SH固化剂复配无机材料加固黄土抗侵蚀试验研究

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(中国地质大学(武汉) a.教育部长江三峡库区地质灾害研究中心; b.工程学院，武汉 430074)

1 研究背景

黄土具有大孔性、水敏性、湿陷性等特点，遇水后强度会大幅降低。在降雨条件下，表层裸露的黄土坡面极易发生侵蚀，造成严重的水土流失。对于黄土地区道路工程，路基边坡的稳定性至关重要。一旦发生降雨侵蚀，沿坡面冲刷下来的堆积土体会造成公路沿线生态环境恶化，边坡变陡、后退，甚至引发崩塌和滑坡等次生灾害，对公路正常运营维护和行车安全造成巨大危害。因此，开展黄土路基边坡抗侵蚀性研究具有重要的实践意义。

长期以来，针对黄土边坡坡面稳定性问题，国内外学者开展了大量研究工作，其中，采用固化材料改良黄土工程性质以达到坡面治理防护正逐渐成为研究热点。Lentz等[1]采用PAM固化剂提高了土体的渗透系数，抑制表面结皮从而减少了地表径流的侵蚀；Miller等[2]将水泥窖粉尘用于土壤加固中，加固后土体的强度有大幅度提升；王菁莪[3]利用木素质固化剂对黄土的抗水蚀性能进行了模型试验，通过水蚀模数、冲沟发育形态和潜蚀洞穴形态等方面对木素质固化剂改良效果进行评价；程佳明[4]、张姝[5]使用高分子材料SH对黄土各项力学性能进行了改良，研究了水流量、压实度和龄期对坡面径流产沙的影响；单志杰[6]研究了EN_1固化剂对黄土边坡水分有效性、稳定性、入渗性能等理化性质的影响；汪益敏[7]利用冲刷试验分析了黄土路基边坡抗冲蚀能力的影响因素，并通过力学手段建立了路基边坡冲刷稳定性评价方法；赵春红[8]研究了降雨径流对坡面输沙能力的影响，探究了降雨条件下坡面泥沙起动的临界条件；武彩萍[9]通过降雨模拟试验分析了雨水对黄土坡面形态以及水分入渗对坡体稳定性的影响。

研究表明，传统无机材料，如石灰、水泥等虽然可显著提高黄土的力学强度，但改良后土体透水、透气性差，且土质碱性化严重，不利于植被生长，无法满足黄土路基边坡生态绿化的要求[10-11]。此外，水泥土和石灰土存在早期强度低、易开裂，施工拌合困难等弊端；与之相比，新型高分子类固化剂施工便捷，可就地喷洒碾压成型，能有效提高黄土工程性质，且该类固化剂多为环境友好型材料，并不改变土质自身成分，对坡面植被生长没有影响。尽管如此，与无机材料相比，高分子固化剂加固黄土的水稳定性和抗侵蚀效果如何，尚无清晰的认识。此外，能否将不同固化材料进行复合使用，以克服单一固化材料的不足，从而满足黄土路基边坡坡面稳定和生态环保的双重要求，还有待进一步深入研究。

围绕上述问题，本文采用人工降雨模拟试验对高分子固化剂SH、水泥、石灰3种固化材料改良前后的黄土坡面抗侵蚀能力进行定量研究，比较分析不同材料固化黄土抗侵蚀能力的变化规律，并将3种材料进行复合配比，评价复合改良黄土抗侵蚀性能，基于电镜扫描试验揭示固化材料之间的协同作用机理。

本文试验结果有望进一步丰富黄土加固改良的研究成果，并可为固化剂治理黄土路基边坡的理论和实践提供有益的借鉴和参考。

2 试验内容

2.1 试验土样

本次试验使用的土样为陕西省子长县的Q3马兰黄土。基本物理性质见表1。

表1 试验黄土基本物理性质指标Table 1 Physical parameters of test loess

2.2 固化剂材料

试验选用的是本课题组与兰州大学合作研制的高分子固化材料SH。SH固化剂是一种环境友好型固化材料，具有黏度低、凝胶时间短、无毒无污染等特点，密度为1.27～1.31 g/cm3，易溶于水，能达到固化黄土、防治风沙的效果。水泥选用P·O 42.5普通硅酸盐水泥,石灰选用天津博迪化工公司生产的一级熟石灰。

