李 骞,罗 璟,裴向军,曾坤翔,单诗涵,2,江荣昊

(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059;2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 国际工程分公司,成都 610072)

0 引 言

派墨公路起于米林县派镇,穿越多雄拉山体后沿多雄河展线,经汗密、老虎嘴隧道,止于墨脱县解放大桥,全线长约66.7 km,是到达墨脱的重要交通要道。敏感脆弱的生态环境、复杂的地质条件、多变的气候条件都对派墨公路开挖边坡的稳定性防护和生态恢复工作提出了更高的要求。

多雄拉工业广场边坡是派墨公路沿线开挖面积最大、海拔最高的开挖边坡。该区域气候寒冷,全年冻结期可达6～7个月,年均气温较低,冻融侵蚀严重。开挖边坡冰水堆积体胶结断裂,结构松散,植被无法生长,水土流失严重。传统的工程护坡技术以防灾救灾为主,能有效提高边坡稳定性,但大多结构选择以钢筋、混凝土为主,易造成环境污染,破坏生态景观。为认真贯彻落实习近平总书记在西藏和平解放70周年之际提出的“加强重要江河流域生态环境保护和修复,统筹水资源合理开发利用和保护”精神,通过研发适用于高寒地区的生态加固技术,在提升边坡浅表层稳定性的同时,解决生态恢复难题。

目前,化学和物理加固技术用于土壤结构改良的研究不断增加。在化学加固技术上,夏海江等[1]提出聚丙烯酰胺(Polyscrylamide,PAM)固化剂能有效降低坡面土壤侵蚀。陈涛等[2]选择高强水稳土壤固化剂(High Strength and Water Stability Earth Consolidator,HEC)提高土体强度和抗侵蚀能力。张丽萍[3]通过对比研究4种土壤固化剂对黄土力学特性的影响,总结出路邦(EN-1)和路康(LUKANG)材料更适用于黄土边坡坡面防护工程。裴向军等[4-6]用改性钠羧甲基纤维素(Modified Carboxymethyl Cellulose,M-CMC)提高土体水稳性和强度,研究其抗降雨侵蚀特性和抗冻融特性。随着研究的进一步深入,越来越多的新型材料用于化学固土和边坡防护中[7-9],在物理加固技术上,天然植物纤维作为物理加筋材料在土壤结构改良的应用越来越广泛,深受人们关注。植物纤维具有耐久、质轻、无污染等特点,引入基材加固中也可以提高抗压强度、抗剪强度[10]和保水性[11]。因此该技术在边坡加固和生态修复领域已成为未来重要发展方向。在边坡防护措施中,化学加固技术和物理加筋固土技术都得到了广泛的应用,但在化学固化土中加入植物纤维的研究较少。

此外,温度是高寒地区影响土体结构的重要因素,国内外对冻融侵蚀的研究主要集中在冻融循环对土壤结构及物理力学性质的影响[12-13]。冻融过程是土体从活跃向稳定发展过程,多次冻融改变了土壤的物理性质,原始胶结结构逐渐破坏,颗粒重新排列,土体结构疏松,渗透性改变,黏聚力不断降低[14-16]。因此,研究温度对秸秆纤维加筋固化土的力学性质的影响对其在高寒地区的应用具有重要意义,而目前有关秸秆纤维加筋固化土性能指标和抗冻融特性的研究甚少。

成都理工大学裴向军教授团队已将改性材料用于九寨沟挡墙修复、若尔盖沙化治理等工程实践中,在此基础上,该课题组将秸秆纤维与改性材料结合在一起,探究其抗冻融性能。因此,选择合适的掺量是秸秆纤维加筋固化土研究过程中优先需要考虑的问题。

本文结合多雄拉工业广场开挖边坡气候特征,选取改性材料和秸秆纤维加固砂土,设计正交试验,测试不同配比下加固土的基础物理力学性能,筛选主控因素,探寻次要因素的最优掺量,并进一步研究在主控因素为单一变量情况下的抗冻融特性,确定最优掺量。结合扫描电镜试验,探求秸秆纤维加筋固化土的内在机制,以期解决高寒地区开挖边坡冻融侵蚀严重、生态修复等难题。

