái)，化學(xué)固砂技術(shù)日益得到關(guān)注。我國(guó)在20世紀(jì)60年代也開始出現(xiàn)了化學(xué)固砂的研究。李婷等[6]使用鈉水玻璃作為固砂材料，選用AlCl3溶液作鈉水玻璃固化劑，固化后形成的固化體的耐酸性能較好。蔣富強(qiáng)等[7]研制了一種由水玻璃、山梨醇、碳酸鋰等組成的固砂劑，抗老化性能較好，提高了凍融穩(wěn)定性。Dong Z等[8]在造紙廢液中提取出木質(zhì)素磺化鹽，在木質(zhì)素磺化鹽溶液中加入甲醛和丙烯酸，使其發(fā)生共聚反應(yīng)得到固砂劑。該種固砂劑具有良好的抗風(fēng)蝕性和生物降解能力。Achilias等[9]利用廢塑料生產(chǎn)固砂材料，把廢棄產(chǎn)品和塑料聚合物溶解再沉淀，之后提取出高密度的聚乙烯和聚丙烯。使用其固砂后，得到的砂土固化層具有較高的強(qiáng)度。多數(shù)固砂劑室內(nèi)試驗(yàn)效果較好，但制作相對(duì)復(fù)雜，耐水性相對(duì)較差，不適應(yīng)野外的惡劣環(huán)境。

針對(duì)現(xiàn)有化學(xué)固砂方法的局限性，筆者研究出了一種新型的固砂劑——TD–1。TD–1的原材料易得，施工方便，可在野外大面積使用。TD–1的主要材料由鉀水玻璃溶液和新型磷酸硅配制而成，還加入了硅酸鋰溶液和硅溶膠溶液[10]。TD–1固砂劑固化后的產(chǎn)物可促進(jìn)植物生長(zhǎng)，固砂效果良好。另外，筆者還提供了一種改性劑，可以在環(huán)境惡劣、植物不易生長(zhǎng)的地區(qū)配合固砂劑使用，增強(qiáng)固砂強(qiáng)度。為研究其固砂效果，筆者進(jìn)行了配比優(yōu)化試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、干濕循環(huán)試驗(yàn)。在張承高速公路試驗(yàn)段試用此固砂劑，并結(jié)合客土噴播技術(shù)進(jìn)行植草，取得了良好的防護(hù)效果。

一、室內(nèi)試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

（一）試驗(yàn)材料

（1）風(fēng)積砂：取自張家口沽源地區(qū)，為級(jí)配不良的中砂；最優(yōu)含水率為12.8%，對(duì)應(yīng)的最大干密度為1.627 g/cm3。

（2）鉀水玻璃溶液：取6種不同模數(shù)的鉀水玻璃（M=3.20、3.25、3.30、3.35、3.40、3.45）。

（3）固化劑：新型磷酸硅，是無(wú)毒無(wú)味的白色粉末晶體，可充分溶于水，促進(jìn)固化反應(yīng)的進(jìn)行。

（4）硅酸鋰溶液：模數(shù)為4.8，濃度為0.2 g/mL。硅酸鋰溶液具有自干性，不需要固化劑的固化作用。硅酸鋰與鉀水玻璃混合使用能夠降低成本，并改善硅酸鋰的成膜反應(yīng)。

（5）硅溶膠溶液：堿性硅溶膠（pH=7.5～9），濃度為0.3 g/mL。硅溶膠溶液的分散性好、黏度低，可以充分填充到孔隙中。硅溶膠粒子比表面積為50～400 m2/g，粒徑范圍在10～20 nm [11]。硅溶膠比表面積大，表面能大，有自動(dòng)減少表面能的趨勢(shì)，小粒子能夠凝聚成大顆粒，進(jìn)而形成凝膠，并凝聚成黏結(jié)膜[12]。

