李 騫,羅 璟,裴向軍,曾坤翔,單詩涵,2,江榮昊

(1.成都理工大學 地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室,成都 610059;2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司 國際工程分公司,成都 610072)

0 引 言

派墨公路起于米林縣派鎮(zhèn),穿越多雄拉山體后沿多雄河展線,經(jīng)汗密、老虎嘴隧道,止于墨脫縣解放大橋,全線長約66.7 km,是到達墨脫的重要交通要道。敏感脆弱的生態(tài)環(huán)境、復雜的地質條件、多變的氣候條件都對派墨公路開挖邊坡的穩(wěn)定性防護和生態(tài)恢復工作提出了更高的要求。

多雄拉工業(yè)廣場邊坡是派墨公路沿線開挖面積最大、海拔最高的開挖邊坡。該區(qū)域氣候寒冷,全年凍結期可達6～7個月,年均氣溫較低,凍融侵蝕嚴重。開挖邊坡冰水堆積體膠結斷裂,結構松散,植被無法生長,水土流失嚴重。傳統(tǒng)的工程護坡技術以防災救災為主,能有效提高邊坡穩(wěn)定性,但大多結構選擇以鋼筋、混凝土為主,易造成環(huán)境污染,破壞生態(tài)景觀。為認真貫徹落實習近平總書記在西藏和平解放70周年之際提出的“加強重要江河流域生態(tài)環(huán)境保護和修復,統(tǒng)籌水資源合理開發(fā)利用和保護”精神,通過研發(fā)適用于高寒地區(qū)的生態(tài)加固技術,在提升邊坡淺表層穩(wěn)定性的同時,解決生態(tài)恢復難題。

目前,化學和物理加固技術用于土壤結構改良的研究不斷增加。在化學加固技術上,夏海江等[1]提出聚丙烯酰胺(Polyscrylamide,PAM)固化劑能有效降低坡面土壤侵蝕。陳濤等[2]選擇高強水穩(wěn)土壤固化劑(High Strength and Water Stability Earth Consolidator,HEC)提高土體強度和抗侵蝕能力。張麗萍[3]通過對比研究4種土壤固化劑對黃土力學特性的影響,總結出路邦(EN-1)和路康(LUKANG)材料更適用于黃土邊坡坡面防護工程。裴向軍等[4-6]用改性鈉羧甲基纖維素(Modified Carboxymethyl Cellulose,M-CMC)提高土體水穩(wěn)性和強度,研究其抗降雨侵蝕特性和抗凍融特性。隨著研究的進一步深入,越來越多的新型材料用于化學固土和邊坡防護中[7-9],在物理加固技術上,天然植物纖維作為物理加筋材料在土壤結構改良的應用越來越廣泛,深受人們關注。植物纖維具有耐久、質輕、無污染等特點,引入基材加固中也可以提高抗壓強度、抗剪強度[10]和保水性[11]。因此該技術在邊坡加固和生態(tài)修復領域已成為未來重要發(fā)展方向。在邊坡防護措施中,化學加固技術和物理加筋固土技術都得到了廣泛的應用,但在化學固化土中加入植物纖維的研究較少。

此外,溫度是高寒地區(qū)影響土體結構的重要因素,國內外對凍融侵蝕的研究主要集中在凍融循環(huán)對土壤結構及物理力學性質的影響[12-13]。凍融過程是土體從活躍向穩(wěn)定發(fā)展過程,多次凍融改變了土壤的物理性質,原始膠結結構逐漸破壞,顆粒重新排列,土體結構疏松,滲透性改變,黏聚力不斷降低[14-16]。因此,研究溫度對秸稈纖維加筋固化土的力學性質的影響對其在高寒地區(qū)的應用具有重要意義,而目前有關秸稈纖維加筋固化土性能指標和抗凍融特性的研究甚少。

成都理工大學裴向軍教授團隊已將改性材料用于九寨溝擋墻修復、若爾蓋沙化治理等工程實踐中,在此基礎上,該課題組將秸稈纖維與改性材料結合在一起,探究其抗凍融性能。因此,選擇合適的摻量是秸稈纖維加筋固化土研究過程中優(yōu)先需要考慮的問題。

本文結合多雄拉工業(yè)廣場開挖邊坡氣候特征,選取改性材料和秸稈纖維加固砂土,設計正交試驗,測試不同配比下加固土的基礎物理力學性能,篩選主控因素,探尋次要因素的最優(yōu)摻量,并進一步研究在主控因素為單一變量情況下的抗凍融特性,確定最優(yōu)摻量。結合掃描電鏡試驗,探求秸稈纖維加筋固化土的內在機制,以期解決高寒地區(qū)開挖邊坡凍融侵蝕嚴重、生態(tài)修復等難題。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

