巖質(zhì)邊坡表層黏性客土抗裂特性試驗(yàn)研究

宋京雷，何 偉，郝社鋒，蔣 波，劉 瑾，卜 凡，宋澤卓

（1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018；2.自然資源部國(guó)土（耕地）生態(tài)監(jiān)測(cè)與修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210018；3.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

當(dāng)前，在高速公路、鐵路、港口以及能源開(kāi)發(fā)等基礎(chǔ)工程建設(shè)過(guò)程中，因大量開(kāi)挖土石方形成很多裸露的巖質(zhì)邊坡，不僅破壞了原有的植被與土壤，導(dǎo)致當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境嚴(yán)重失衡，而且在降雨條件下極易發(fā)生水土流失，誘發(fā)崩塌、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，危害人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[1-4]。對(duì)于這類工程問(wèn)題的治理，傳統(tǒng)的護(hù)坡技術(shù)如護(hù)面墻、干砌石、漿砌石、噴混凝土護(hù)坡等，雖然能夠顯著地改善坡體的穩(wěn)定性[5-6]，但其綠化效果較差，同時(shí)不能滿足生態(tài)治理的需求，與當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的理念相違背[7-10]。因此，巖質(zhì)邊坡植被護(hù)坡技術(shù)應(yīng)時(shí)而生，并已成為巖質(zhì)邊坡生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。巖質(zhì)邊坡不同于土質(zhì)邊坡，由于其裸露邊坡表面創(chuàng)傷面沒(méi)有土壤覆蓋，水熱容量小，有機(jī)質(zhì)、N、P等營(yíng)養(yǎng)元素的難以形成和富集，故不能滿足植被生長(zhǎng)所必須的環(huán)境條件，不利于植物的定居和生長(zhǎng)[11]。因此，巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)的首要任務(wù)是在邊坡表面構(gòu)建一定厚度的人工土壤層或生態(tài)基質(zhì)層（即客土層）[12]?？屯羾姴サ暮穸仁艿竭吰骂愋?、邊坡坡度和降水等因素的影響[13]。一般而言，當(dāng)基質(zhì)層厚度較小，植被根系在豎直方向上的生長(zhǎng)會(huì)受到限制，不利于植被生長(zhǎng)；而基質(zhì)層厚度較大時(shí)，則容易導(dǎo)致基質(zhì)層發(fā)生失穩(wěn)破壞。基質(zhì)層厚度的選擇是否合理影響其穩(wěn)定性和植被的生長(zhǎng)。此外，干旱條件下造成噴播客土的干縮、開(kāi)裂也是邊坡生態(tài)修復(fù)工程中一種常見(jiàn)的自然現(xiàn)象。龜裂所產(chǎn)生的土體表面裂隙網(wǎng)絡(luò)在很大程度上會(huì)改變其內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)以及滲流場(chǎng)，從而弱化整體結(jié)構(gòu)，同時(shí)也為外部水體入滲，以及內(nèi)部水分、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失提供了“便捷通道”，引發(fā)一系列工程地質(zhì)災(zāi)害[14-17]。由此可見(jiàn)，龜裂對(duì)客土層的穩(wěn)定性、植被的正常生長(zhǎng)影響極大。

針對(duì)上述問(wèn)題開(kāi)展室內(nèi)干燥試驗(yàn)，以探究不同厚度黏性土的干縮開(kāi)裂特征，并在此基礎(chǔ)上，采用聚氨酯作為客土改良材料，通過(guò)變化其濃度以研究該材料對(duì)黏性土干燥失水、表面裂隙發(fā)育的影響。最后結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)（PCAS），對(duì)土體表層裂隙網(wǎng)絡(luò)的幾何形態(tài)進(jìn)行定量分析。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