1 试验设计

1.1 试验材料

试验材料有砂土、改性材料、秸秆纤维和水,砂土取自多雄拉工业广场开挖后的冰碛堆积物,经自然风干后过2 mm筛使用,筛分后砂土的物理性能指标见表1。改性材料为成都理工大学裴向军教授团队自主研发的改性M-CMC材料,由2种有机高分子材料混合而成,纤维选用长度10 mm的小麦秸秆,水为自来水。

表1 砂土物理性能指标Table 1 Physical performance indices of sand

1.2 试验制备

按设计配比称取材料,将4种材料混合搅拌均匀,采用1.65 g/cm3的制样密度填充到不同的模具中,养护7 d固结成型后,测定物理力学特性。

图1 试验材料与试样Fig.1 Test materials and specimens

1.3 试验和数据分析方法

1.3.1 物理力学特性试验

在室内试验中选用改性材料、水和秸秆纤维作为主要控制因素,通过查阅相关文献,确定改性材料一般占土质量比为0.144%～0.324%[6]、水占土质量比为12%～18%(根据砂土最优含水率确定),秸秆纤维占砂土质量比为0.1%～0.3%[10]。参照加固土的最大干密度的90%和最优含水率设计[17],本次试验采用的因素与对应的水平数见表2,因素A、B、C分别为改性材料、水、秸秆纤维的占土质量比。设计L9(34)正交试验如表3所示,此外对照组ck只添加质量占比为12%的水。为了研究材料配比对渗透性和强度的影响,本文对不同配比的加固土进行渗透性测试和抗剪强度测试,试验方法参照《土工试验方法标准》(GB /T 50123—2019)[18]进行。

表2 试验因素与水平Table 2 Test factors and levels

表3 正交试验设计Table 3 Desigh of orthogonal test

1.3.2 抗冻融性能试验

选择500 cm3的环刀制样,放入真空饱和仪中完全饱和,擦拭表面水分,称重后放入冻融循环机。根据研究区气象水文条件,冻结温度设定为-20 ℃,时长4 h;融化温度设定为20 ℃,时长4 h,为1次冻融循环完成,相比正常的冻结24 h和融化24 h,频率加快,加速了试样冻融响应过程[19-20]。每2次冻融循环后沥干表面水分称取试样质量,测试0、2、4、6次循环后试样渗透系数和抗剪强度。通过抗冻融性能试验,研究加固土质量变化、渗透性变化和抗剪强度变化。渗透性测试和抗剪强度测试的试验方法同上文所述。

1.3.3 SEM微观结构试验

扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)微观结构测试采用成都理工大学生态环境学院的Prisma E扫描电镜设备。将养护后的试样敲碎成小块,用吸力球去除表面浮土,得到结构完整的天然断面,再放在镜下观察。

2 试验结果与分析

2.1 正交试验性能指标分析

2.1.1 渗透性试验

加固土的渗透性能与植被水肥补给和稳定性密切相关。渗透性过低时,降雨或灌溉水分易沿坡面径流流失,土壤板结,影响植被生长。渗透性过高时,土体易饱和,孔隙水压力增加,强度减弱,易失稳。通过研究加固土与纯土的渗透性能,对比改性材料和秸秆纤维对土渗透性的影响。

正交试验不同试样渗透系数如图2所示。在天然状况下,对照组纯土试样渗透系数为9.344×10-4cm/s,不同配比加固土的渗透系数均小于纯土。1#试样为3个变量都是低掺量的情况,渗透系数接近纯土,相比纯土,降低幅度最小,约为8%。4#、7#和8#试样改性材料和秸秆纤维两者都为高掺量,渗透系数较为接近且渗透性较高。2#和5#试样含水率为15%,掺入低掺量的改性材料和秸秆纤维,土中胶结作用增强,基质吸力增大,水分运移通道受阻,渗透系数中等。3#、6#和9#试样含水率为18%,改性材料中的活性官能团竞争吸附颗粒表面的水分子,土粒聚集更为明显,细颗粒之间排列更为紧密,孔隙率降低,使其渗透系数偏低,降低幅度分别为60%、55%和67%。