試驗材料有砂土、改性材料、秸稈纖維和水,砂土取自多雄拉工業(yè)廣場開挖后的冰磧堆積物,經(jīng)自然風干后過2 mm篩使用,篩分后砂土的物理性能指標見表1。改性材料為成都理工大學裴向軍教授團隊自主研發(fā)的改性M-CMC材料,由2種有機高分子材料混合而成,纖維選用長度10 mm的小麥秸稈,水為自來水。

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

1.2 試驗制備

按設計配比稱取材料,將4種材料混合攪拌均勻,采用1.65 g/cm3的制樣密度填充到不同的模具中,養(yǎng)護7 d固結成型后,測定物理力學特性。

圖1 試驗材料與試樣Fig.1 Test materials and specimens

1.3 試驗和數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 物理力學特性試驗

在室內試驗中選用改性材料、水和秸稈纖維作為主要控制因素,通過查閱相關文獻,確定改性材料一般占土質量比為0.144%～0.324%[6]、水占土質量比為12%～18%(根據(jù)砂土最優(yōu)含水率確定),秸稈纖維占砂土質量比為0.1%～0.3%[10]。參照加固土的最大干密度的90%和最優(yōu)含水率設計[17],本次試驗采用的因素與對應的水平數(shù)見表2,因素A、B、C分別為改性材料、水、秸稈纖維的占土質量比。設計L9(34)正交試驗如表3所示,此外對照組ck只添加質量占比為12%的水。為了研究材料配比對滲透性和強度的影響,本文對不同配比的加固土進行滲透性測試和抗剪強度測試,試驗方法參照《土工試驗方法標準》(GB /T 50123—2019)[18]進行。

表2 試驗因素與水平Table 2 Test factors and levels

表3 正交試驗設計Table 3 Desigh of orthogonal test

1.3.2 抗凍融性能試驗

選擇500 cm3的環(huán)刀制樣,放入真空飽和儀中完全飽和,擦拭表面水分,稱重后放入凍融循環(huán)機。根據(jù)研究區(qū)氣象水文條件,凍結溫度設定為-20 ℃,時長4 h;融化溫度設定為20 ℃,時長4 h,為1次凍融循環(huán)完成,相比正常的凍結24 h和融化24 h,頻率加快,加速了試樣凍融響應過程[19-20]。每2次凍融循環(huán)后瀝干表面水分稱取試樣質量,測試0、2、4、6次循環(huán)后試樣滲透系數(shù)和抗剪強度。通過抗凍融性能試驗,研究加固土質量變化、滲透性變化和抗剪強度變化。滲透性測試和抗剪強度測試的試驗方法同上文所述。

1.3.3 SEM微觀結構試驗

掃描電鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)微觀結構測試采用成都理工大學生態(tài)環(huán)境學院的Prisma E掃描電鏡設備。將養(yǎng)護后的試樣敲碎成小塊,用吸力球去除表面浮土,得到結構完整的天然斷面,再放在鏡下觀察。

2 試驗結果與分析

2.1 正交試驗性能指標分析

2.1.1 滲透性試驗

加固土的滲透性能與植被水肥補給和穩(wěn)定性密切相關。滲透性過低時,降雨或灌溉水分易沿坡面徑流流失,土壤板結,影響植被生長。滲透性過高時,土體易飽和,孔隙水壓力增加,強度減弱,易失穩(wěn)。通過研究加固土與純土的滲透性能,對比改性材料和秸稈纖維對土滲透性的影響。

正交試驗不同試樣滲透系數(shù)如圖2所示。在天然狀況下,對照組純土試樣滲透系數(shù)為9.344×10-4cm/s,不同配比加固土的滲透系數(shù)均小于純土。1#試樣為3個變量都是低摻量的情況,滲透系數(shù)接近純土,相比純土,降低幅度最小,約為8%。4#、7#和8#試樣改性材料和秸稈纖維兩者都為高摻量,滲透系數(shù)較為接近且滲透性較高。2#和5#試樣含水率為15%,摻入低摻量的改性材料和秸稈纖維,土中膠結作用增強,基質吸力增大,水分運移通道受阻,滲透系數(shù)中等。3#、6#和9#試樣含水率為18%,改性材料中的活性官能團競爭吸附顆粒表面的水分子,土粒聚集更為明顯,細顆粒之間排列更為緊密,孔隙率降低,使其滲透系數(shù)偏低,降低幅度分別為60%、55%和67%。

