植物纖維類型及用量對(duì)土壤滲透性的影響

高曉穎，孫 沖

(1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266590；2.中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266100)

近年來，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅速發(fā)展，在工程建設(shè)中難免要開挖大量邊坡，破壞原有的植被覆蓋層，產(chǎn)生邊坡沖刷等水土流失現(xiàn)象。為實(shí)現(xiàn)坡面的防護(hù)同時(shí)恢復(fù)開挖邊坡的生態(tài)環(huán)境，植被護(hù)坡技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。植被護(hù)坡是指用活的植物，單獨(dú)用植物或者植物與土木工程措施和非生命的植物材料相結(jié)合，以減輕坡面的不穩(wěn)定性和侵蝕[1]。而對(duì)于高陡巖質(zhì)邊坡，其坡面不具備植物生長的土壤條件，對(duì)此類邊坡進(jìn)行植被護(hù)坡時(shí)必須提供人工材料形成的基質(zhì)層附著于坡面之上，植物才能正常生長。工程中常用的厚層基材噴射護(hù)坡技術(shù)就是通過配置合理的基質(zhì)，在巖石邊坡上營造一個(gè)既能保證植物正常生長又有一定自穩(wěn)性的多孔穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體。因此，選擇合適的基質(zhì)材料是噴射護(hù)坡工藝的核心，是決定護(hù)坡成敗的關(guān)鍵。

日本曾采用纖維作為護(hù)坡基質(zhì)材料用于巖質(zhì)邊坡的生態(tài)防護(hù)，以提高基質(zhì)的穩(wěn)定性，并開發(fā)出一系列的纖維土綠化工法。其所用纖維包括有機(jī)纖維、無機(jī)短纖維、連續(xù)纖維等。我國農(nóng)業(yè)資源豐富，植物纖維更易獲得，且成本低廉，因此，多選用秸稈、木屑等植物纖維作為護(hù)坡基質(zhì)材料。植物纖維一般為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的附屬產(chǎn)品，取用方便，成本低廉。因其質(zhì)量輕，可以減輕基質(zhì)的重量，且對(duì)土體有一定的加筋作用，有利于基質(zhì)的穩(wěn)定。在巖土工程領(lǐng)域，使用纖維材料進(jìn)行混凝土加固應(yīng)用較為廣泛，也有學(xué)者用棉花秸稈纖維提高陶?；炷猎噳K的抗劈拉強(qiáng)度，延緩混凝土開裂[2-4]。而對(duì)于植被護(hù)坡工程，植物纖維還能作為有機(jī)質(zhì)為植物后期生長提供養(yǎng)分。對(duì)于植物纖維在巖質(zhì)邊坡植被護(hù)坡中的應(yīng)用已有相應(yīng)研究，結(jié)果表明將植物纖維用作植被護(hù)坡的基質(zhì)材料有利于提高基質(zhì)的穩(wěn)定性，降低坡面侵蝕，并且對(duì)基質(zhì)的水分與養(yǎng)分保持有促進(jìn)作用[5-11]。除此之外，也有將植物纖維編織成毯覆于邊坡之上進(jìn)行生態(tài)防護(hù)的研究[12-14]。

上述研究主要側(cè)重于纖維的應(yīng)用對(duì)邊坡的穩(wěn)定性與抗侵蝕性方面的影響，而為了保證邊坡植物的長期穩(wěn)定生存，水分的供應(yīng)必不可少。若基質(zhì)的配比合理，滲透性能良好，降雨護(hù)坡養(yǎng)護(hù)灑水后，水分能在較短時(shí)間內(nèi)滲入基質(zhì)中，獲得更多可供植物利用的有效水。本文對(duì)比了不同植物纖維類型及用量對(duì)土壤的滲透性的影響，以期為巖石邊坡植被護(hù)坡系統(tǒng)的水分平衡及控制提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用土壤取自山東科技大學(xué)青島校區(qū)校內(nèi)筆架山西側(cè)，土壤為黃色，基本參數(shù)見表1。

土樣的顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。

表1 土樣物理性質(zhì)指標(biāo)

圖1土樣的粒徑級(jí)配曲線

本次試驗(yàn)所使用的黃土其塑性指數(shù)為10.6，介于10～17之間，屬于粉質(zhì)黏土，毛細(xì)性較好，且在取土樣過程中發(fā)現(xiàn)，黃土較干燥時(shí)強(qiáng)度較高。

