堤防生態邊坡砂質粉土綜合改性試驗研究

李彤,吳鑫淼,李琦,李楠楠,馬驊,郄志紅,

(1河北農業大學 城鄉建設學院,河北 保定 071001;2農業農村部華北節水農業重點實驗室,河北 保定 071001; 3中國水利水電建設工程渤海咨詢有限公司,天津 300222;4河北省鋼-混組合橋梁技術創新中心,河北 邢臺 054001)

我國已建各類河流堤防43 萬km,同時還有大量中小河流需要治理,堤防工程建設及維護的任務巨大。堤防的生態治理是防洪保安和水土保持的重要措施,但堤防建設用土量大,當地土料往往難以滿足工程性能的要求,通過固化改性技術可以有效利用當地材料,改良土料工程性質,減少異地開挖和遠距離運輸,節約工程成本[1-3]。

目前改性土在水利工程中的應用以引水、輸水河渠工程較多,摻入的改性材料以水泥、粉煤灰、石灰等無機材料為主,如吳建濤等針對引淮工程膨脹土研究了水泥改性劑量最優值為4%[4];黃定強等針對引江濟漢工程中的膨脹土進行了類型劃分,并針對不同類型提出了不同的水泥摻量[5];陳尚法、劉建坤等分別針對南水北調中線工程中的膨脹土水泥改性換填及中細沙棄土再利用的水泥改性問題展開研究[5-7];張路等的試驗結果顯示,低摻量下的生石灰對黑龍江地區灌區渠道基土分散性和膨脹性有較好的改性效果[8];Kitajima A 利用水泥與港口土壤混合使沿海堤壩對地震和海嘯表現出出色的抵抗力[9];對于因地震破壞的堤防,Tetsutaro T同樣利用水泥與河道填土混合加固[10]。在土壤固化劑或穩定劑應用方面,Athanasopoulou A用生石灰穩定路基與邊坡[11];劉瑾等人研究了高分子穩定劑對土質坡面的土體強度、抗沖刷性及邊坡植被生長的影響,該穩定劑對土體抗壓強度、內聚力有較大提高作用,但對內摩擦角的作用不明顯,一定程度上可以促進植被生長[12];江臣和黃河均使用高分子材料即STW型生態土壤穩定劑改良膨脹土邊坡的不利影響,提高土體強度的同時具有顯著的防治水土流失的效果[13-14];Kahlown M A利用灌溉水中的沉積物加固河道,減少滲透損失[15]。各種活性材料及固化劑對改善特定土體的某些工程性能缺陷起到了重要作用,但以摻加單項改性材料或固化劑為主。張金良等以礦渣等為活性物質,以水泥和成巖劑為堿性激發劑的固化劑來提高黃土土壩的抗沖刷性,顯示了無機改性材料與固化劑聯合應用的優勢[16]。

土壤環境和水分是邊坡植被生長的基本條件,在降雨量較少的地區采取生態護岸措施時,采用保水劑或土壤調理劑可以有效利用有限的水分,改善土壤環境,提升植物生長效果,減少堤岸生態邊坡的養護工作量[17-18]。目前水利工程中仍以傳統的水泥改性土技術為主,水泥用量較多,而摻入較多的水泥后影響邊坡上草類等植物的生長,進而影響堤防邊坡的生態效果。鮮有同時考慮工程力學性能、植生性能以及易養護性能的綜合改性的研究。

白溝河是白洋淀上游大清河系的主要行洪河道,現狀堤身多數由砂質土筑成,抗風蝕和沖刷能力差,隱患較多[19]。白溝河治理工程是雄安新區昝崗組團的重要防線,對保障下游雄安新區防洪安全和水土保持具有重要現實意義。該河涿州段,當地土料以砂質粉土為主,缺乏可直接利用的筑堤土料,本研究以當地砂質粉土的綜合改性為例,提出以水泥、新型土壤固化劑和新型土壤調理劑協同改進用于河道邊坡生態治理的砂質粉土性能,以期通過就地取材、穩土抗沖、保水促生,以適應雄安新區高標準生態型堤防建設的要求。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

1.1.1 土樣 試驗所用土樣來自白溝河治理工程土料場,原土經風干過篩去除植物根系等雜質后,參照《土工試驗方法標準》,采用激光粒度儀測定土體顆粒級配確定土體類型,結果顯示粒徑小于0.075 mm的顆粒含量占62.96%,超過土樣全重的50%;粒徑小于0.005 mm的顆粒占5.83%,小于土樣全重的10%,屬于砂質粉土。并利用直接剪切試驗、擊實試驗和液塑限試驗測定其性能參數,見表1。

表1 原土的工程性能參數Table 1 Engineering performance parameters of raw soil

1.1.2 外加劑 (1)水泥：安徽海螺普通硅酸鹽水泥P.O.42.5。

(2)土壤調理劑：一種以檸檬酸等有機酸為主要成分液態制劑。

(3)土壤固化劑：一種新型土壤固化劑,主要成分為硝銨類無機礦物材料,材料性狀為灰色粉狀。摻量一般為水泥等膠凝材料質量的2%～5%。

1.2 試驗方法

試樣的制作參照《土工試驗方法標準》中擊實試驗規定的標準,利用輕型手動擊實儀,在原土最大干密度和最優含水率條件下制作高度116 mm,直徑102 mm的圓柱體試樣,由于試驗于7-8 月進行,正值暑期,可利用塑料布包裹置于室內養護。