图2 不同试样渗透系数对比Fig.2 Comparison of permeability of different samples

2.1.2 直接剪切试验

将根土复合剪切仪的数据按《土工试验方法标准》进行处理,获得试样黏聚力c和内摩擦角Φ,结果如图3所示。

图3 不同试样抗剪强度对比Fig.3 Comparison of shear strength of different samples

与纯土试样相对比,所有加固土试样黏聚力均大于纯土,其中1#和9#试样,提高效果不明显。1#试样的3个变量都为最低,加固效果不明显。9#试样秸秆纤维掺量为0.1%,改性材料掺量为0.324%,抗剪强度提高不明显。剩余试样黏聚力显著提高,其中5#试样各因子掺量分别为0.234%、15%和1%时,黏聚力最大为107 kPa,与未加固土相比,黏聚力提高幅度为70%。

内摩擦角变化范围为32.33°～36.96°,变化范围不大,可知改性材料和秸秆纤维对内摩擦角几乎无影响,这与现阶段国内外研究结论一致。

2.1.3 正交试验结果分析

通过SPSS软件,选择一般线性分析,分析各因素对加固土试验性能的影响,如表4和图4所示。K1、K2、K3为极差分析中的3个指标。

注:图(b)中实线图例、虚线图例分别对应黏聚力、内摩擦角。

表4 测试结果极差分析Table 4 Range analysis of test results

由表4和图4可知:

(1)对于因素A(改性材料),在渗透性试验测试结果中,极差居中,改性材料对渗透系数影响居中。在直剪试验中,改性材料极差最小,对抗剪强度影响最小。当掺量为0.234%时,黏聚力c存在极大值,渗透系数中等,存在最优掺量可能性。扰损边坡生态修复中,加固土强度增加,土体的孔隙变小,渗透性能减弱,不利于植物生长。因此,改性材料掺量不宜过高,选择占土质量的0.234%为最优掺量。

(2)对于因素B(水)。在渗透性试验中,极差RB>RA>RC, 因素B极差最大,对土体渗透性能影响最大,是该指标的主要影响因素。在直剪试验中,极差居中,对抗剪强度影响居中。

在渗透性试验中,当含水率为18%时,渗透系数最小。其原因为此时仍存在改性材料与水的竞争吸附作用,更多的土颗粒聚集成团,孔隙减少,加固土渗透系数降低。在直剪试验中当掺量为15%时,c存在极大值,可视为最优掺量。Φ的因素主次为RB>RA>RC,但其值变化范围为33.2°～35.7°,变化幅度不大,对内摩擦角几乎无影响。综合考虑,水掺量占土体质量的15%时抗剪强度最优,渗透系数居中,视为最优掺量。

(3)对于因素C(秸秆纤维),在渗透试验中,极差最小,秸秆纤维对渗透性影响最小。在黏聚力的影响因素主次分析中,RC>RB>RA, 秸秆纤维极差最大,是该指标的主要影响因素。黏聚力变化范围较大,对黏聚力影响显著。

由图4可知,秸秆掺量提高,加固土黏聚力增加,当掺量为最大值0.3%时,c最大,但未出现极大值。综合考虑,秸秆掺量的3种配比中,0.3%为最优。在渗透性和强度试验中,与其他材料相比,秸秆纤维对土体黏聚力的影响最大。

针对多雄拉工业广场扰损边坡存在浅表层崩落特征,为进一步提高基材稳定性,应将强度试验作为首要考虑因素。通过以上试验结果分析可以得出:主控因素依次为C(秸秆纤维)>B(水)>A(改性材料)。次要因素A和B的最优掺量占砂土质量比分别为0.234%和15%。

2.2 抗冻融性能试验结果分析

根据前文秸秆纤维加筋固化土物理力学特性的研究,已确定次要因素的最优掺量,但主控因素秸秆掺量0.1%～0.3%的提高,c并未出现极大值。因此,为进一步研究秸秆纤维加筋固化土的抗冻融性能,提高秸秆掺量,将秸秆掺量设计为0.3%、0.6%、0.9%,其余改性材料和水掺量设定为最优掺量0.234%和15%。试验号按秸秆掺量由少至多设定为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,每个处理水平设置3个重复试样,计算其平均值,设置不同对照试验组ck,观察冻融循环后强度变化。