試驗(yàn)中所用秸稈、花生殼、木屑取自山東高密，經(jīng)過清洗、晾曬、粉碎過篩后用作本次試驗(yàn)的基質(zhì)添加材料。本次試驗(yàn)所用的秸稈纖維為玉米秸稈，長度為2 mm～5 mm，花生殼經(jīng)過粉碎呈圓片狀，直徑約3 mm，木屑粉碎后呈粉末狀。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用單因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將秸稈、木屑及花生殼3種植物纖維作為單一影響因素加入到土壤中，研究不同植物纖維類型及用量對(duì)土壤的滲透性的影響，所有試驗(yàn)均設(shè)置3個(gè)重復(fù)。各纖維用量見表2。

1.3 試驗(yàn)方法

(1) 配制土樣。按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)所需的用量將黃土與植物纖維混合，攪拌均勻，按照所需含水率將水均勻噴灑于土樣上，充分拌勻后裝入盛土容器內(nèi)蓋緊，浸潤一晝夜。

(2) 擊實(shí)試驗(yàn)。將浸潤后的土樣取出，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15](GB/T 50123—1999)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)確定土樣的最大干密度。

(3) 滲透試驗(yàn)

① 按照最大密度制備滲透試驗(yàn)試樣。根據(jù)環(huán)刀容積及所需的(制樣)干密度計(jì)算滲透試驗(yàn)土樣所需的濕土量，將取出的濕土裝入擊實(shí)器進(jìn)行分層擊實(shí)，每種試樣制作三個(gè)平行樣。

② 試樣飽和、進(jìn)行試驗(yàn)。將制好的試樣放入飽和器中進(jìn)行飽和，對(duì)飽和后的土樣進(jìn)行滲透試驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)步驟參照[12]進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 纖維類型與用量對(duì)土壤滲透系數(shù)的影響

本研究采用滲透試驗(yàn)，測(cè)定飽和狀態(tài)下基質(zhì)的滲透系數(shù)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制不同纖維類型與用量對(duì)黃土的滲透系數(shù)變化圖，見圖2—圖5，因纖維密度較小，為方便分析，將纖維摻量換算成體積比表示。由圖2，圖3可知：在黃土中摻入花生殼與秸稈均能有效增大黃土的滲透系數(shù)。

圖2 纖維(花生殼)用量與滲透系數(shù)的關(guān)系

圖3 纖維(秸稈)用量與滲透系數(shù)的關(guān)系

圖4 纖維(木屑)用量與滲透系數(shù)的關(guān)系

圖5纖維類型對(duì)滲透系數(shù)的影響

由圖2可知：花生殼的添加能有效提高黃土的飽和滲透系數(shù)，隨著花生殼用量的增加，滲透系數(shù)逐漸增大，且呈現(xiàn)出明顯的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。純黃土的飽和滲透系數(shù)為3.81×10-6cm/s，當(dāng)摻入21%的花生殼后，滲透系數(shù)提高到2.99×10-5cm/s，是純黃土的10倍，當(dāng)花生殼摻入量提高到77%時(shí)，滲透系數(shù)提高到1.03×10-4cm/s，是純黃土的100倍。

由圖3可知：秸稈的添加能有效提高黃土的飽和滲透系數(shù)，當(dāng)秸稈的摻入量達(dá)到一定量時(shí)，混合物的滲透系數(shù)隨著秸稈用量的增加呈指數(shù)形式增加，不同的秸稈摻入量與滲透系數(shù)之間存在明顯的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。當(dāng)秸稈含量增加到31%時(shí)，滲透系數(shù)增大到1.53×10-5cm/s，是純黃土的10倍，當(dāng)秸稈摻入量增加到67%時(shí)，滲透系數(shù)增大到5.19×10-4cm/s，是純黃土的100倍；當(dāng)秸稈摻入量增加到95%時(shí)，滲透系數(shù)增大到1.96×10-3cm/s，約為純黃土的1000倍；秸稈含量超過80%后，滲透系數(shù)呈指數(shù)形式迅速增加。

試驗(yàn)中所采用的秸稈為長條狀，花生殼為圓片狀，與黃土混合后在土體中形成較為疏松的孔隙結(jié)構(gòu)，增大了土體的透水性，滲透系數(shù)增加顯著。