圖2 不同試樣滲透系數(shù)對比Fig.2 Comparison of permeability of different samples

2.1.2 直接剪切試驗

將根土復合剪切儀的數(shù)據(jù)按《土工試驗方法標準》進行處理,獲得試樣黏聚力c和內摩擦角Φ,結果如圖3所示。

圖3 不同試樣抗剪強度對比Fig.3 Comparison of shear strength of different samples

與純土試樣相對比,所有加固土試樣黏聚力均大于純土,其中1#和9#試樣,提高效果不明顯。1#試樣的3個變量都為最低,加固效果不明顯。9#試樣秸稈纖維摻量為0.1%,改性材料摻量為0.324%,抗剪強度提高不明顯。剩余試樣黏聚力顯著提高,其中5#試樣各因子摻量分別為0.234%、15%和1%時,黏聚力最大為107 kPa,與未加固土相比,黏聚力提高幅度為70%。

內摩擦角變化范圍為32.33°～36.96°,變化范圍不大,可知改性材料和秸稈纖維對內摩擦角幾乎無影響,這與現(xiàn)階段國內外研究結論一致。

2.1.3 正交試驗結果分析

通過SPSS軟件,選擇一般線性分析,分析各因素對加固土試驗性能的影響,如表4和圖4所示。K1、K2、K3為極差分析中的3個指標。

注:圖(b)中實線圖例、虛線圖例分別對應黏聚力、內摩擦角。

表4 測試結果極差分析Table 4 Range analysis of test results

由表4和圖4可知:

(1)對于因素A(改性材料),在滲透性試驗測試結果中,極差居中,改性材料對滲透系數(shù)影響居中。在直剪試驗中,改性材料極差最小,對抗剪強度影響最小。當摻量為0.234%時,黏聚力c存在極大值,滲透系數(shù)中等,存在最優(yōu)摻量可能性。擾損邊坡生態(tài)修復中,加固土強度增加,土體的孔隙變小,滲透性能減弱,不利于植物生長。因此,改性材料摻量不宜過高,選擇占土質量的0.234%為最優(yōu)摻量。

(2)對于因素B(水)。在滲透性試驗中,極差RB>RA>RC, 因素B極差最大,對土體滲透性能影響最大,是該指標的主要影響因素。在直剪試驗中,極差居中,對抗剪強度影響居中。

在滲透性試驗中,當含水率為18%時,滲透系數(shù)最小。其原因為此時仍存在改性材料與水的競爭吸附作用,更多的土顆粒聚集成團,孔隙減少,加固土滲透系數(shù)降低。在直剪試驗中當摻量為15%時,c存在極大值,可視為最優(yōu)摻量。Φ的因素主次為RB>RA>RC,但其值變化范圍為33.2°～35.7°,變化幅度不大,對內摩擦角幾乎無影響。綜合考慮,水摻量占土體質量的15%時抗剪強度最優(yōu),滲透系數(shù)居中,視為最優(yōu)摻量。

(3)對于因素C(秸稈纖維),在滲透試驗中,極差最小,秸稈纖維對滲透性影響最小。在黏聚力的影響因素主次分析中,RC>RB>RA, 秸稈纖維極差最大,是該指標的主要影響因素。黏聚力變化范圍較大,對黏聚力影響顯著。

由圖4可知,秸稈摻量提高,加固土黏聚力增加,當摻量為最大值0.3%時,c最大,但未出現(xiàn)極大值。綜合考慮,秸稈摻量的3種配比中,0.3%為最優(yōu)。在滲透性和強度試驗中,與其他材料相比,秸稈纖維對土體黏聚力的影響最大。

針對多雄拉工業(yè)廣場擾損邊坡存在淺表層崩落特征,為進一步提高基材穩(wěn)定性,應將強度試驗作為首要考慮因素。通過以上試驗結果分析可以得出:主控因素依次為C(秸稈纖維)>B(水)>A(改性材料)。次要因素A和B的最優(yōu)摻量占砂土質量比分別為0.234%和15%。

2.2 抗凍融性能試驗結果分析

根據(jù)前文秸稈纖維加筋固化土物理力學特性的研究,已確定次要因素的最優(yōu)摻量,但主控因素秸稈摻量0.1%～0.3%的提高,c并未出現(xiàn)極大值。因此,為進一步研究秸稈纖維加筋固化土的抗凍融性能,提高秸稈摻量,將秸稈摻量設計為0.3%、0.6%、0.9%,其余改性材料和水摻量設定為最優(yōu)摻量0.234%和15%。試驗號按秸稈摻量由少至多設定為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,每個處理水平設置3個重復試樣,計算其平均值,設置不同對照試驗組ck,觀察凍融循環(huán)后強度變化。