2.3 人工降雨模拟装置

降雨模拟装置采用闭环自动控制技术和旋转下喷式喷头，降雨高度5 m，雨强变化范围为20～300 mm/h，具有4种不同规格的喷头，降雨均匀系数高，雨滴粒径与天然降雨十分接近。降雨装置下方为盛装土样的土槽和支架。土槽尺寸为1 m×0.8 m×0.3 m，框架为不锈钢材料，四周和底面用有机玻璃板覆盖。土槽前端和底部玻璃板上钻有Φ3 mm的小孔，孔间距为5 cm，坡体内的积水可通过小孔排出。支架前端高50 cm，后端高度可根据试验所需坡度自行调节。土槽正前方放置收集土水混合物的收集箱。降雨装置示意图和实物图如图1所示。

图1 试验装置Fig.1 Test apparatus

2.4 试验土样准备

考虑到实际施工时土壤回填需满足0.90～0.94的压实系数，本文根据击实试验中所得到的最优含水率和最大干密度,将本次试验土样的干密度和含水率定分别为1.8 g/cm3和17%。试验土坡坡度设为20°。SH浓度为溶液浓度百分比，设定为2%，4%，6%，8%，10%，12%，向干土中喷洒后拌合；水泥、石灰浓度为混合物质量百分比，设定为8%，以粉末的形式加入干土中拌合后再与水混合；复配材料中先将石灰、水泥与土拌合再喷洒SH溶液。

根据土壤所在地区的降雨特点将本次试验的降雨历时定为2 h，降雨强度分为50,100,150 mm/h3个阶段，每次进行2组试验。

2.5 试验步骤

(1)取试验土样风干碾磨后,按照设定浓度将土样与固化剂和水混合。拌合均匀后分层压实装入土槽中。将土槽置入人工温室中养护，养护龄期为7 d。

(2)将养护好的土样连同土槽置于支架上，调整支架角度。打开降雨控制器和雨量计，设置降雨参数。

(3)试验在无风的环境下进行，开启控制器后用秒表开始计时，同时利用压力表和雨量计记录降雨量和径流量。仔细观察并记录坡面开始产生径流的时间和坡面开始产沙的时间。产沙开始后每隔10 min将收集到的土水混合物进行回收。试验完成后将收集到的土水混合物静置一昼夜，倒去上层清水，采用烘干法计算产沙量。试验结束后，利用Excel和Origin软件对数据进行处理分析。

图2 不同浓度SH土样产沙量曲线和产沙速率曲线Fig.2 Curves of sediment yield and sediment yield rate of loess with different concentrations of stabilizer SH

3 试验结果及分析

3.1 不同浓度SH土样抗侵蚀能力对比

图2(a)和图2(b)分别为掺入不同浓度SH后坡面的产沙量-时间曲线和产沙速率-时间曲线。

由图2可知,总的来说，坡体的产沙量和产沙速率随掺入SH浓度的增加逐渐降低，但不同SH掺量对坡体抗冲刷能力的影响效果存在差异。

雨强较低的Ⅰ阶段，4%SH浓度土样的抗冲能力已有一定提升。相较于素黄土，其产沙量-时间曲线更平缓，产沙速率也更低，Ⅰ阶段结束时的产沙量和产沙速率分别减少了22%和17%。Ⅱ阶段时，受雨强增加的影响，4%和6%SH浓度土体的抗冲刷能力有所减弱，产沙量和产沙速率曲线上升幅度增大。 8%,10%,12% 3组土样的曲线与Ⅰ阶段保持一致，基本保持线性增长。Ⅲ阶段时，SH浓度较低的3组土样(2%,4%,6%)曲线逐渐与素黄土平行，8%，10%,12% 3组土样的曲线的上升速率略有增加。此阶段内各组土样的单位面积产沙量分别为0.709 kg/m2(0%)、0.685 kg/m2(2%)、0.664 kg/m2(4%)、0.679 kg/m2(6%)、0.465 kg/m2(8%)、0.425 kg/m2(10%)和0.441 kg/m2(12%)。可以看到，2%,4%, 6%SH浓度的3组土样在Ⅲ阶段内的产沙量与素黄土大致相同，此浓度下SH并未对土体的抗侵蚀能力造成影响。8%,10%,12% 3组土样在该阶段内的产沙量相较于素黄土分别减少了34%,38%,40%，产沙量减少明显，加固效果依然理想。由此可见，当SH浓度>8%时，即使在极端降雨条件下亦能明显提高坡体的抗侵蚀能力。