干燥試驗(yàn)用黏性土取自南京某工地下蜀土，呈黃褐色，天然含水率20%～27%，比重2.71，塑限22%，液限36.7%，塑性指數(shù)14.7。試驗(yàn)所用高分子材料為聚氨酯型高分子（Polyurethane，簡(jiǎn)稱PU），在自然狀態(tài)下為淺黃色黏稠狀液體，具一定的透明度，密度1.18 g/m3，固形物含量85%，膠凝時(shí)間300～1 800 s，pH值為7，黏稠度650～700 MPa·s，可任意比例水溶，且具備無(wú)污染、使用便捷、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，此外還能夠涵養(yǎng)水分，促進(jìn)植被生長(zhǎng)。

1.2 試樣制備

利用ab膠將規(guī)格為60目的砂紙粘于放置土樣的容器底部，以較為貼近地模擬自然條件下摩擦效應(yīng)對(duì)土體干縮、開(kāi)裂的影響。容器四壁均勻地涂上凡士林以減少邊界摩擦力所產(chǎn)生的試驗(yàn)誤差。在105℃條件下烘烤試驗(yàn)土體8 h后磨碎，過(guò)2 mm篩。

設(shè)定試樣含水率（w）為60%。將與水混合完全的土樣根據(jù)試驗(yàn)所設(shè)厚度（h=3，6，9，12 mm）倒入內(nèi)徑為10 cm×10 cm×5 cm的正方形塑料容器中，機(jī)械振動(dòng)3～5 min，使土樣與容器內(nèi)壁緊密接觸，同時(shí)排除試樣內(nèi)部的氣泡，蓋上容器蓋靜置24 h。根據(jù)土體厚度由小到大，試樣編號(hào)依次記為S1、S2、S3、S4。

在水土混合時(shí)添加相應(yīng)濃度的聚氨酯，其摻入質(zhì)量（mp）由式（1）計(jì)算所得。試驗(yàn)設(shè)定聚氨酯濃度分別為0.25%、0.5%、0.75%、1.00%。根據(jù)聚氨酯濃度由小到大，試樣編號(hào)依次記為S5、S6、S7、S8。

式中：mp——聚氨酯的摻入質(zhì)量/g；

ms、w——干土、水的質(zhì)量/g；

wp——聚氨酯的濃度/%。

1.3 試驗(yàn)方法

將靜置完畢的試樣置于20℃的恒溫箱進(jìn)行干燥，分2個(gè)階段進(jìn)行記錄。第一階段：每隔1 h對(duì)各組試樣稱重，記錄讀數(shù)，持續(xù)12 h；第二階段：在第一階段完成之后，每隔12 h對(duì)試樣稱重，記錄讀數(shù)，直至每?jī)纱巫x數(shù)之差小于1 g，試驗(yàn)結(jié)束。

最后，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)（PCAS），針對(duì)裂隙網(wǎng)絡(luò)圖像的構(gòu)成要素，提出裂隙率（Rsc）、裂隙數(shù)量（Nf）、土塊數(shù)量（Na）、裂隙總面積（S）、裂隙平均長(zhǎng)度（Lav）以及寬度（Wav）等基本度量指標(biāo)，進(jìn)行定量分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 厚度對(duì)黏土體干縮特性的影響

圖1為不同厚度試樣含水率隨時(shí)間變化的規(guī)律，4種試樣的曲線整體變化趨勢(shì)相似。隨著試樣厚度的增加，曲線逐漸右移，較小厚度試樣的蒸發(fā)速率明顯高于同等條件下，較大厚度的試樣，能夠更快地達(dá)到殘余階段，這也說(shuō)明較大厚度試樣持水能力更強(qiáng)。同時(shí)，試樣蒸發(fā)速率受其厚度影響較大的主要原因，為較大厚度試樣內(nèi)部水分含量高，能夠在試驗(yàn)過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)提供水分，因此S4能夠維持穩(wěn)定蒸發(fā)率的時(shí)間更長(zhǎng)，狀態(tài)更加穩(wěn)定。

圖1 不同厚度試樣的含水率-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.1 Relationship of water content and time of samples with different thicknesses

