凍融循環(huán)條件下植被混凝土滲透性試驗研究

高賢 鄧瑋瑋 龍麗珺 邵艷艷

摘 要：目前關(guān)于植被混凝土中裸露邊坡生態(tài)修復(fù)基材滲透性對凍融循環(huán)的響應(yīng)研究較少。本文通過室內(nèi)凍融循環(huán)模擬及滲透試驗，以植被混凝土生境基材為研究對象，研究了不同凍融循環(huán)次數(shù)和初始含水率條件下其滲透系數(shù)的變化情況。結(jié)果表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，同一初始含水率植被混凝土的滲透系數(shù)不斷增大，凍融初期增長速度較快，凍融后期趨于穩(wěn)定;在經(jīng)相同凍融次數(shù)后，不同初始含水率植被混凝土的滲透系數(shù)較凍融前均顯著增大。且植被混凝土初始含水率越高，初始滲透系數(shù)相對較高，經(jīng)凍融后植被混凝土滲透系數(shù)變化幅度越大。

關(guān)鍵詞：凍融循環(huán);植被混凝土;滲透性

中圖分類號：S-3文獻標識碼：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20191030020

近年來，隨著高寒地區(qū)國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力開展，工程所在區(qū)域生態(tài)環(huán)境不可避免地遭到了不同程度的破壞，導(dǎo)致大面積的無植被覆蓋的裸露邊坡急需修復(fù)。植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)作為裸露邊坡植被快速恢復(fù)常用方法之一，通過在種植土中加入水泥、有機物料、活化添加劑等材料，實現(xiàn)了傳統(tǒng)硬性加固措施與生態(tài)修復(fù)措施的有機結(jié)合，已在我國許多省市得到廣泛推廣和運用 。然而，在已有高寒地區(qū)邊坡修復(fù)工程實踐應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，由于受到高海拔、低氣溫、長日照等極端條件的影響，植被混凝土在凍融條件下物理、力學(xué)和化學(xué)等性質(zhì)急劇變化，導(dǎo)致生境基材迅速劣化，致使高寒地區(qū)植被生態(tài)修復(fù)遭遇巨大困難土體的滲透性屬于土體物理力學(xué)性能的重要內(nèi)容，滲透系數(shù)是描述土體滲透性能差異的重要參數(shù)。國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在凍融循環(huán)作用下土體的滲透性變化不僅與凍融的溫度模式、時間長短、凍融循環(huán)次數(shù)等因素密切有關(guān)，還與土樣的初始狀態(tài)、密實程度等有關(guān)。范昊明等研究表明，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，土壤滲透系數(shù)增大較明顯，但增大幅度逐漸變小;王鐵行等研究表明，水平方向與豎直方向測得的黃土的滲透系數(shù)均隨凍融循環(huán)次數(shù)和試樣初始含水率增大而增大。

目前，針對凍融循環(huán)作用下天然土和水泥土滲透特性的變化研究較多，而對植被混凝土此類生境基材的研究并不多，因此研究凍融循環(huán)條件下生境基材滲透性的變化規(guī)律，對高寒地區(qū)的植被生態(tài)修復(fù)具有重要的理論和工程意義。本文通過室內(nèi)凍融循環(huán)模擬及滲透試驗，研究不同凍融循環(huán)次數(shù)和初始含水率條件下植被混凝土生境基材滲透性的變化規(guī)律，旨在為植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)在高寒地區(qū)的應(yīng)用提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究涉及的主要材料包括種植土、水泥、有機物料、活化添加劑和水。種植土取自三峽大學(xué)地學(xué)樓附近土壤，剔除石頭殘渣及枯枝等雜物，經(jīng)風(fēng)干后過1mm篩備用。水泥購自華新水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。有機物料購自俏牛兒肥業(yè)有限公司生產(chǎn)的植物莖葉，經(jīng)風(fēng)干、碾磨和過篩后備用。活化添加劑來自三峽大學(xué)專利成果轉(zhuǎn)讓產(chǎn)品（專利號：01138343.7）。