（二）試驗(yàn)方案

將鉀水玻璃、磷酸硅、硅酸鋰溶液、硅溶膠溶液加水混合配制成固砂劑漿液。為優(yōu)化固砂劑配比及研究其固砂效果，制定以下試驗(yàn)方案。

（1）鉀水玻璃的固含量分別為所需固化風(fēng)積砂質(zhì)量的2%、3%、4%；添加的磷酸硅固含量為鉀水玻璃固含量的6%；硅酸鋰固含量為鉀水玻璃固含量的2%；硅溶膠固含量為鉀水玻璃固含量的3%。磷酸硅、硅酸鋰、硅溶膠添加比例固定。

（2）使用6種模數(shù)的鉀水玻璃配制固砂劑（每種模數(shù)的鉀水玻璃固含量分別為2%、3%、4%）制作試樣，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)結(jié)果優(yōu)化固砂劑配比。

（3）使用6種模數(shù)的鉀水玻璃制作試樣（鉀水玻璃固含量為3%），每個(gè)試樣添加5 g改性劑。進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究改性劑對(duì)固砂試樣強(qiáng)度的影響。

（4）使用兩種模數(shù)的鉀水玻璃(M=3.20、3.45，鉀水玻璃固含量為3%)配制固砂劑，制作試樣。進(jìn)行滲透試驗(yàn)和干濕循環(huán)試驗(yàn)。

（5）進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試的試樣規(guī)格為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，壓實(shí)度為97%；進(jìn)行滲透試驗(yàn)的試樣使用環(huán)刀制作，環(huán)刀內(nèi)徑為61.8 mm，高40 mm，壓實(shí)度為97%。

二、室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

（一） 鉀水玻璃模數(shù)和固含量對(duì)固化砂強(qiáng)度的影響

使用不同模數(shù)和固含量的鉀水玻璃制作試樣。分析試樣14 d時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 試樣14 d時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由試驗(yàn)結(jié)果可知，風(fēng)積砂在固砂劑TD–1的作用下形成了一定的強(qiáng)度，試樣在14 d時(shí)的固砂強(qiáng)度均超過(guò)了700 kPa。磷酸硅在鉀水玻璃溶液中水解出H+，代替鉀水玻璃中易引起水解的K+，并與鉀水玻璃溶液中的硅酸離子反應(yīng)生成硅酸二聚體，并進(jìn)一步融合生成多硅酸，多硅酸聚合形成SiO2。當(dāng)形成的SiO2含量超過(guò)一定量時(shí)便凝聚形成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。形成的凝膠與砂粒混合后，在砂粒表面形成一層黏結(jié)膜，使松散的砂粒黏結(jié)在一起，產(chǎn)生一定的強(qiáng)度。沒有參與反應(yīng)的鉀水玻璃、硅酸鋰、硅溶膠也會(huì)在砂粒表面形成黏結(jié)膜，增加固化砂試樣的強(qiáng)度。

由圖1可知，添加相同固含量的鉀水玻璃和磷酸硅，固化砂試樣的強(qiáng)度隨著鉀水玻璃模數(shù)的增大呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。鉀水玻璃的模數(shù)越高，在混合溶液中形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也就越多。固化砂試樣的表層先失水發(fā)生凝結(jié)硬化，形成一層堅(jiān)硬的外殼，之后由外向內(nèi)逐步硬化。

由圖2可知，在到達(dá)14 d齡期時(shí)，使用鉀水玻璃固含量為3%的試樣，試樣強(qiáng)度大于使用鉀水玻璃固含量為2%和4%的試樣。當(dāng)添加的鉀水玻璃固含量從2%提高到3%時(shí)，試樣強(qiáng)度有明顯的增長(zhǎng)；當(dāng)固含量超過(guò)3%以后，試樣強(qiáng)度增長(zhǎng)速率放緩，甚至強(qiáng)度有所下降。當(dāng)鉀水玻璃固含量為3%時(shí)，已經(jīng)基本能夠在砂粒表面形成一層包覆的黏結(jié)膜，并使相鄰的砂粒通過(guò)黏結(jié)膜連接起來(lái)形成黏結(jié)橋。當(dāng)鉀水玻璃固含量超過(guò)3%時(shí)，作為骨料的風(fēng)積砂相對(duì)含量有所降低，試樣結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到了影響，無(wú)法形成更高的強(qiáng)度。