另外，通过对比8%,10%,12% 3组土样的试验数据发现，降雨试验结束时，三者的单位面积产沙量和产沙速率分别为0.978,0.894,0.848 kg/m2和0.013 64,0.012 45,0.011 44 kg/min，相较于素黄土分别减少了42%,46%,48%和33%,39%,43%，相邻浓度间的提升效果差异性逐渐减小，提升效果基本相当，此时浓度的增加并未取得更明显的加固作用。以上2组试验结果表明，SH可以减少降雨条件下黄土边坡的产沙量和产沙速率，提高坡体的抗冲能力，综合考虑加固效果和材料成本，SH的最优配比浓度可选定为8%。

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3.2 不同固化剂土样抗侵蚀能力对比

在确定SH固化剂的最优浓度之后，将SH与石灰、水泥进行对比试验分析。参考前人的试验成果，本次试验中水泥和石灰的最佳掺量设定为8%[12-13]。图3给出了掺入3种固化材料后坡体的产沙量-时间曲线。由曲线可知，在Ⅰ阶段时，SH、水泥和石灰三者对坡体抗冲刷性能的提升效果大致相当；40 min时的产沙量基本相同且远小于素黄土；从Ⅱ阶段开始，SH的曲线上升速度加快，单位时间产沙量逐渐增加，而此时石灰、水泥的曲线斜率基本保持不变，未随雨强的增大发生明显增加；Ⅲ阶段结束时，掺入水泥和石灰土样的产沙量基本相等，远小于素黄土，同时也远小于SH土样。同时，两者的产沙速率基本不变，说明掺入石灰和水泥后土颗粒间的连结强度大大增强，可以较好地抵抗极端降雨。以上结果表明，掺入水泥和石灰后，坡体的产沙能力大幅降低，在强降雨环境下对坡体抗冲能力的提升效果优于SH。

图3 不同固化剂土样产沙量曲线Fig.3 Curves of sediment yield of loess with different soil stabilizers

在评价黄土路基边坡的坡体的抗侵蚀能力时，除了讨论产沙量外，还应考虑到固化剂的掺入对坡体渗透性能的影响。这是因为渗透系数低的坡体其开始产流时间会提前，坡面径流量会增加，提高了坡面土体被冲刷的概率，同时也会降低坡体的土壤水分有效性，影响坡面植被的水分吸收。基于此，通过降雨条件下坡体的开始产生径流时间和坡面总径流量2个指标对4种掺入不同固化剂土样的渗透性能进行对比，试验结果见图4。

图4 不同固化剂土样开始产流时间和总径流量Fig.4 Start time of runoff and volume of runoff of loess with different soil stabilizers

从图4可以看出，相较于素黄土，掺入SH土样的开始产流时间提前了22.5%，掺入水泥和石灰土样的开始产流时间分别提前了52.8%和50.0%。在总径流量方面，2 h降雨试验后，掺入SH土样的总径流量比素黄土增加了23.2%，掺入水泥和石灰土样的总径流量则分别增加了54.6%和56.2%。这表明掺入固化剂后坡体的入渗性能有所减弱，降雨初期雨水的入渗量减少，坡面更早地进入产流状态，同时，坡体内的积水难以排出，也进一步增大了坡面径流。

综合图3、图4的试验结果，可以看到，尽管在强降雨条件下，水泥、石灰材料的抗冲蚀能力优于SH，但在一般降雨强度下，两者的改良效果差异并不明显(Ⅰ阶段和Ⅱ阶段)，此时SH对坡面已经可以起到很好的防护效果。此外，SH虽然会使坡体渗透性能小幅度降低，但其影响远小于水泥和石灰，在推迟产生径流时间和减少坡面径流量方面的效果更好，能有效提升土体的透水、保水性。

3.3 复合加固对比试验

按照一定比例将SH、水泥和石灰三者混合添加到黄土中，分别从开始产流时间、开始产沙时间、总径流量和总产沙量4个方面与单一固化剂的改良效果进行对比。试验统计结果见表2。