1.2 試驗設(shè)計

植被混凝土制備嚴格按照現(xiàn)行國家能源行業(yè)標準《水電工程陡邊坡植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)規(guī)范》NB/T 35082-2016，具體配比見表1。為保證制樣過程中試樣的均勻性和一致性，試樣的干密度控制為1.3g/cm3。先進行干料拌合，然后按設(shè)定初始含水率（質(zhì)量含水率）加入定量水進行拌合。試驗共設(shè)4種初始含水率，分別為18%、20%、22%和24%，凍融循環(huán)頻次分別設(shè)置為0、1、2、4、8、16、32、64次。每個凍融梯度制作3個環(huán)刀試樣，總計制樣24個，用來測定植被混凝土的滲透系數(shù)。將制備好的環(huán)刀試樣用保鮮膜包裹住，然后放入養(yǎng)護室30d后進行凍融循環(huán)試驗。凍結(jié)溫度/融化溫度設(shè)置為±20℃。單次凍融循環(huán)周期設(shè)定為凍結(jié)12h，融化12h。每到設(shè)定的相應(yīng)凍融循環(huán)頻次，從凍融箱迅速取出環(huán)刀樣，經(jīng)真空抽氣飽和后，再進行滲透試驗。

1.3 研究方法

由于植被混凝土中摻入水泥，其滲透系數(shù)較小，故選用變水頭滲透實驗。植被混凝土試樣經(jīng)凍融后進行真空抽氣飽和（抽氣90min→進水飽和60min→浸泡12h以上）。然后將試樣裝入在滲透裝置中，按土工試驗規(guī)程標準進行試驗，最終計算得出凍融循環(huán)后植被混凝土的滲透系數(shù)。

試驗結(jié)果按照土工試驗規(guī)程標準變水頭滲透試驗提供的滲透系數(shù)計算公式進行計算：

k=2.3aLAtlgh1h2

式中：2.3為In和1g的換算系數(shù);a為變水頭管截面積（cm2）;L為試樣高度（cm）; A為試樣截面積（cm2）;t為時間（s）;h1為開始時水頭（cm）;h2為終止時水頭（cm）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Microsoft Excel 2013進行數(shù)據(jù)處理與圖表繪制;采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件，利用One-Way ANOVA進行單因素方差分析，顯著水平設(shè)為@ =0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同凍融循環(huán)次數(shù)對植被混凝土滲透系數(shù)的影響

植被混凝土滲透系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化情況如圖1所示。從圖中可以看出，同一初始含水率的植被混凝土滲透系數(shù)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，但增幅逐漸變小，多次凍融后逐漸趨于動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。

凍融后的植被混凝土滲透性較凍融前明顯增大。這主要是因為植被混凝土試樣中水分在低溫情況下會發(fā)生凍結(jié)，孔隙水結(jié)晶導(dǎo)致土體內(nèi)部顆粒互相擠壓，顆粒之間的結(jié)合作用遭到破壞，使其內(nèi)部出現(xiàn)微裂縫。經(jīng)多次凍融循環(huán)作用下，試樣中水分經(jīng)歷反復(fù)的相變，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不斷遭到破壞，微裂縫逐漸變大，成為良好的水分遷移通道 ，其滲透系數(shù)不斷增大。此外，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，植被混凝土試樣中水分出現(xiàn)反復(fù)的遷移，對土顆粒及孔隙產(chǎn)生作用力，以致大孔隙和小裂縫的出現(xiàn)，并且孔隙內(nèi)壁的粗糙程度降低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯減弱[11]，致其滲透系數(shù)逐漸大。另外，植被混凝土經(jīng)多次凍融后，滲透性趨于穩(wěn)定狀態(tài)。原因在于當(dāng)植被混凝土經(jīng)過相當(dāng)多次數(shù)凍融循環(huán)后，孔隙處于穩(wěn)定狀態(tài)，良好的滲流通道出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)性達到新的水平狀態(tài)，其滲透性也達到新的動態(tài)平衡狀態(tài)[12]。