由表1可得，土體表面裂隙率（Rsc）與裂隙總面積（S）隨試樣厚度的增加而增加，二者的增幅分別為32.15%、13.65%、19.17%與32.18%、13.68%、17.99%，表現(xiàn)出Rsc與S隨試樣厚度而發(fā)生變化的規(guī)律相似。試樣產(chǎn)生裂隙的平均長(zhǎng)度（Lav）、平均寬度（Wav）也隨著厚度的增加而增加。然而，試樣表面產(chǎn)生的裂隙數(shù)量（Nf）以及因裂隙發(fā)育而切割形成的土塊數(shù)量（Na）隨試樣厚度的增加而逐漸減少。另外如圖2所示，試樣表面的分形維數(shù)（FD）[18]與裂隙節(jié)點(diǎn)（FN）均隨其厚度的增大而呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，這表明，土體表面裂隙發(fā)育及其破碎程度很大程度上受到土體厚度的影響，即厚度越小，表面裂隙率越小，但其破碎程度越高（圖3）。隨著土體厚度增加至一定值時(shí)，其影響程度趨于穩(wěn)定。分形維數(shù)FD與裂隙節(jié)點(diǎn)FN的定義如下：

式中：P——開(kāi)裂塊區(qū)的周長(zhǎng)；

A——與之對(duì)應(yīng)的塊區(qū)面積；

C——常數(shù)。

上述參數(shù)均可在PCAS中自動(dòng)獲得。

裂隙節(jié)點(diǎn)FN的定義為：裂隙網(wǎng)絡(luò)任何支路的終端，或網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)及更多支路的互連公共點(diǎn)，拐點(diǎn)除外。

綜上分析得到本次試驗(yàn)的最優(yōu)試樣厚度為12 mm，故將其設(shè)定為后續(xù)試驗(yàn)中試樣的制備厚度。

2.2 聚氨酯濃度對(duì)黏土體干縮特性的影響

由圖4（a）可直觀地看出，各試樣含水率均隨時(shí)間的增長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，且在0～125 h內(nèi)呈近似線性下降，而后趨于穩(wěn)定。對(duì)于同一厚度的試樣（h=12 mm），改變聚氨酯水溶液的濃度將對(duì)土體含水率的變化產(chǎn)生影響，如添加較低聚氨酯濃度的試樣（S5、S6）可在一定程度上提高土體的持水能力，但提升效果不明顯，且當(dāng)試樣中聚氨酯水溶液的濃度逐漸升高時(shí)，土體持水能力便逐漸減弱。由圖4（b）可以看出，試樣中添加聚氨酯水溶液能延緩?fù)馏w水分的散失，但效果卻不明顯，論證了圖4（a）所得結(jié)論。分析圖4（c）可看出，當(dāng)試樣處于較高含水率時(shí)，聚氨酯水溶液的摻入使得水分散失變得相對(duì)穩(wěn)定，而在低含水率狀態(tài)下，聚氨酯水溶液的摻入則基本不對(duì)試樣中水分蒸發(fā)速率產(chǎn)生影響，此時(shí)試樣蒸發(fā)速率主要由含水率決定。綜上所述，聚氨酯水溶液的添加能夠在一定程度上改良土體的持水能力，但在本研究所選濃度范圍內(nèi)，其改良效果不明顯。

表1 不同厚度試樣表面開(kāi)裂參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of cracking parameters on the surface of the samples with different thicknesses

圖2 不同厚度試樣表面分形維數(shù)與裂隙節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.2 Picture of the fractal dimension and the intersection point number on the surface of the samples with different thicknesses

圖3 不同厚度的試樣完全開(kāi)裂后表面裂隙網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Surface crack network of the samples with different thicknesses after completely cracking