研究內容包括對工程性能和植生特性2個方面的研究。對于工程性能,利用直接剪切試驗測定改性后土體抗剪強度;對于植生特性,在試樣內播撒高羊茅草(Gramineae)種子,待無新苗破土時記錄出苗數量,利用葉綠素測定儀檢測高羊茅草根部、中部和頂部的葉綠素含量,結果取均值,并在高羊茅草種植期間,每日補充等量水分,記錄前后2日試樣整體質量,其差值即為水分損失量。最后利用掃描電鏡從細觀角度解釋其改性機理。

1.3 試驗方案

基于正交設計試驗研究水泥、新型土壤固化劑和新型土壤調理劑3個因素對于砂質粉土的影響,每種改性材料擬考慮3個水平,按照L9(33)正交試驗方案,編號依次為1～9。試驗方案見表2。

表2 試驗方案Table 2 Test plan

2 結果與分析

2.1 綜合改性土的工程性能及分析

土的抗剪強度是影響堤防工程穩定性的重要因素。砂質粉土的主要粒徑處于0.005～0.075 mm之間,顆粒細、孔隙小、黏性差、內摩擦角較小,不能滿足筑堤土料的需求。因此,本研究通過直接剪切試驗改性后土體的工程性能。7 d和28 d的直接剪切結果,見表3。

表3 粘聚力、內摩擦角試驗結果Table 3 Test results of cohesion force and internal friction angle

由表3可知,相對于原土粘聚力4.5 kPa和內摩擦角15°0′10″而言,改性后土體粘聚力和內摩擦角均有提高,新型改性土粘聚力、內摩擦角與水泥和土壤固化劑摻量呈正相關。與常規水泥改性方式(僅摻加水泥)作對比,方案2新型改性土與僅摻加4%水泥改性土(28 d粘聚力37 kPa,內摩擦角為16°48′16″)效果相當,且水泥用量減少一半。所有方案中,方案7對土體抗剪強度的提高值最大,其水泥用量和固化劑用量也最多。

為進一步分析不同改性材料對粘聚力影響的大小關系,對正交試驗組下28 d粘聚力和內摩擦角數據進行極差分析,分析結果見表4。

表4 28 d粘聚力、內摩擦角極差分析表Table 4 Analysis table of angular range of cohesion and internal friction in 28 days

由表4可知,對于改性土的粘聚力而言,水泥的極差結果值最大,土壤固化劑次之,土壤調理劑最小,故水泥對改性土粘聚力的影響最顯著。3種因素對改性土粘聚力的影響大小順序為：水泥>土壤固化劑>土壤調理劑。對于改性土的內摩擦角而言,土壤固化劑的極差結果值最大,水泥次之,土壤調理劑最小,故土壤固化劑對改性土內摩擦角的影響最顯著。3種因素對改性土內摩擦角的影響大小順序為：土壤固化劑>水泥>土壤調理劑。綜合2項指標來看,水泥和土壤固化劑在提升改性土工程性能方面起主要作用,土壤調理劑對其工程性能提升影響小。

2.2 綜合改性土的植生特性及分析

2.2.1 高羊茅草的種植結果 能否長出植被以及植被的生長質量是衡量改性土植生特性的重要指標。對不同試驗方案改性土進行了撒播高羊茅草種子的對比試驗。對比不同配合比下種子的出苗數,10 d后出苗基本結束,第10天高羊茅草的出苗率及葉綠素均值含量見表5,對應極差分析見表6。

表6 出苗率、葉綠素含量極差分析表Table 6 Analysis table of extreme differences in emergence rate and chlorophyll content

由表5可知,出苗率隨水泥與土壤固化劑摻量的增加而降低,隨土壤調理劑摻量增加而提高。對于高羊茅草內葉的綠素含量,與相同條件下原土中高羊茅草的葉綠素含量為8.80 SPAD相對比,改性后高羊茅草內的葉綠素含量整體提高,平均葉綠素含量隨水泥摻量增加而降低,隨土壤調理劑摻量增加而提高。土壤固化劑對葉綠素含量的影響無明顯規律。

表5 植生性能相關試驗指標Table 5 Plant growth ability related test indexes

由表6可知,對于出苗率,水泥的極差結果值最大,其次是土壤調理劑,最后是土壤固化劑,故水泥對出苗率的影響最顯著。3種因素對出苗率影響的大小順序為：水泥>土壤調理劑>土壤固化劑。水泥作用最顯著,這是因為水泥使土體結構堅硬,種子發芽后不易破土,根部又難以深入,最終表現為出苗率降低。對于葉綠素含量,土壤調理劑的極差值遠大于水泥與土壤固化劑,水泥與土壤固化劑對高羊茅草內的葉綠素含量影響很小,故對于高羊茅草內葉綠素含量土壤調理劑影響最顯著。 3種因素對葉綠素含量的影響大小順序為：土壤調理劑>水泥>土壤固化劑。這是因為土壤調理劑通過絡合土壤中成鹽離子,改善植物根基環境,使土壤中的微量元素及營養物質轉化為可利用狀態,最終表現為高羊茅草內葉綠素含量增多。