2.2 不同初始含水率對植被混凝土滲透系數(shù)的影響

干密度相同、初始含水率不同的植被混凝土試樣滲透系數(shù)經(jīng)反復(fù)凍融64次的變化情況如圖1所示。不同初始含水率植被混凝土試樣在經(jīng)相同凍融次數(shù)后，滲透系數(shù)比未凍融時明顯變大。且隨著植被混凝土試樣初始含水率的增大，經(jīng)凍融循環(huán)之后其滲透系數(shù)顯著增大。原因在于，不同初始含水率的植被混凝土試樣滲透系數(shù)對凍融作用的響應(yīng)程度不同。當(dāng)植被混凝土試樣初始含水率較低時，因為土樣中水凍結(jié)后產(chǎn)生較小的凍脹力，而且土體自身良好的結(jié)構(gòu)對凍脹力有限制作用[13]，所以土樣經(jīng)過凍融作用后孔隙率會增加，但變化不明顯，對其滲透性影響也相對較小。然而，隨著植被混凝土試樣初始含水率增加，凍脹力增大，嚴重破壞土顆粒聯(lián)結(jié)作用[5]，土樣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到削弱，其滲透性變化顯著。

注：不同大寫字母表示相同凍融循環(huán)次數(shù)不同初始含水率處理間的差異顯著（P<0.05 ） ，不同小寫字母表示同一初始含水率不同凍融循環(huán)次數(shù)處理間的差異顯著（P<0.05）

3 討論

土的滲透性是評價土體抗凍性能的重要指標，與土體的結(jié)構(gòu)、孔隙、顆粒狀態(tài)等密切相關(guān)[14]。在凍融過程中，植被混凝土結(jié)構(gòu)及孔隙特征發(fā)生改變，導(dǎo)致其滲透性能產(chǎn)生差異。在凍融循環(huán)過程中，隨著凍融溫度在±20℃上下波動，植被混凝土中水分發(fā)生相變和遷移。當(dāng)水由液相轉(zhuǎn)至固相時，冰晶形成，導(dǎo)致體積膨脹，四周土顆粒受到擠壓作用，使土顆粒產(chǎn)生位移與變形，同時也會使土體中的中、小孔隙合并而生成大孔隙，從而導(dǎo)致土中的大孔隙含量增加，最后致使土體結(jié)構(gòu)性的變化[13-15]，從而使植被混凝土滲透性發(fā)生顯著變化。

此外，植被混凝土經(jīng)多次凍融循環(huán)后，滲透性趨于穩(wěn)定狀態(tài)。土體的變形包含彈性變形和塑性變形[16]。彈性變形是土體變形后即可恢復(fù)的部分，經(jīng)反復(fù)凍融后，對植被混凝土孔隙和結(jié)構(gòu)的影響可忽略不計。而塑性變形為不可逆的，導(dǎo)致凍融后的土體變形無法恢復(fù)。經(jīng)過相當(dāng)多次凍融循環(huán)后，達到了植被混凝土的塑性變形極限值，則孔隙不再繼續(xù)擴大，滲透系數(shù)也不再變化，即其滲透性趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文通過室內(nèi)凍融循環(huán)試驗和滲透性測試研究了不同凍融循環(huán)次數(shù)和初始含水率條件下植被混凝土滲透系數(shù)的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

植被混凝土滲透系數(shù)受凍融作用的影響明顯。植被混凝土滲透系數(shù)隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而變大。凍融前期增長速度快，凍融后期趨于動態(tài)平衡狀態(tài)。

植被混凝土滲透性的變化與其初始含水率關(guān)系密切。在凍融循環(huán)過程中，植被混凝土初始含水率越高，初始滲透系數(shù)相對較高，且變化幅度越大。

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作者簡介：

高賢（1993-），男，碩士。研究方向：邊坡防護與生態(tài)恢復(fù)。