膨潤土-紅黏土-石英砂基毛細阻滯覆蓋層的實驗研究

王甦宇， 劉愛華， 吳政洲， 鄒家強， 張巍

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 廣州 510642)

滑坡是一種由于人為或自然原因而引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，降雨則是誘發(fā)滑坡的一個重要原因。中外學(xué)者針對降雨滑坡的成因與預(yù)警展開了大量研究[1-4]，其主要成因可以歸結(jié)為：在雨水入滲邊坡土體后，隨著邊坡土體逐漸飽和，土體自重會不斷增加，基質(zhì)吸力也會相應(yīng)減小，最終因土體抗剪強度的下降而引發(fā)了滑坡[5-8]。故通過工程手段來加強邊坡的排水和抗?jié)B能力是減小降雨誘發(fā)滑坡的風(fēng)險的一種重要手段。

對此，有學(xué)者提出使用下伏防護層的毛細阻滯覆蓋層(capillary barrier，CB)來進行邊坡防護。其基本結(jié)構(gòu)包括一層細粒層、一層粗粒層和一層防護層，在細/粗粒層界面處的基質(zhì)吸力達到進水壓力值之前，其能利用細粒層儲蓄入滲的雨水，且能利用細/粗粒層間形成的毛細阻滯作用阻止細粒層中的雨水下滲[9-11]，而防護層則可在細/粗粒層被擊穿時阻止雨水繼續(xù)下滲，且由于防護層的滲透系數(shù)遠小于粗粒層的滲透系數(shù)，故沿著粗粒層和防護層界面方向的滲透系數(shù)遠大于垂直防護層方向的滲透系數(shù)，因此在下伏防護層的CB存在坡度時能使部分雨水順著粗粒層與防護層的界面排出，從而降低了入滲風(fēng)險[12]。相關(guān)的物理實驗與數(shù)值模擬結(jié)果[13-14]指出：下伏防護層的CB能較好地維持邊坡土壤基質(zhì)吸力與安全系數(shù)，具有較強的抗?jié)B性與排水能力。針對此類CB的排水能力的研究[15]指出：隨著粗粒層粒徑變小，顆粒級配變好，其穩(wěn)定排水率呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，而綜合排水率的變化規(guī)律則正好相反。綜合分析以上實驗成果可知，下伏防護層的CB能夠在降雨期間對邊坡起到較好的防護作用。目前此類CB多以普通黏土作為防護層[11-12,15]，故改進其黏土防護層是提高其抗?jié)B性的關(guān)鍵。

目前，對于黏土防護層的改進研究主要是通過使用低滲透性的新材料來提高防護層的抗?jié)B性，但一些材料仍制備復(fù)雜，較難滿足大批量生產(chǎn)需求[13]。紅黏土在中國分布較為廣泛，獲取較為容易，成本較低，而膨潤土既不會對人體造成危害，對周圍環(huán)境的影響也較小，相對環(huán)保安全。故可以考慮將二者作為防滲材料對防護層進行改進。目前針對膨潤土與紅黏土混合物的滲透性與力學(xué)特性的相關(guān)研究[16-19]指出，膨潤土吸水膨脹時能有效填充紅黏土顆粒間的間隙，從而降低了紅黏土的滲透性。此外，針對膨潤土-砂混合物的一些研究[20-22]指出，混合物中的砂可對混合物的膨脹變形與膨脹壓力起到抑制的作用，從而達到減小膨脹變形對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響的目的。然而，關(guān)于紅黏土與膨潤土摻砂后作為CB防護層材料的防滲性能及實用性目前尚無相關(guān)研究報道。

基于上述分析，現(xiàn)采用摻砂的紅黏土與膨潤土混合物作為CB防護層材料，通過綜合考慮混合物的滲透性、膨脹性和抗剪強度來選出合適的膨潤土和石英砂含量(以下均指質(zhì)量分數(shù))，以改良CB的防護層。隨后對CB進行降雨模擬實驗，以研究其在降雨條件下的防滲效果。