2.2.1 質量變化試驗

質量變化試驗過程中,質量稱取前后試樣皆為飽和狀態(tài),通過使用便攜式含水率測定儀對凍融后的試樣進行測定,發(fā)現(xiàn)凍融前后試樣中的含水率變化很小,質量變化主要為顆粒掉落導致。高含水率的試樣在低溫條件下水分固結成冰,膨脹體積變大,土壤結構破壞,試樣膨脹開裂,表面顆粒掉落。在凍融循環(huán)條件下,土體經(jīng)受反復凍縮作用,裂隙多次閉合開裂直至貫通,局部變形嚴重,試樣破壞加劇,土顆?！暗袅！奔铀?質量逐漸減少,但仍有較好完整性。

試樣質量變化如圖5所示,加固土隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,其質量逐漸損失,當秸稈摻量為0.3%和0.6%時,質量損失速率幾乎相同。但當秸稈摻量提高到0.9%時,加固土質量損失加大,但小于非加固土。其原因為秸稈纖維拌入土體后,可視為粗顆粒。當粗顆粒含量過多增加時,土體內部孔隙增大,飽和處理后,自由水含量增加,在凍融作用下,高摻量的基材凍脹現(xiàn)象更明顯,土體脫落更嚴重。當凍融次數(shù)為2時,Ⅲ試樣質量損失略大于非加固土。當凍融次數(shù)>6時(如圖5中豎直點劃線右側所示),加固土中質量損失率加大,已逐漸接近純土,主要與改性材料加速消解劣化,不可逆微裂隙逐漸貫通,加固作用逐漸消失有關。但當加固土經(jīng)歷10次凍融循環(huán)后,質量仍大于非加固土,其原因為隨凍融次數(shù)的增加,改性材料的膠結作用和秸稈纖維的拉筋作用仍存在。

圖5 凍融作用下試樣質量變化曲線Fig.5 Mass change curves of specimens under freeze-thaw cycles

由圖5可知,當凍融次數(shù)<6時,質量損失率呈減小趨勢,材料消解劣化較少,膠結加固作用在土樣中廣泛存在。凍融循環(huán)次數(shù)已滿足該地區(qū)實際生態(tài)修復工程需要,為減少試驗工作量,選擇材料加速劣化點之前的循環(huán)次數(shù)進一步研究加固土滲透性和強度。

2.2.2 滲透性試驗

如圖6所示,在凍融0次時,土體處于自然狀態(tài),秸稈摻量增高,加固土滲透系數(shù)基本一致,均小于未加固土。經(jīng)歷6次凍融循環(huán)后,加固土滲透系數(shù)增加,未加固土反而降低。凍融6次后的試樣中低秸稈摻量的滲透系數(shù)變化不大,秸稈摻量為0.6%和0.9%時,滲透系數(shù)隨凍融次數(shù)增加而升高,且規(guī)律一致,均>0.3%低摻量的加固土。秸稈纖維摻入土體后,充當粗顆粒,土體粗顆粒數(shù)量增加,顆粒之間孔隙變多。伴隨凍融次數(shù)的增加,改性材料和秸稈纖維形成的孔隙變大,滲透系數(shù)增加。

圖6 凍融作用下試樣滲透系數(shù)變化曲線Fig.6 Variation of permeability coefficient under freeze-thaw cycles

2.2.3 直接剪切試驗

凍融作用下試樣抗剪強度指標變化如圖7所示。

圖7 凍融作用下試樣抗剪強度指標變化曲線Fig.7 Variation of shear strength indices under freeze-thaw cycles

由圖7可知:

(1)在0次凍融循環(huán)時,加固土的抗剪強度明顯優(yōu)于純土,改性材料提供的范德華力和秸稈纖維的拉筋作用,使其黏聚力高于純土,其中0次凍融時的黏聚力Ⅲ試樣黏聚力較低,只有74.6 kPa。

(2)在凍融循環(huán)2次時,高摻量秸稈纖維加固土的黏聚力開始小于純土且降低幅度較大。主要原因為當秸稈摻量過高時,土壤粗顆粒物質增多,改性材料包裹作用減弱,顆粒間膠結變弱,黏聚力大幅度減小。

(3)當凍融循環(huán)次數(shù)為4時,加固土Ⅰ和Ⅱ試樣抗剪強度減小,但仍遠大于純土,與加固土中改性材料的膠結作用和秸稈纖維的拉筋作用有關。

(4)當凍融循環(huán)次數(shù)為6時,改性材料消解或者劣化。同時土體凍脹效應增加,加固土孔隙進一步增大,黏聚力降低。在凍融6次循環(huán)中,內摩擦角變化很小,分析可得改性材料和秸稈纖維在凍融作用下,對內摩擦角仍影響較小,與現(xiàn)階段國內外研究結論一致。