2.2.2 改性土的保水性能 無灌溉條件的生態邊坡土壤應具有較好的保水能力,以滿足植物生長的需求。為測試綜合改性土的保水性質,在高羊茅草生長期間,每日補充等量水分(30 g)記錄試樣整體質量,與隔日質量差即為水分損失量,原土及綜合改性土日耗水量變化曲線,見圖1。

(a)原土及方案1、2、3日耗水量變化曲線

由圖1可知,相同條件下原土15 d內平均日耗水量為24.53 g,無明顯波動,改性后試樣前4 d耗水量整體偏大,5～8 d后日耗水量顯著降低,8 d后耗水量整體低于原土且波動較小。這是因為水泥前期水化反應劇烈,水量需求多。隨著時間推移,水化反應減弱,耗水量逐漸減少并且在土壤調理劑的作用下耗水量低于原土。綜合改性后的土體日均耗水量小于原土。進一步分析可知,土壤調理劑摻量對耗水量影響最顯著,其摻量與土體水分損失呈負相關。

2.3 綜合改性土細觀結構的掃描電鏡分析

土體細觀結構一定程度上決定土體的物理、力學性質。本研究選取28 d齡期具有代表性的典型試樣(原土、方案2、方案7)在掃描電鏡下觀察細觀結構的SEM圖像。經過前期除塵、干燥、噴金等預處理,得到3種典型試樣的SEM圖像,見圖2。

由圖2可知,原土試樣結構致密性相對較差,空隙、裂隙較多,因此工程性質較差,內摩擦角和粘聚力較低;方案2土體結構中等致密,有少量孔隙和裂隙(圖中虛線部分),并且有少量的絮狀物產生(圖中矩形部分),內摩擦角和粘聚力顯著提升;方案7土體結構致密、孔隙少,無明顯裂隙,絮狀物較多,故內摩擦角和粘聚力較方案2又有提升,尤其粘聚力提升較大,說明水泥及固化劑形成膠結作用顯著增強。

3 結論

本研究通過正交試驗,研究了用于邊坡生態治理的砂質粉土的綜合改性方法及其效果,結論如下：

(1)采用水泥、新型土壤固化劑和新型土壤調理劑對粉質砂土進行綜合改性,可顯著提升土體的粘聚力、內摩擦角等工程性能、植生性能和保水性能。在水泥用量為2%、4%、6%,土壤固化劑用量為水泥用量的3.3%、4%、5%,土壤調理劑用量為1.50、2.25、4.50 g/m2的正交試驗設計下,相比于原土,改性土粘聚力提升約6.5～18.3倍,內摩擦角提升約55%～73%,高羊茅草內的葉綠素含量提高約45%～136%,土體保水效果提升約3.3%～33.0%。

(2)綜合考慮改性結果,改性土的最優配合比為：水泥摻量2%,土壤固化劑摻量為水泥摻量的4%,土壤調理劑摻量為 4.5 g/m2。該種配合比下,28 d粘聚力為39.3 kPa,提高率為773%;內摩擦角為24°42′09″,提高率為64%;高羊茅草出苗率為74%;高羊茅草內葉綠素含量為19.68 SPAD,提高率為124%;15 d日均耗水量為16.40 g,保水效果提升33%。且該配比下改性土的粘聚力、內摩擦角等指標優于單純摻水泥4%的水泥改性土,能夠滿足工程的各項指標需求,亦可有效減少水泥用量。

(3)對于改性土的工程性能,水泥和土壤固化劑起主要作用。3種外加劑對粘聚力的影響大小順序為：水泥>土壤固化劑>土壤調理劑,水泥對改性土粘聚力的提升影響最顯著;3種外加劑對改性土內摩擦角的影響大小順序為：土壤固化劑>水泥>土壤調理劑,土壤固化劑對改性土內摩擦角的提升影響最顯著;土壤調理劑對改性土工程性能的提升影響較小。

(4)對于改性土的植生特性和保水特性,土壤調理劑和水泥起主要作用。3種外加劑對種植高羊茅草的出苗率的影響大小順序為：水泥>土壤調理劑>土壤固化劑,水泥對高羊茅草出苗率的影響最顯著;3種因素對高羊茅草內葉綠素含量的影響大小順序為：土壤調理劑>水泥>土壤固化劑,土壤調理劑的影響最顯著;對于保水特性,土壤調理劑為最顯著因子;而土壤固化劑對改性土植生特性和保水特性的影響較小。

本研究的試驗結果為砂質粉土改性用于生態邊坡治理提供了一種新的綜合方法,工程應用中可根據實際需要通過試驗確定最優方案。