預制基質(zhì)客土的強度及滲透性試驗研究

馬顯東， 劉強*， 褚保鎮(zhèn)， 高霄嬌， 孫沖

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

1 引言

挖方邊坡工程破壞了天然邊坡的力學平衡和生態(tài)平衡。生態(tài)邊坡工程的主旨之一是在挖方邊坡上構(gòu)建新的生態(tài)平衡，如客土噴播技術(shù)。其中客土應具備較好的水理性質(zhì)和力學穩(wěn)定性，研制兼有高強度、高滲透性和高持水性的客土是解決巖質(zhì)生態(tài)邊坡工程中生態(tài)修復的關(guān)鍵問題。

所謂客土是指利用自然土、有機質(zhì)、纖維、黏結(jié)劑、肥料、保水劑、緩釋劑、植物種子、其他外加劑等形成的人工混合土壤。關(guān)見留發(fā)現(xiàn)添加木屑后的客土有機養(yǎng)分隨降雨的流失量明顯減少；黃棟學通過對土壤、保水劑、速效肥以及雞糞等材料進行全正交試驗，研究不同配比的客土對植物生長的影響；葉茂發(fā)現(xiàn)摻入砂土改良后，可以有效提高四川涼山地區(qū)土壤的肥料釋放速率，縮短煙株生長周期，其中加入50%砂土效果最優(yōu)；黃學文研究發(fā)現(xiàn)秸桿草毯覆蓋于邊坡表土，能夠減少雨水對坡面的侵蝕量，同時增大土壤團聚體的遷移阻力，提高了坡面表土對滑移的抵抗力；Agassi通過在陡坡上進行現(xiàn)場試驗，研究用磷石膏(PG)、多糖(PS)以及聚丙烯酰胺(PAM)來控制徑流及侵蝕，結(jié)果表明多糖和磷石膏或聚丙烯酰胺和磷石膏在抑制邊坡侵蝕方面非常有效。

目前，關(guān)于客土的局部穩(wěn)定性防護措施或客土的穩(wěn)定方法主要包括：① 平面網(wǎng)穩(wěn)定客土工藝；② 三維網(wǎng)穩(wěn)定客土工藝；③ 土工格室與平面網(wǎng)或三維網(wǎng)并用穩(wěn)定客土工藝；④ 利用混凝土肋梁穩(wěn)定客土工藝；⑤ 在邊坡上固定植生袋工藝等。工程中廣泛使用的客土噴播技術(shù)，均是在施工現(xiàn)場配置客土，并利用噴漿機將客土以流塑狀態(tài)噴播到邊坡坡面。因此這些客土處在流-塑態(tài)，其初期強度較低，在坡度較陡的巖質(zhì)邊坡，常出現(xiàn)不易掛網(wǎng)或掛網(wǎng)后大面積脫落等問題。生態(tài)邊坡工程初期客土的穩(wěn)定性主要取決于其抗滑動性。一般情況下，客土長度與厚度相比往往并非足夠大。針對有限長客土的抗滑動性問題，劉強利用模型試驗及極限分析上限解進行討論；劉威通過直剪試驗發(fā)現(xiàn)土壤的黏聚力與內(nèi)摩擦角隨纖維的添加量增加而增加，且不同纖維的加筋效果不一樣；羅陽明通過室內(nèi)試驗研究了水泥固化劑對土體抗剪強度的影響，證明了摻入適量水泥固化劑可以提高土體抗剪強度，而摻入一定的高分子聚合物，能有效增強土體的水土保持能力；燕平研究發(fā)現(xiàn)在客土中添加聚合物固化劑能夠在坡面形成一層有效的防護膜，起到很好的黏結(jié)整合作用；李映通過直剪試驗，發(fā)現(xiàn)添加木質(zhì)素的客土抗剪強度明顯增大，并隨著木質(zhì)素摻入量增加，呈先減小后增大的趨勢。

另一方面，噴播的客土較為松散，保水性較差，需要定期灌溉、維護，養(yǎng)護成本較高。關(guān)于客土的水理性質(zhì)研究方面，張俊云認為客土有機質(zhì)質(zhì)量摻入比應控制在20%以下，超過20%時，客土層的滲透系數(shù)會明顯增大，當摻入比超過30%時，不利于植物生長；萬黎明發(fā)現(xiàn)客土內(nèi)部含水率隨深度先增加后減小，添加有機質(zhì)及保水劑后，增加了客土的吸水速率和吸水性并有效減少客土蒸發(fā)速率。石鑫研究了不同用量下的秸稈纖維作為覆蓋層對土壤蒸發(fā)抑制作用，當在土壤含水量較高的階段，抑制作用更加明顯。