2.2.1 质量变化试验

质量变化试验过程中,质量称取前后试样皆为饱和状态,通过使用便携式含水率测定仪对冻融后的试样进行测定,发现冻融前后试样中的含水率变化很小,质量变化主要为颗粒掉落导致。高含水率的试样在低温条件下水分固结成冰,膨胀体积变大,土壤结构破坏,试样膨胀开裂,表面颗粒掉落。在冻融循环条件下,土体经受反复冻缩作用,裂隙多次闭合开裂直至贯通,局部变形严重,试样破坏加剧,土颗粒“掉粒”加速,质量逐渐减少,但仍有较好完整性。

试样质量变化如图5所示,加固土随冻融循环次数的增加,其质量逐渐损失,当秸秆掺量为0.3%和0.6%时,质量损失速率几乎相同。但当秸秆掺量提高到0.9%时,加固土质量损失加大,但小于非加固土。其原因为秸秆纤维拌入土体后,可视为粗颗粒。当粗颗粒含量过多增加时,土体内部孔隙增大,饱和处理后,自由水含量增加,在冻融作用下,高掺量的基材冻胀现象更明显,土体脱落更严重。当冻融次数为2时,Ⅲ试样质量损失略大于非加固土。当冻融次数>6时(如图5中竖直点划线右侧所示),加固土中质量损失率加大,已逐渐接近纯土,主要与改性材料加速消解劣化,不可逆微裂隙逐渐贯通,加固作用逐渐消失有关。但当加固土经历10次冻融循环后,质量仍大于非加固土,其原因为随冻融次数的增加,改性材料的胶结作用和秸秆纤维的拉筋作用仍存在。

图5 冻融作用下试样质量变化曲线Fig.5 Mass change curves of specimens under freeze-thaw cycles

由图5可知,当冻融次数<6时,质量损失率呈减小趋势,材料消解劣化较少,胶结加固作用在土样中广泛存在。冻融循环次数已满足该地区实际生态修复工程需要,为减少试验工作量,选择材料加速劣化点之前的循环次数进一步研究加固土渗透性和强度。

2.2.2 渗透性试验

如图6所示,在冻融0次时,土体处于自然状态,秸秆掺量增高,加固土渗透系数基本一致,均小于未加固土。经历6次冻融循环后,加固土渗透系数增加,未加固土反而降低。冻融6次后的试样中低秸秆掺量的渗透系数变化不大,秸秆掺量为0.6%和0.9%时,渗透系数随冻融次数增加而升高,且规律一致,均>0.3%低掺量的加固土。秸秆纤维掺入土体后,充当粗颗粒,土体粗颗粒数量增加,颗粒之间孔隙变多。伴随冻融次数的增加,改性材料和秸秆纤维形成的孔隙变大,渗透系数增加。

图6 冻融作用下试样渗透系数变化曲线Fig.6 Variation of permeability coefficient under freeze-thaw cycles

2.2.3 直接剪切试验

冻融作用下试样抗剪强度指标变化如图7所示。

图7 冻融作用下试样抗剪强度指标变化曲线Fig.7 Variation of shear strength indices under freeze-thaw cycles

由图7可知:

(1)在0次冻融循环时,加固土的抗剪强度明显优于纯土,改性材料提供的范德华力和秸秆纤维的拉筋作用,使其黏聚力高于纯土,其中0次冻融时的黏聚力Ⅲ试样黏聚力较低,只有74.6 kPa。

(2)在冻融循环2次时,高掺量秸秆纤维加固土的黏聚力开始小于纯土且降低幅度较大。主要原因为当秸秆掺量过高时,土壤粗颗粒物质增多,改性材料包裹作用减弱,颗粒间胶结变弱,黏聚力大幅度减小。

(3)当冻融循环次数为4时,加固土Ⅰ和Ⅱ试样抗剪强度减小,但仍远大于纯土,与加固土中改性材料的胶结作用和秸秆纤维的拉筋作用有关。

(4)当冻融循环次数为6时,改性材料消解或者劣化。同时土体冻胀效应增加,加固土孔隙进一步增大,黏聚力降低。在冻融6次循环中,内摩擦角变化很小,分析可得改性材料和秸秆纤维在冻融作用下,对内摩擦角仍影响较小,与现阶段国内外研究结论一致。