1 實驗方法與材料的制備

1.1 各層土樣的選擇

本實驗的材料共分為3類：細粒層材料、粗粒層材料和防護層材料。其中，細粒層材料需具有較高的飽和含水率，而且其飽和滲透系數(shù)不能過大，故選用膨潤土-紅黏土的混合物作為細粒層材料。而粗粒層材料則要有較好的導(dǎo)水能力，且其與細粒層和防護層材料的飽和滲透系數(shù)需有較大差異，故選用粗石英砂作為粗粒層材料。下伏防護層材料則需具有較低的滲透性，以滿足防滲的需要，同時其膨脹性也不能過大，以免對CB的整體穩(wěn)定性造成影響，故選擇摻入適量細石英砂的膨潤土-紅黏土混合物作為防護層材料。本實驗所用膨潤土為鈣基膨潤土，其性能指標(biāo)見表1，所用紅黏土和石英砂的基本物理特性見表2，石英砂的粒徑組成見表3。

表1 膨潤土性能指標(biāo)

表2 紅黏土和石英砂的基本物理特性

表3 石英砂粒徑組成

1.2 實驗方法和設(shè)備

實驗通過測量不同試樣的飽和滲透系數(shù)、自由膨脹率與抗剪強度來確定細粒層與防護層中膨潤土和石英砂的合適含量，并通過對比降雨實驗中無防護結(jié)構(gòu)邊坡與帶下伏防護層CB的邊坡的入滲狀況來驗證CB在防滲方面的有效性。

實驗所用儀器包括TST-55型滲透儀、ZJ應(yīng)變控制式直剪儀、模型箱、XHZ-JY102便攜式全自動人工模擬降雨器、TZT3822EN靜態(tài)信號采集儀和微型孔隙水壓力傳感器。

為便于觀察降雨實驗中雨水入滲的過程，模型箱由透明有機玻璃制成，模型箱的側(cè)壁繪有網(wǎng)格線，模型箱的底部和正面開有排水口并鋪有細鐵絲網(wǎng)，用于模擬自由排水界面，模型箱頂面為降雨-大氣界面，其余側(cè)面均為不排水界面。模型箱的尺寸為長70 cm、寬30 cm、高70 cm。

1.3 實驗過程

1.3.1 土樣制備

先將風(fēng)干后的紅黏土進行破碎和過篩，隨后按實驗需要將一定質(zhì)量的紅黏土與石英砂、膨潤土混合，分別配制膨潤土和石英砂含量不同的試樣(膨潤土質(zhì)量分數(shù)為0～14%，間隔為2%；石英砂質(zhì)量分數(shù)為0～10%，間隔為5%)，并按石英砂含量的不同將試樣分為三個實驗組。其中，石英砂、膨潤土和紅黏土在混合物中的質(zhì)量分數(shù)分別如表4所示，實際實驗過程中各種材料嚴格按照表4中實驗所需質(zhì)量分數(shù)進行土樣制備。

表4 土樣制備過程中紅黏土的質(zhì)量分數(shù)Table 4 The composition of grain diameters of sand

1.3.2 模型制備

無防護結(jié)構(gòu)坡體總厚度為47 cm，帶下伏防護層CB的細粒層、粗粒層和防護層的厚度依次為13、24、10 cm，總厚度為47 cm。在本實驗中，模型從正面排水面起按照20、30、20 cm的間距依次被劃分為坡腳、中段與坡頂3個區(qū)間，并將每個區(qū)間的中線位置設(shè)為監(jiān)測截面，截面1、2和3與排水面的距離依次為10、35、60 cm，在鋪設(shè)土樣前，在各截面底部位置安放微型孔隙水壓力傳感器，傳感器布置位置如圖1所示。兩組模型均采用分層鋪設(shè)的方法，并對每次鋪設(shè)的土層進行擊實。CB按照防護層-粗粒層-細粒層的由下至上順序鋪設(shè)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。兩組模型的頂面均鋪設(shè)了一層2 cm厚的碎石層，以避免因雨水直接沖刷模型表面而造成表面土層的破壞。

圖1 孔隙水壓力傳感器布置Fig.1 Location of the pore water pressure transducers

圖2 CB結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Sketch for the structure of CB