針對上述客土在強度和水理方面存在的問題，該文提出一種新型預制客土塊的制備技術(shù)。將研制的客土塊體采用無側(cè)限抗壓強度試驗、三軸壓縮試驗、滲透試驗研究不同配比條件下客土塊體的強度和滲透性。

2 試驗材料和試驗方案

2.1 試驗材料

試驗用料：黃土，干燥狀態(tài)下最大擊實密度為1.66 g/cm3，液限41.46%，塑限18.32%；硅藻土，干燥狀態(tài)下最大擊實密度為0.53 g/cm3；有機高分子纖維A和B長度均為2～5 mm；玉米秸稈長度小于1 mm，天然堆積密度0.13 g/cm3，擊實密度0.30 g/cm3；泥炭天然密度0.42 g/cm3，擊實密度0.62 g/cm3。所用黃土及硅藻土的粒徑累積級配曲線如圖1所示。

圖1 試驗材料的粒徑累積級配曲線

2.2 試驗方案

為了探究不同原料配比條件下基質(zhì)客土塊的強度規(guī)律，首先設計兩組試驗，第1組變量設計如表1所示。第2組試驗樣品中除玉米秸稈摻量外其余成分摻量與第1組完全相同。除此以外，添加了10%泥炭(通過前期預試驗發(fā)現(xiàn)，過多的泥炭摻入比不僅會降低客土塊強度，還會產(chǎn)生明顯的掉渣現(xiàn)象。在能夠起到改善客土土壤環(huán)境效果的前提下，選用10%的泥炭作為試驗變量對比)，具體變量設計如表2所示。

表1 第1組變量設計表

表2 第2組變量設計表

客土塊的制作方法和步驟如下：① 依據(jù)表1、2的配比設計，將客土原料及水按質(zhì)量比為1∶1在攪拌器中混合均勻；② 將混合料分別裝入不同模具，每個模具內(nèi)分4層擊實并稱重。無側(cè)限抗壓強度試驗，使用邊長為7.07 cm的立方體標準模具制樣，三軸壓縮試驗，使用高8.00 cm、直徑3.91 cm的三瓣膜制樣，滲透試驗，使用模具為高4 cm、直徑6.18 cm的環(huán)刀制樣；③ 放入鼓風干燥箱烘干18 h，取出試樣冷卻后脫模，稱量干重，計算干密度并確保平行試樣干密度(圖2)的均一性。

圖2 試樣干密度統(tǒng)計圖

2.3 試驗方法

對基質(zhì)客土塊進行無側(cè)限抗壓強度試驗、三軸壓縮試驗、滲透試驗來確定此種客土塊的抗壓、抗剪強度及滲透性。所有試樣均根據(jù)GB/T 50123-1999《土工試驗方法標準》進行試驗。

無側(cè)限抗壓強度試驗使用自制的應力應變試驗儀，采用應變控制，加荷速率1 mm/min，每隔2 s記錄試驗壓力及試樣應變，應變達到20%時結(jié)束試驗，取15%應變時的應力作為峰值強度。每種配比制作3個平行樣。

三軸試驗采用靜三軸剪切試驗儀。同一基質(zhì)配比條件下，對4個試樣分別施加圍壓50、100、200和500 kPa進行不固結(jié)不排水試驗(UU試驗)，試驗時，土樣分干燥和飽和兩種情況,加載速率0.08 mm/min，應變達到20%時結(jié)束試驗，取應變?yōu)?5%時的應力，繪制摩爾圓，計算得到基質(zhì)客土塊的內(nèi)摩擦角及黏聚力。

變水頭滲透試驗采用滲透儀。試驗前將試樣在真空飽和器中飽和1 d，每種不同的客土配比制作兩個平行樣，飽和滲透系數(shù)取兩組的平均值。

3 試驗結(jié)果與討論

由無側(cè)限抗壓強度試驗和UU試驗可知，預制基質(zhì)客土塊的破壞形式以鼓脹為主，沒有明顯的剪切破壞面。

圖3為立方體客土塊進行無側(cè)限壓縮試驗過程中的典型應力-應變曲線。

圖3 典型無側(cè)限壓縮應力-應變曲線

由圖3可知：在20%應變范圍內(nèi)，強度未出現(xiàn)峰值，試樣并未發(fā)生明顯破壞，只是產(chǎn)生輕微的壓縮變形，因為立方體試樣表面存在結(jié)皮，結(jié)皮的存在對試樣的強度有一定的增強作用。