由圖4可知：木屑的添加能在一定程度上提高混合物的滲透系數(shù)，但效果不明顯。當(dāng)木屑含量增加到26%時(shí)，混合物的滲透系數(shù)增大到2.01×10-5cm/s；但是當(dāng)木屑含量增加到82%時(shí)，混合物的滲透系數(shù)減小到2.49×10-6cm/s，而純木屑的飽和滲透系數(shù)為1.69×10-5cm/s?；旌衔锏臐B透系數(shù)并不隨木屑含量的增加而增大，木屑的添加對(duì)黃土的滲透系數(shù)沒有明顯的改良作用。試驗(yàn)中所用的木屑為粉末狀，與秸稈、花生殼相比，木屑與黃土混合后土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍比較致密，無法像秸稈與花生殼一樣在土體中形成較大的孔隙通道，水流不易透過，滲透性沒有明顯的增大。

圖5對(duì)比了花生殼與秸稈的添加對(duì)滲透系數(shù)的影響。由圖5可知：花生殼與秸稈的添加均能改善黃土的滲透系數(shù)，且其不同摻入量對(duì)滲透系數(shù)的增長呈明顯的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。但是對(duì)比兩組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，摻入量小于70%時(shí)，花生殼與秸稈的摻入對(duì)滲透系數(shù)的改良效果差距較小，但是摻入量超過70%后，秸稈的摻入對(duì)滲透系數(shù)的增加遠(yuǎn)大于花生殼。純秸稈時(shí)滲透系數(shù)為2.76×10-3cm/s，而純花生殼時(shí)滲透系數(shù)為6.47×10-4cm/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于純秸稈的滲透系數(shù)。分析認(rèn)為主要原因有兩點(diǎn)：(1) 與花生殼相比，秸稈纖維呈細(xì)長條狀更加松散使其更容易在土體中形成空隙，增加土壤的孔隙度，使水分能沿著孔隙通道迅速入滲；(2) 純秸稈纖維滲透系數(shù)本身比花生殼高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

因此，從滲透性方面考慮，秸稈對(duì)黃土的滲透性的改良效果最好。

2.2 纖維類型與用量對(duì)土壤最大干密度的影響

邊坡土體在自重應(yīng)力作用下發(fā)生滑動(dòng)、塌陷等破壞，土體自重對(duì)邊坡的穩(wěn)定有重要影響。若基質(zhì)的密度較小，則重量較輕，自重應(yīng)力較小，邊坡不易發(fā)生破壞，因此選擇密度較小的基質(zhì)有利于邊坡的穩(wěn)定。圖6對(duì)比了3種不同的纖維(秸稈、木屑、花生殼)的添加對(duì)混合物的最大干密度的影響，隨著纖維用量的增加，混合物的最大干密度均呈線性降低，3種纖維的添加都能有效地降低混合物的密度，減重效果相差不大。

圖6不同纖維類型用量與干密度的關(guān)系

3 總 結(jié)

植物纖維的添加對(duì)基質(zhì)混合物的滲透性與干密度均有較大影響，植物纖維能有效減輕混合物的重量，增加土壤的滲透性。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析得出以下結(jié)論：

(1) 秸稈和花生殼對(duì)于改良黃土滲透系數(shù)效果較好，隨著摻入量增加秸稈的改良效果要優(yōu)于花生殼。

(2) 木屑對(duì)黃土滲透系數(shù)改良作用不明顯。

(3) 秸稈、花生殼、木屑對(duì)黃土密度降低效果明顯，黃土密度隨著三種纖維摻入呈線性下降。

(4) 添加適量植物纖維作為基質(zhì)對(duì)客土有很好的改良效果，尤其是其對(duì)客土滲透性方面的改善有利于護(hù)坡植物的生存。

植物纖維作為一種隨處可得的材料，其對(duì)基質(zhì)性質(zhì)的影響遠(yuǎn)不止以上四點(diǎn)；在試驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，添加植物纖維的土體其持水性有所提高；相比純土而言，添加植物纖維的土體蒸發(fā)量較低，能有效減小水分蒸發(fā)流失；然而持水性與保水性隨著植物纖維摻入量如何變化、不同種纖維對(duì)于持水性與保水性的影響如何還需要通過試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。