圖1 不同模數(shù)鉀水玻璃對(duì)試樣強(qiáng)度的影響曲線

圖2 鉀水玻璃固含量對(duì)試樣強(qiáng)度的影響曲線

（二） 改性劑對(duì)固化砂強(qiáng)度的影響

測(cè)定齡期14 d試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。添加改性劑與不添加改性劑試樣的強(qiáng)度對(duì)比如表2所示。

添加改性劑后，齡期14 d的試樣強(qiáng)度均能達(dá)到1 000 kPa以上，相對(duì)于不添加改性劑的試樣強(qiáng)度增長(zhǎng)了32.5%～60.8%。添加的改性劑能夠產(chǎn)生類似于沸石的致密膠凝結(jié)構(gòu)，使砂土顆粒之間的黏結(jié)力增強(qiáng)。產(chǎn)生的膠凝產(chǎn)物填充于骨架之間，使孔隙變小，界面趨于密實(shí)。添加改性劑后，在酸性環(huán)境下不受腐蝕，有較好的耐酸性。

（三） 固化砂的滲透性能

為了能與客土噴播植草結(jié)合使用，固化砂需要有一定的滲透能力，為此進(jìn)行了固化砂的滲透試驗(yàn)。由于風(fēng)積砂添加固砂劑后形成的固化砂與單純的砂土不同，所以對(duì)齡期7 d的試樣使用變水頭法進(jìn)行滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后，試樣無(wú)明顯孔隙，滲透試驗(yàn)如圖3所示。

使用模數(shù)為3.20鉀水玻璃的試樣滲透系數(shù)為1.69×10–4cm/s，使用模數(shù)為3.45鉀水玻璃的試樣滲透系數(shù)為8.25×10–5cm/s，固化砂具有一定的滲透能力。固砂劑在砂粒周圍形成黏結(jié)膜，黏結(jié)膜互相連接，但仍有孔隙存在。在滲透過(guò)程中，水從黏結(jié)膜間的孔隙經(jīng)過(guò)。使用高模數(shù)鉀水玻璃的試樣，試樣內(nèi)部黏結(jié)膜較多，孔隙小于使用低模數(shù)鉀水玻璃的試樣，所以滲透能力相對(duì)較低。

（四）固化砂干濕循環(huán)特性

為模擬沽源地區(qū)夏季多雨情況，防止邊坡表層固化砂經(jīng)過(guò)雨水沖蝕和自然干燥后發(fā)生開裂、坍塌的現(xiàn)象，采用常規(guī)的浸水飽和、自然蒸干的方法進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。固砂試樣分別進(jìn)行0次、1次、2次、3次、4次、5次干濕循環(huán)。進(jìn)行0次循環(huán)的試樣不浸水，到28 d齡期后直接測(cè)試其強(qiáng)度。其余每次干濕循環(huán)都將試樣浸水飽和24 h，之后干燥48 h再測(cè)定其強(qiáng)度。飽水是將試樣直接放入水中，水面完全沒過(guò)試樣，經(jīng)過(guò)飽水24 h后，試樣沒有在水中潰散，表面有小部分砂粒脫落。干濕循環(huán)后，對(duì)試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

表2 不添加改性劑試樣與添加改性劑試樣的強(qiáng)度對(duì)比

由圖4可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的強(qiáng)度逐漸下降。經(jīng)過(guò)1～3次循環(huán)，試樣強(qiáng)度下降速率快；經(jīng)過(guò)3次循環(huán)之后強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定；經(jīng)過(guò)5次循環(huán)之后，試樣強(qiáng)度均在600 kPa以上。

圖3 滲透試驗(yàn)