圖4為一組基材配比分別在干燥、飽和條件下的三軸壓縮試驗中的典型應力-應變曲線。

由圖4可知：在飽和條件下，試樣的強度顯著降低，約為干燥狀態(tài)下強度的1/6，但無論飽和還是干燥試樣，在20%應變內(nèi)，均未達到峰值強度。

圖4 典型三軸壓縮應力-應變曲線

圖5為秸桿與黃土含量對無側(cè)限抗壓強度的影響。

圖5 秸稈與泥炭含量對無側(cè)限抗壓強度的影響

由圖5可知：當試樣中沒有加入泥炭時，試樣的無側(cè)限抗壓強度隨秸稈摻量的增加呈現(xiàn)出先降低后增大的趨勢。當秸稈含量為40%時，強度出現(xiàn)最低值，含量為40%～55%時，隨著秸稈含量的增加，試樣的抗壓強度逐漸增加并恢復，但其極大值為1 MPa仍然遠小于秸稈含量為35%時的1.5 MPa。當試樣中加入10%泥炭時，試樣的無側(cè)限抗壓強度隨著秸稈百分含量的增加、黃土百分含量的減少，呈下降趨勢，整個測試區(qū)間內(nèi)未出現(xiàn)曲線拐點。當秸稈含量由25%增長到50%時(2倍)，試樣的峰值強度由1 476 kPa減小為748 kPa(50%)。

此外，無論是否添加泥炭，試樣的無側(cè)限抗壓強度均與秸稈的添加量呈負相關(guān)。對比1組和2組中秸稈百分含量相同的點，不難看出隨著泥炭加入，整體上抗壓強度降低。因此，泥炭的摻入對試樣的無側(cè)限抗壓強度影響顯著。

圖6、7分別為三軸試驗的黏聚力、內(nèi)摩擦角隨秸稈不同摻量的變化圖。

由圖6可知：無論是否添加有機質(zhì)，當秸稈的含量為30%～50%時，黏聚力值與秸稈的含量呈現(xiàn)負相關(guān)。在沒有添加泥炭的情況下，當試樣中秸稈含量達到55%時(此時黃土含量為0%)，試樣的黏聚力并沒有如預期那樣較低，反而高于鄰近的低秸稈含量值，證明秸稈含量應與黃土含量達到一個適合配比才能將試樣的黏聚力提高。當試樣中添加泥炭后，黏聚力的最小值出現(xiàn)在秸稈含量為25%時，同樣證明了試樣中并不是黃土含量越高，黏聚力就越大。

圖6 秸稈與黃土含量對黏聚力的影響

圖7 秸稈與黃土含量對內(nèi)摩擦角的影響

由圖7可知：在沒有添加泥炭的情況下，當試樣中秸稈含量達到40%時，試樣的內(nèi)摩擦角出現(xiàn)了極小值，其內(nèi)摩擦角小于鄰近的低秸稈含量值，結(jié)合圖6黏聚力的變化規(guī)律和無側(cè)限抗壓試驗結(jié)果(圖5)，可以確定秸桿含量達到40%時，試樣整體強度較低。當試樣中秸稈摻量達到55%時(此時黃土含量為0%)，試樣如預期，內(nèi)摩擦角接近0。當試樣中添加泥炭后，試樣的內(nèi)摩擦角較未加泥炭明顯減小，內(nèi)摩擦角的變化范圍為0～10°，其值與秸稈含量的關(guān)系沒有明顯的規(guī)律性。

圖8為秸桿含量對滲透系數(shù)的影響。

由圖8可知：兩組試樣的飽和滲透系數(shù)都為0.5×10-3～4.0×10-3cm/s，差別不大，秸稈百分含量的增加對滲透性沒有實質(zhì)性的影響。

4 結(jié)論

基于不同配比條件下預制客土塊的無側(cè)限抗壓強度試驗、三軸試驗和滲透試驗結(jié)果，得到如下結(jié)論：

圖8 秸稈與黃土含量對滲透系數(shù)的影響

(1) 研制的基質(zhì)客土最優(yōu)摻入比為黃土15%，秸稈35%，泥炭10%，硅藻土30%，纖維10%。

(2)在無泥炭摻入時，客土無側(cè)限抗壓強度存在最低值(秸稈含量為40%～45%)；有泥炭摻入時，試樣強度隨著秸稈含量的增加而近似線性減小。相同秸稈含量時，摻入泥炭后客土的無側(cè)限抗壓強度比未摻入泥炭時降低。在秸稈含量為35%～50%時，無論是否摻入泥炭，客土的黏聚力都呈下降趨勢，但泥炭的摻入減緩了黏聚力下降的程度；內(nèi)摩擦角在此區(qū)間內(nèi)呈波動狀態(tài)，加入泥炭后，內(nèi)摩擦角降低10°左右。

(3) 滲透系數(shù)數(shù)量級為1×10-3cm/s，秸稈含量對滲透性沒有影響；黃土含量降低有利于降低試樣密度、減輕掉渣現(xiàn)象，同時增加秸稈可形成骨架，有助于增強韌性；因此可以通過添加適量的植物秸稈與纖維避開抗壓強度的最小值區(qū)間，在減少黃土百分含量的同時，也能獲得較高強度。