2 膨潤土含量和石英砂含量對不同參數(shù)的影響

首先，實驗為確定細粒層與防護層材料的膨潤土和石英砂含量而按照1.3節(jié)制備相應(yīng)試樣，并測量混合物試樣的飽和滲透系數(shù)、自由膨脹率和抗剪強度，從中選出合適的實驗組，以確定膨潤土和石英砂含量，為后續(xù)的物理模型的模擬降雨實驗做準備。

2.1 對飽和滲透系數(shù)的影響分析

通過實驗所得的不同膨潤土和石英砂含量下試樣的飽和滲透系數(shù)如表5所示。由實驗結(jié)果可知，同一石英砂含量下試樣的飽和滲透系數(shù)會隨著膨潤土含量的增加而逐漸減小，這是由于膨潤土在吸水膨脹后會填充紅黏土顆粒間的孔隙，減少了土中的滲流通道，故摻入膨潤土能有效降低試樣的滲透性。相反地，試樣的飽和滲透系數(shù)隨石英砂含量的增加而逐漸增大，這是因為滲透系數(shù)對滲流通道寬度的變化較為敏感，當(dāng)試樣中砂質(zhì)粗顆粒含量增加時黏質(zhì)細顆粒含量會相應(yīng)下降，土中的滲流網(wǎng)絡(luò)會表現(xiàn)出滲流通道數(shù)量少但通道寬度大的特點[23-24]。故摻入石英砂則會增大試樣的滲透性。

表5 不同膨潤土和石英砂含量下試樣的飽和滲透系數(shù)

2.2 對自由膨脹率的影響分析

實驗所測得的不同膨潤土和石英砂含量下的試樣的自由膨脹率如表6所示，由實驗結(jié)果可知，試樣的自由膨脹率隨膨潤土含量的增加而增大，隨石英砂含量的增大而減小，這是因為膨潤土在吸水膨脹時除了填充紅黏土顆粒間的孔隙，還會造成試樣整體體積的膨脹。而由于石英砂顆粒在吸水后的體積變化率相對于膨潤土顆粒和紅黏土顆粒較小，隨著試樣中石英砂所占比重的增大，混合物總體積的變化也相應(yīng)減小，這表明摻入石英砂能抑制試樣的體積膨脹。

表6 不同膨潤土和石英砂含量下試樣的自由膨脹率

2.3 對抗剪強度的影響分析

通過對不同膨潤土和石英砂含量的試樣開展直剪實驗，得到了試樣內(nèi)摩擦角與黏聚力的變化曲線如圖3所示。由圖3(a)可知，試樣的內(nèi)摩擦角隨著膨潤土含量的增大而減小，隨著石英砂含量的增大而增大；由圖3(b)可知，試樣的黏聚力隨著膨潤土含量的增大而增大，隨著石英砂含量的增大而減小，所得結(jié)果與樂紅志等[25]的研究結(jié)論一致。試樣在不同垂直壓力下的抗剪強度如表7所示，通過對比相同膨潤土摻量下的試樣抗剪強度可知，試樣的抗剪強度隨著石英砂含量的增大而下降，雖然增大石英砂含量能夠提高試樣的內(nèi)摩擦角，但同時卻會減小試樣的黏聚力，而石英砂含量對試樣黏聚力減小的影響更大，因此會表現(xiàn)出如表7中試樣的抗剪強度隨石英砂含量增大而減小的規(guī)律。故試樣中的石英砂含量在滿足控制膨脹性要求的同時還須滿足保證抗剪強度的要求。

圖3 膨潤土含量與石英砂含量對試樣內(nèi)摩擦角與黏聚力的影響Fig.3 Influences of the content of red clay and sand to the internal friction angle and cohesion of the samples

表7 不同垂直壓力下的抗剪強度

2.4 膨潤土含量和石英砂含量的確定

作為細粒層材料，其滲透系數(shù)需與粗粒層材料的滲透系數(shù)具有較大的差異，以形成毛細阻滯效應(yīng)。當(dāng)膨潤土含量等于4%時，石英砂含量為0和5%的試樣與石英砂的滲透系數(shù)之比分別為2.94×103和2.70×103，均已大于吳慶華等[12,15]實驗中細/粗粒層材料的滲透系數(shù)之比2.69×103，且對比表6和表7可知，在膨潤土含量為4%時，石英砂含量為0和5%的試樣的自由膨脹率與抗剪強度基本一致，從節(jié)約成本的角度出發(fā)可將細粒層的膨潤土和石英砂含量分別定為4%和0。