结合质量、渗透系数和强度变化试验,可以分别得出,在冻融循环作用下,秸秆掺量为0.3%和0.6%时质量损失最小,0.3%的渗透系数变化最小,Ⅰ试样(0.3%的秸秆掺量)冻融循环4次后强度仍为最高,可视为抗冻融性能优越的基材,其掺量分别为改性材料0.234%、水15%和秸秆纤维0.3%。

3 改良作用机理研究

扫描结果如图8所示,将扫描后加固土与未加固土在不同倍数镜头下对比分析,可以看出,纯砂土结构松散,粗颗粒棱角分明,细颗粒与粗颗粒之间孔隙较多,填充胶结物较少,孔隙较大。加固土在72倍镜头下,颗粒之间聚集成团,紧密排列,孔隙减小,能明显观察秸秆纤维与土体接触,其中凹陷处,秸秆纤维发挥其抗拉性能,提高土体稳定性。在500倍镜头下,秸秆纤维表层被细颗粒包裹挤压,其弯曲部位还会对土颗粒产生约束作用,限制土体的变形。片状石英(SiO2)的表层被细颗粒包裹,同时细颗粒表层形成一道“织网”。

图8 扫描电镜对比Fig.8 Comparison of SEM images

纤维属于塑性材料,其优越的抗拉性能使得弹性模量远高于土体,当外部施加荷载时,土颗粒与秸秆纤维同时受力,两者变形的差距导致两者发生错位摩擦,纤维产生界面力,其大小主要取决于界面摩擦力和黏结力。同时,界面力对纤维的相对滑动起限制作用,土体剪切变形时产生的裂缝使土体中的纤维能承受一定的拉应力,从而起到分担外部荷载和防止应力集中的作用[21]。此外,秸秆纤维在土体中的三维网状结构约束了土体变形,防止破坏面的形成,这有利于提高土体的力学性质。

土样中加入秸秆纤维和改性材料后,改性材料将秸秆纤维和土颗粒胶结在一起,形成砂土-固化剂-秸秆纤维耦合作用的土壤团聚体,改善砂土结构松散、缺乏胶结而抗冻性差的缺点,从而提高土体的力学性能。其作用机理为:改性材料固化剂中的活性官能团吸附在土颗粒表面发生化学反应,黏粒之间的公共水化膜增多,公共反离子层变薄,水胶连接增强,土粒聚集明显,黏结力加大。同时秸秆纤维表面粘结胶状物质,通过纤维之间缠绕团聚粒,使颗粒间形成网状交错结构的团聚体。两种材料共同约束土颗粒变形和运动,提高土体强度。不同掺量的改性材料和秸秆纤维在受力作用时,呈现不同加强机理,改性材料的掺量过多时,细颗粒大量聚集,反而导致大的孔隙在土体中形成,孔隙结构分布不均匀,其水稳性和力学性能降低。秸秆掺量过多时,土颗粒之间胶结作用变差,黏聚力降低。改性材料参与土体内部化学反应,增加水化膜胶结作用。秸秆纤维起抗拉作用约束土体变形。两者相互结合,在合适配比区间,共同增强秸秆纤维加筋固化土基本物理力学特性。

4 结 论

本文采用秸秆纤维和改性材料作为土壤改良剂,增强砂土的物理力学特性,通过加固土性能指标测试和抗冻融性能测试,结合扫描电镜试验分析揭示改良机理,得出结论如下:

(1)在基本力学性能方面,砂土中加入合适配比的改性材料和秸秆纤维后,降低了土体渗透性,增加了土体的黏聚力,内摩擦角基本保持不变。

(2)含水率对土体渗透性能影响显著,秸秆纤维对土体黏聚力影响显著。

(3)在抗冻融性能方面,秸秆纤维固化土渗透系数随冻融次数的增加而升高,加固土和纯土强度随冻融次数增加而降低,但纤维掺量为0.3%和0.6%时,加固土整体黏聚力高于纯土。

(4)当改性材料、水、秸秆纤维分别占砂土质量的0.234%、15%和0.3%时,秸秆纤维加筋固化土的抗冻融性能最佳。