圖4 試樣強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化

固砂試樣經(jīng)過(guò)多次干濕循環(huán)之后，能夠保持一定的強(qiáng)度。在配制固砂劑時(shí)，鉀水玻璃與磷酸硅反應(yīng)生成的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不易在水中溶解，硅溶膠和硅酸鋰形成的黏結(jié)膜耐水性良好。但是鉀水玻璃自行脫水形成的黏結(jié)膜在飽水情況下容易被破壞。在飽水過(guò)程中，固砂劑形成的黏結(jié)膜部分溶解于水中，使試樣的強(qiáng)度有所下降。在3次循環(huán)之后，剩余部分的黏結(jié)膜不溶于水中，形成的結(jié)構(gòu)不易被破壞。

三、邊坡固化試驗(yàn)

在張承高速公路試驗(yàn)段試用此固砂劑。試驗(yàn)邊坡為砂質(zhì)挖方邊坡，坡高13 m，長(zhǎng)度50 m，坡角45°，坡面總面積為920 m2。

計(jì)算邊坡表層需要固化的砂體質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)配制固砂劑：鉀水玻璃的固含量為固化砂體質(zhì)量的3%；磷酸硅的固含量為鉀水玻璃固含量的6%；硅酸鋰的固含量為鉀水玻璃固含量的2%；硅溶膠的固含量為鉀水玻璃固含量的3%；根據(jù)風(fēng)積砂的最優(yōu)含水率添加一定量的水，攪拌均勻。使用噴涂設(shè)備將固砂劑呈霧狀均勻噴涂在砂質(zhì)邊坡表層。噴涂完成后的效果如圖5所示。

固砂劑在2 h之后開始凝結(jié)固化，24 h之后形成一定強(qiáng)度。固砂劑在邊坡表面固化后，形成的固化層表面平整。檢查固砂劑在邊坡表面的入滲、固化情況，如圖6所示。

噴灑固砂劑7 d之后檢測(cè)邊坡表面固化層強(qiáng)度。每100 m2取一個(gè)試樣，進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果見表3。由表3可知在野外使用固砂劑，7 d后固化層的強(qiáng)度在800 kPa以上，固化層密實(shí)，強(qiáng)度較高。之后結(jié)合客土噴播技術(shù)進(jìn)行植草，兩年后效果如圖7所示。

圖5 噴涂完成后的效果

兩年后砂質(zhì)邊坡坡面沒有出現(xiàn)水蝕、開裂、坍塌等現(xiàn)象。固化層具有良好的耐候性。固砂劑固化后的產(chǎn)物可作為植物的肥料，促進(jìn)坡面植物的生長(zhǎng)。使用客土噴播技術(shù)植草后，不但綠化了砂質(zhì)邊坡坡面，而且增加了邊坡的穩(wěn)定性。

四、結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)固砂試樣進(jìn)行配比優(yōu)化試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、干濕循環(huán)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究固砂劑的固砂效果，提出了保障公路砂質(zhì)邊坡安全的新型化學(xué)固砂技術(shù)。得到如下結(jié)論。

（1）試樣的強(qiáng)度隨鉀水玻璃模數(shù)的增加而增加，添加鉀水玻璃的最佳固含量為固化砂質(zhì)量的3%。

表3 邊坡測(cè)試點(diǎn)取樣強(qiáng)度

圖6 固砂劑邊坡入滲、固化情況

圖7 兩年后砂質(zhì)邊坡的固化效果

（2）添加改性劑后試樣強(qiáng)度相對(duì)于不添加改性劑的試樣強(qiáng)度增長(zhǎng)了32.5%～60.8%。

（3）固砂試樣具有一定的滲透能力。使用低模數(shù)鉀水玻璃制作的試樣相對(duì)于高模數(shù)鉀水玻璃制作的試樣滲透能力更好。

（4）固砂劑具有良好的耐水性。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，固砂試樣的強(qiáng)度逐漸下降，3次循環(huán)之后，強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定。

（5）在張承高速公路試驗(yàn)段，噴涂固砂劑固砂，并結(jié)合客土噴播技術(shù)植草，不僅綠化了坡面而且增加了邊坡的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)兩年觀測(cè)，效果良好。

[1] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部. JTG D30—2015公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京∶人民交通出版社, 2015.

Ministry of Transport of the PRC. JTG D30—2015, speci fi cations for design of highway subgrades [S]. Beijing∶ China Communications Press, 2015.