而作為CB下伏防護層的材料，須在滿足抗?jié)B性的要求的同時，亦要滿足控制膨脹性的要求，且具有一定的抗剪強度，以在提高CB抗?jié)B性的同時保證其穩(wěn)定性與安全性。從表5可知，當(dāng)膨潤土含量不小于10%時，試樣的飽和滲透系數(shù)均小于5×10-6cm/s，低于吳慶華等[12,15]研究中作為防護層的黏土的飽和滲透系數(shù)5.3×10-6cm/s，故膨潤土含量不小于10%的試樣均能滿足作為防護層時的抗?jié)B性要求。而當(dāng)膨潤土含量不小于10%時，石英砂含量在滿足膨脹性與抗剪強度要求的情況下應(yīng)盡可能低。由此，綜合對比表5～表7可知，膨潤土含量為12%，石英砂含量為5%時，試樣的自由膨脹率和抗剪強度均比其他組合較符合作為防護層材料的要求。

故綜合上述分析，本文中最終選擇膨潤土含量4%，石英砂含量0的試樣作為細粒層材料，選擇膨潤土含量12%，石英砂含量5%的試樣作為CB下伏防護層的材料。

3 模擬降雨實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述實驗確定的較優(yōu)膨潤土和石英砂含量制備CB的細粒層與防護層材料。在模擬降雨實驗中，為進一步驗證帶下伏膨潤土-紅黏土-石英砂基防護層CB的防滲能力，共設(shè)置了兩組實驗組：第一組為無防護結(jié)構(gòu)邊坡，第二組為帶下伏防護層CB的邊坡。兩組實驗組各層材料組成及其飽和滲透系數(shù)如表8所示。模擬降雨強度均為5.56×10-4cm/s，降雨時長均為305 min，邊坡坡度均為12°。實驗時每隔5 min記錄一次3個截面位置雨水入滲的深度，同時，每組模型的底部均埋設(shè)有微型孔隙水壓力傳感器以監(jiān)測雨水入滲至模型底部的時間和狀況，傳感器的采集間隔為1 min，同時實驗還對每組模型各截面底部的土樣在降雨前后的含水率進行測量，以此來評價CB的抗?jié)B效果。

表8 不同實驗組各層材料組成與飽和滲透系數(shù)

3.1 降雨入滲狀況分析

無防護結(jié)構(gòu)邊坡與帶下伏防護層CB的邊坡的3個截面位置的降雨入滲深度變化曲線如圖4所示，兩組邊坡在降雨期間底部的孔隙水壓力變化如圖5所示，兩組邊坡的濕潤峰遷移過程如圖6所示，兩組邊坡在同一時間下的入滲狀況如圖7所示。圖4中無防護結(jié)構(gòu)邊坡3個截面位置雨水入滲深度變化分別在240、271、276 min達到了47 cm，且從圖5中可以看出無防護結(jié)構(gòu)邊坡底部3個截面位置的孔隙水壓力分別在242、272、275 min發(fā)生了變化；同時，觀察圖4中帶下伏防護層CB的邊坡截面1處降雨入滲深度變化曲線在272 min時由傾斜變?yōu)樗?，說明雨水入滲深度在此時達到了47 cm，且如圖5所示，帶下伏防護層CB的邊坡底部截面1處的孔隙水壓力在273 min時發(fā)生了變化。以上分析表明通過實驗箱側(cè)壁觀察到的雨水入滲深度變化時間與傳感器的響應(yīng)時間基本一致，因此后續(xù)實驗狀況可以采用實驗箱側(cè)壁觀察到的雨水入滲深度變化對雨水入滲狀況進行描述。

圖4 兩組邊坡的入滲深度變化Fig.4 Variation of the infiltration depth of two groups of slopes

圖5 兩組邊坡的孔隙水壓力變化Fig.5 Variation of pore water press of two groups of slopes

圖7 兩組邊坡同一時間下的入滲狀況對比Fig.7 Comparison of infiltration of two groups of slopes at the same time