表2 掺入不同固化剂土样抗侵蚀指标Table 2 Anti-erosion indexes of loess with different soil stabilizers

由表2可知，将3种固化剂按照一定比例混合掺入后，各项指标相较于单一固化剂均发生了一定程度的变化。在总产沙量上，复合加固后的土样Ⅴ相较于土样Ⅰ和土样Ⅱ有了明显降低，与土样Ⅲ和土样Ⅳ持平。说明采用低掺量材料的复合加固可以达到单一石灰、水泥在高掺入量下的加固效果，土颗粒间的黏结作用强，坡体的抗冲能力依然理想。

同时，由于复合改良土减少了水泥和石灰的用量，相比仅用水泥或石灰作为固化剂的改良土,开始产流时间延长，总径流量减少，这说明复合改良土的渗透性能得到了一定程度的改善，进一步增强了坡体的抗侵蚀性和透水性。以上试验结果表明，将SH与水泥、石灰复合掺入后，单一固化剂的缺点得到了改善，在降低产沙量的同时也保证了坡体具有良好的渗透性能，全面提高了黄土边坡的抗侵蚀能力。

图5 不同固化剂土体电镜扫描图像(放大2 000倍)Fig.5 SEM images of loess with different soil stabilizers

4 固化剂作用机理

通过扫描电镜对掺入水泥、石灰和SH的土样进行观察可以明显看出三者对土体孔隙特征的影响以及加固方式的不同(图5)。石灰和水泥加入土体后与水和空气发生反应，前者会生成Ca(OH)2和CaCO3(图5(c)白色框线区域)等水化产物，后者则会生成CaO·2SiO2·3H2O、CaO·Al2O3·H2O(图5(d)白色框线区域)。这些生成物都难溶于水且会大量填充土颗粒间的孔隙，使土体成为致密牢固的整体，虽然增加了土粒的抗冲性能，但土体的渗透性能大幅度降低。同时，石灰和水泥中的Ca2+还会与土壤中的K+,Na+发生离子交换[14]，降低黏土胶体的ξ电位，使土颗粒由亲水性变为憎水性，进一步降低土体的渗透性能。SH加入土体后，并未与土颗粒发生化学反应生成新物质，其主要通过大分子链将土颗粒包裹并连结的方式加强了土颗粒骨架[15](图5(b)白色框线区域)，即使水流渗入土体内部，也很难对土颗粒造成侵蚀;虽然SH加入对土壤孔隙造成一定程度的填充，但不会大幅度影响土体的渗透性能。三种固化剂复合掺入后，水泥、石灰对孔隙的填充作用降低，土体具有较好的孔隙度和渗透性，同时SH对土颗粒的连结和束缚作用使得土颗粒保持较好的抗侵蚀能力(图5(e)白色框线区域)。

5 结 论

本文利用人工降雨装置对添加不同固化剂的黄土进行了降雨模拟试验，从开始产流时间、产沙速率、产沙量和径流量4个方面对固化剂的加固作用进行评价，得出如下结论：

(1)SH固化剂可以适当提高降雨条件下黄土的抗冲性能。浓度为8%时，提升效果最佳，继续增加浓度后提升效果不明显。

(2)强降雨条件下，水泥、石灰材料对坡体的抗冲性能提升效果优于SH，但在一般降雨强度下(Ⅰ阶段和Ⅱ阶段)，两者的改良效果差异并不明显，此时SH对坡面已经可以起到很好的防护效果。水泥、石灰材料会大幅度降低土体的渗透性能，增大坡面径流量并使产流时间提前，SH对坡体的渗透性能影响较小。

(3)SH、水泥、石灰三者复合掺入黄土后单一固化剂的缺点得到了弥补，在降低产沙量和产沙速率的同时也保证了坡体具有良好的渗透性能，全方面提高了黄土边坡的抗侵蚀能力。

影响黄土路基边坡抗侵蚀能力的因素有很多，除本文提到的降雨量、固化剂之外，还跟坡度、土体性质、压实度、初始含水率等因素有关，在今后的研究工作中需要继续深入。同时，固化剂在冻融循环、干湿循环等条件下的耐久性也是以后研究的重点内容。