[2] 中華人民共和國(guó)鐵道部. TB10035—2006 鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京∶中國(guó)鐵道出版社, 2010.

Ministry of Railways of the PRC. TB10035—2006, code for design on special subgrade of raiway [S]. Beijing∶ China Railway Publishing House, 2010.

[3] 劉瑞順, 王文龍, 廖超英, 等. 露天煤礦排土場(chǎng)邊坡防護(hù)措施減水減沙效益分析 [J]. 西北林學(xué)院學(xué)報(bào), 2014, 29(4)∶ 59–64.

Liu R S, Wang W L, Liao C Y, et al. Benefits in runoff and sediment reductions of the protection methods for the dump slope of opencast coal mine [J]. Journal of Northwest Forestry University, 2014, 29(4)∶ 59–64.

[4] 楊釗. 道路防護(hù)工程的再生混凝土試驗(yàn)研究(碩士學(xué)位論文)[D]. 揚(yáng)州∶揚(yáng)州大學(xué), 2015.

Yang Z. Experimental research of recycled concrete in road protective engineering (Master’s thesis) [D]. Yangzhou∶ Yangzhou University, 2015.

[5] 劉窯軍. 三峽庫(kù)區(qū)低等級(jí)土質(zhì)道路侵蝕及防護(hù)研究(博士學(xué)位論文) [D]. 武漢∶ 華中農(nóng)業(yè)大學(xué), 2014.

Liu Y J. Research of the soil erosion and protection on the low-volume unpaved road in the three gorge reservoir area (Doctoral dissertation) [D].Wuhan∶ Huazhong Agricultural University,2014.

[6] 李婷, 鄧湘云, 李建保, 等.鋁硅酸鹽改性固沙材料的研究 [J].材料導(dǎo)報(bào), 2010, 24(15)∶ 431–435.

Li T, Deng X Y, Li J B, et al. A study on the modi fi ed aluminosilicate sand stabilization material [J]. Materials Review, 2010,24(15)∶ 431–435.

[7] 蔣富強(qiáng), 熊治文, 李凱崇, 等．一種化學(xué)固沙劑及其制備方法∶ 中國(guó), 102127453 [P]. 2011-07-20.

Jiang F Q, Xiong Z W, Li K C, et al. A chemical sand fi xing agent and its preparation method∶ China, 102127453 [P]. 2011-07-20.

[8] Dong Z, Wang L, Zhao S. A potential compound for sand fi xation synthesized from the ef fl uent of pulp and paper mills [J]. Journal of Arid Environments, 2008, 72(7)∶ 1388–1392.

[9] Achilias D S, Roupalias C, Megalokonomos P, et al. Chemical recycling of plastic wastes made from polyethylene and polypropylene [J]. Journal of Hazardous Materials, 2007, 149(3)∶ 536–540.

[10] 牛笑笛, 楊廣慶, 蒲昌瑜, 等.新型固砂劑試驗(yàn)效果分析及邊坡防護(hù)施工工藝研究 [J]. 鐵道建筑, 2017 (2)∶ 86–90.

Niu X D, Yang G Q, Pu C Y, et al. Analysis on experiment effect of new-type sand consolidating agent and research on construction technique of slope protection [J]. Railway Engineering, 2017 (2)∶86–90.

[11] 田華, 陳連喜, 劉全文. 硅溶膠的性質(zhì)、制備和應(yīng)用 [J]. 國(guó)外建材科技, 2007, 28(2)∶ 8–11.

Tian H, Chen L X, Liu Q W. Prosperities, manufactures and application of silica sol [J]. The World of Building Materials, 2007,28(2)∶ 8–11.

[12] 殷馨, 戴媛靜. 硅溶膠的性質(zhì)、制法及應(yīng)用 [J].化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料, 2005, 3(6)∶ 27–32.

Yin X, Dai Y J. Characteristics, manufacture and application of silica sol [J]. Chemical Propellants & Polymeric Materials, 2005,3(6)∶ 27–32.