由于無防護結(jié)構(gòu)邊坡為單一結(jié)構(gòu)，各部分的滲透系數(shù)基本一致，因此降雨期間入滲速度基本一致，故從圖4中可以看出，無防護結(jié)構(gòu)邊坡3個截面位置的降雨入滲深度變化曲線在深度達到47 cm前近乎為斜直線。同時對比3條曲線在同一時間下的入滲深度可以看出，截面1處的深度最大，截面2處的深度次之，截面3處的深度最小，這說明降雨時雨水在坡腳位置的入滲速度最快，中段與坡頂位置相對較慢，這與圖6(a)中濕潤峰遷移狀況相符合，這是由于入滲雨水在坡度與重力的作用下會沿著傾斜方向朝著坡腳位置不斷積聚，造成坡腳位置雨水入滲速度要大于其余位置。

而由于帶下伏防護層CB的邊坡為分層結(jié)構(gòu)，細粒層、粗粒層與防護層3部分的滲透系數(shù)各不相同，雨水在入滲不同土層時的入滲速度差別較大，因此圖4中帶下伏防護層CB的邊坡的3條降雨入滲深度變化曲線均為分段折線，且3條曲線在深度為13 cm時均有一段水平部分，這是因為13 cm處為CB的細/粗粒層的交界面，在交界面處的基質(zhì)吸力未下降至其進水壓力值前，在交界面處形成的毛細阻滯作用會阻礙雨水滲入粗粒層，使雨水暫時滯留在細粒層中；同時，截面1與截面2的曲線在深度為37 cm時均有一段水平部分，這是因為37 cm處為粗粒層與防護層的交界面，而垂直防護層方向的滲透系數(shù)遠低于沿著粗粒層與防護層之間界面方向的滲透系數(shù)，因此穿過粗粒層的雨水較難垂直入滲防護層，而是在重力作用下沿著粗粒層與防護層的界面向坡腳方向流動，因此截面2的曲線在深度達到37 cm后便不再繼續(xù)增大而是保持水平變化；而截面1的曲線則在水平變化一段時間后繼續(xù)增大，這主要是由于截面1位置不僅有來自上方入滲的雨水，同時還有因重力作用而從坡頂和中段位置向該位置滲流的雨水，當(dāng)雨水總的滲流量超過了粗粒層-防護層界面單位時間所能排出的最大水量時，雨水便會入滲防護層，因此截面1處的曲線在深度達到了37 cm后依舊會繼續(xù)增大，而這也與圖6(b)中濕潤峰的遷移狀況相一致。

圖6 兩組邊坡的濕潤峰遷移過程Fig.6 Process of transference of the wetting-front of two groups of slopes

同時，對比圖4中兩組邊坡在同一截面位置的降雨入滲深度變化曲線可以看出，在同一時間點上，帶下伏防護層CB的邊坡的3條曲線達到的深度要小于無防護結(jié)構(gòu)邊坡3條曲線所達到的深度，因此雨水在帶下伏防護層CB的邊坡中的入滲速度要小于在無防護結(jié)構(gòu)邊坡中的入滲速度；此外，對比圖4、圖6和圖7中兩組邊坡中雨水所達到的最深位置，以及表9中各組模型底部土樣降雨前后含水率的變化，均可以看出在降雨過后，雨水完全滲入了無防護結(jié)構(gòu)坡體的底部，而帶下伏防護層CB的邊坡在截面2和3處的雨水入滲深度仍維持在粗粒層與防護層交界面位置或以上，比無防護結(jié)構(gòu)在同一截面位置的入滲深度分別淺10 cm和15.5 cm，這也是圖5中帶下伏防護層CB的邊坡缺少截面2和3底部孔隙水壓力變化曲線的原因。由此，說明了CB在阻止雨水入滲邊坡方面具有較好的作用。

表9 兩組邊坡底部土樣在降雨前后的含水率

3.2 排水狀況分析

對于無防護結(jié)構(gòu)邊坡，雨水在整個入滲過程中都保持均勻入滲，同時排水面也未出現(xiàn)任何明顯的排水現(xiàn)象，這是由于紅黏土的排水能力較差，降雨期間入滲的雨水大部分積蓄在土體中。