結合質量、滲透系數(shù)和強度變化試驗,可以分別得出,在凍融循環(huán)作用下,秸稈摻量為0.3%和0.6%時質量損失最小,0.3%的滲透系數(shù)變化最小,Ⅰ試樣(0.3%的秸稈摻量)凍融循環(huán)4次后強度仍為最高,可視為抗凍融性能優(yōu)越的基材,其摻量分別為改性材料0.234%、水15%和秸稈纖維0.3%。

3 改良作用機理研究

掃描結果如圖8所示,將掃描后加固土與未加固土在不同倍數(shù)鏡頭下對比分析,可以看出,純砂土結構松散,粗顆粒棱角分明,細顆粒與粗顆粒之間孔隙較多,填充膠結物較少,孔隙較大。加固土在72倍鏡頭下,顆粒之間聚集成團,緊密排列,孔隙減小,能明顯觀察秸稈纖維與土體接觸,其中凹陷處,秸稈纖維發(fā)揮其抗拉性能,提高土體穩(wěn)定性。在500倍鏡頭下,秸稈纖維表層被細顆粒包裹擠壓,其彎曲部位還會對土顆粒產(chǎn)生約束作用,限制土體的變形。片狀石英(SiO2)的表層被細顆粒包裹,同時細顆粒表層形成一道“織網(wǎng)”。

圖8 掃描電鏡對比Fig.8 Comparison of SEM images

纖維屬于塑性材料,其優(yōu)越的抗拉性能使得彈性模量遠高于土體,當外部施加荷載時,土顆粒與秸稈纖維同時受力,兩者變形的差距導致兩者發(fā)生錯位摩擦,纖維產(chǎn)生界面力,其大小主要取決于界面摩擦力和黏結力。同時,界面力對纖維的相對滑動起限制作用,土體剪切變形時產(chǎn)生的裂縫使土體中的纖維能承受一定的拉應力,從而起到分擔外部荷載和防止應力集中的作用[21]。此外,秸稈纖維在土體中的三維網(wǎng)狀結構約束了土體變形,防止破壞面的形成,這有利于提高土體的力學性質。

土樣中加入秸稈纖維和改性材料后,改性材料將秸稈纖維和土顆粒膠結在一起,形成砂土-固化劑-秸稈纖維耦合作用的土壤團聚體,改善砂土結構松散、缺乏膠結而抗凍性差的缺點,從而提高土體的力學性能。其作用機理為:改性材料固化劑中的活性官能團吸附在土顆粒表面發(fā)生化學反應,黏粒之間的公共水化膜增多,公共反離子層變薄,水膠連接增強,土粒聚集明顯,黏結力加大。同時秸稈纖維表面粘結膠狀物質,通過纖維之間纏繞團聚粒,使顆粒間形成網(wǎng)狀交錯結構的團聚體。兩種材料共同約束土顆粒變形和運動,提高土體強度。不同摻量的改性材料和秸稈纖維在受力作用時,呈現(xiàn)不同加強機理,改性材料的摻量過多時,細顆粒大量聚集,反而導致大的孔隙在土體中形成,孔隙結構分布不均勻,其水穩(wěn)性和力學性能降低。秸稈摻量過多時,土顆粒之間膠結作用變差,黏聚力降低。改性材料參與土體內部化學反應,增加水化膜膠結作用。秸稈纖維起抗拉作用約束土體變形。兩者相互結合,在合適配比區(qū)間,共同增強秸稈纖維加筋固化土基本物理力學特性。

4 結 論

本文采用秸稈纖維和改性材料作為土壤改良劑,增強砂土的物理力學特性,通過加固土性能指標測試和抗凍融性能測試,結合掃描電鏡試驗分析揭示改良機理,得出結論如下:

(1)在基本力學性能方面,砂土中加入合適配比的改性材料和秸稈纖維后,降低了土體滲透性,增加了土體的黏聚力,內摩擦角基本保持不變。

(2)含水率對土體滲透性能影響顯著,秸稈纖維對土體黏聚力影響顯著。

(3)在抗凍融性能方面,秸稈纖維固化土滲透系數(shù)隨凍融次數(shù)的增加而升高,加固土和純土強度隨凍融次數(shù)增加而降低,但纖維摻量為0.3%和0.6%時,加固土整體黏聚力高于純土。

(4)當改性材料、水、秸稈纖維分別占砂土質量的0.234%、15%和0.3%時,秸稈纖維加筋固化土的抗凍融性能最佳。