分析圖5可知，摻入聚氨酯溶液的試樣其分形維數(shù)與裂隙節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)均大于無(wú)添加的試樣。表明雖然添加低濃度的聚氨酯溶液能夠提升土體的保水性，但是不會(huì)對(duì)土體表面的開(kāi)裂產(chǎn)生抑制作用，反而其表面的破碎程度將被提升。此外，分析表2中各項(xiàng)參數(shù)可知，聚氨酯溶液濃度提升，使得試樣產(chǎn)生土塊的數(shù)量減少，裂隙的長(zhǎng)度及寬度增大，說(shuō)明隨著聚氨酯溶液濃度的增加，土體產(chǎn)生新生裂隙數(shù)量減少，即試樣干縮開(kāi)裂以主裂隙的發(fā)育為主（圖6）。

圖4 不同聚氨酯濃度試樣的蒸發(fā)特征參數(shù)關(guān)系曲線Fig.4 Relationship of evaporation characteristic parameters of the samples with different CPU

圖5 不同聚氨酯摻入濃度試樣表面分形維數(shù)與裂隙節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.5 Picture of the fractal dimension and the intersection point number on the surface of the samples with different CPU

表2 不同聚氨酯濃度的試樣表面開(kāi)裂參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of cracking parameters on the surface of the samples with different CPU

3 機(jī)理分析

試樣在初始含水量相同的條件下，由于蒸發(fā)作用，試樣表面水分不斷減少，使得土體內(nèi)部毛細(xì)作用逐漸增強(qiáng)，底部的水分通過(guò)毛細(xì)管道不斷向上補(bǔ)充（圖7）。圖8表明試樣底部存在的摩擦力，將對(duì)土體的收縮變形產(chǎn)生限制作用，隨著試樣厚度增大，其底部摩擦力對(duì)表面的限制作用有所減弱，甚至消失。

如圖9所示，聚氨酯加固土體的方式可分為包裹土顆粒、填充孔隙及連結(jié)土顆粒。聚氨酯水溶液能夠快速地在試樣內(nèi)部形成一種穩(wěn)定的，具有一定抗拉強(qiáng)度的高分子彈性黏膜。隨著聚氨酯水溶液濃度的增加，這種彈性黏膜將大量“堵塞”土顆粒之間的孔隙通道，導(dǎo)致土體表面的水分得不到及時(shí)補(bǔ)充，從而促進(jìn)了表面裂隙的發(fā)育，加劇了土體表面的破碎程度。然而，在“堵塞”補(bǔ)水通道的同時(shí)，彈性黏膜能夠?qū)ν令w粒進(jìn)行包裹、團(tuán)聚，在一定程度上提升了土體的整體性，有效地減少了因裂隙切割而產(chǎn)生的土塊數(shù)量，從而減緩?fù)馏w表面新生裂隙發(fā)育。

4 結(jié)論

（1）在本次試驗(yàn)所設(shè)定的環(huán)境條件下，較大厚度的試樣，其干燥完全所需時(shí)間長(zhǎng)，表面破碎程度低，裂隙發(fā)育方式主要以原生裂隙的繼續(xù)延伸與側(cè)向擴(kuò)張為主，新生裂隙的產(chǎn)生較少；低厚度試樣干縮開(kāi)裂后表面更為破碎，裂隙主要以新生裂隙的發(fā)育為主。

（2）試樣中添加0～1%濃度的聚氨酯水溶液能夠在一定程度上提升黏性土的持水能力，但效果不明顯。故將在后續(xù)試驗(yàn)中進(jìn)行較高濃度聚氨酯水溶液對(duì)于黏性土干縮開(kāi)裂特性的研究。

圖6 不同聚氨酯濃度的試樣完全開(kāi)裂后表面裂隙網(wǎng)絡(luò)Fig.6 Surface crack network of the samples with different CPU after completely cracking

圖7 土體內(nèi)部的毛細(xì)現(xiàn)象示意圖Fig.7 Schematic diagram of the capillary phenomenon inside soil

圖8 厚度影響?zhàn)ば酝馏w開(kāi)裂示意圖Fig.8 Schematic diagram of thickness affecting cracking of soil

圖9 聚氨酯水溶液與土體相互作用示意圖Fig.9 Schematic diagram of the interaction between polyurethane solution and soil