對于帶下伏防護層CB的邊坡，雨水在細粒層中的入滲方式與無防護結(jié)構(gòu)邊坡基本一致，排水面也未出現(xiàn)明顯的排水現(xiàn)象；在降雨開始后175 min，雨水入滲到粗粒層與防護層之間的界面處，在降雨開始后約180 min，靠近防護層位置的粗粒層開始出現(xiàn)排水現(xiàn)象，這是由于防護層的滲透系數(shù)低，而粗粒層的滲透系數(shù)大，穿過粗粒層的雨水較難繼續(xù)下滲，在坡度和重力的作用下，雨水容易沿著粗粒層-防護層的界面排出。該排水過程持續(xù)到降雨結(jié)束約87 min后停止，總計排水時間為217 min。對比無防護結(jié)構(gòu)邊坡，帶下伏防護層的CB能夠在降雨期間將一部分入滲的雨水以側(cè)向滲流的方式從CB中排出，從而減少了雨水的入滲量，增強了防滲的效果。

3.3 針對CB防滲效果與不足的分析

綜上所述，在降雨期間，對比無防護結(jié)構(gòu)邊坡，CB首先能夠利用細/粗粒層間的毛細阻滯作用阻止部分雨水下滲，當(dāng)雨水入滲粗粒層后，粗粒層下方的防護層能夠?qū)ψ柚褂晁^續(xù)下滲起到一定作用，同時粗粒層與防護層間的界面能夠起到側(cè)向?qū)诺淖饔?，將部分入滲粗粒層的雨水沿著交界面排出，因此CB能夠在降雨期間起到一定的抗?jié)B導(dǎo)排的作用，同時也證明了以紅黏土、膨潤土和石英砂混合物為材料的防護層能夠在雨水穿過粗粒層后起到一定的防滲作用。

但在降雨實驗后期，仍有部分雨水入滲至CB坡腳位置的防護層中，這是因為在重力作用下中段與坡頂位置的雨水也會朝著坡腳匯聚，這使得雨水總的滲流量超過了粗粒層-防護層界面單位時間所能排出的最大水量，因此雨水會下滲進入防護層，故在未來的研究中需要對CB在這一位置的抗?jié)B能力進行增強，或是將CB與其他導(dǎo)排結(jié)構(gòu)相結(jié)合以提高CB在該位置的側(cè)向?qū)拍芰?，從而及時將雨水側(cè)向排出，降低雨水繼續(xù)入滲的風(fēng)險。

4 結(jié)論

采用了膨潤土-紅黏土-石英砂混合物替代常用的黏土作為CB防護層材料，通過實驗研究了膨潤土和石英砂含量對混合物的滲透性、膨脹性和抗剪強度的影響，并進行了降雨條件下防滲效果的對比實驗研究，得到如下主要結(jié)論。

(1)紅黏土中摻入膨潤土能有效降低紅黏土的滲透性，而適量摻入石英砂則可以減小膨潤土對混合物膨脹性的影響，在綜合考慮混合物的滲透性、膨脹性和抗剪強度后，發(fā)現(xiàn)膨潤土和石英砂的合適含量分別為12%和5%時，試樣的飽和滲透系數(shù)、自由膨脹率和抗剪強度均比其他組合更符合作為防護層材料的要求。

(2)降雨實驗發(fā)現(xiàn)，雨水可以直接滲入無防護結(jié)構(gòu)邊坡底部，且邊坡未出現(xiàn)明顯排水現(xiàn)象。但對于帶下伏防護層的CB的邊坡，雨水則會從粗粒層-防護層界面排出，總計排水時長217 min，且其在中段和坡頂?shù)娜霛B深度分別比無防護結(jié)構(gòu)邊坡淺10 cm和15.5 cm，其抗?jié)B能力明顯優(yōu)于無防護結(jié)構(gòu)邊坡。

(3)實驗證明了膨潤土-紅黏土-石英砂混合物作為CB下伏防護層具有一定抗?jié)B作用。但實驗結(jié)果也顯示坡腳位置是CB的抗?jié)B薄弱點，較容易被雨水滲入，在實際工程應(yīng)用中需要強化CB在該位置的抗?jié)B性或強化該位置的導(dǎo)排能力。