冻融循环条件下植被混凝土渗透性试验研究

高贤 邓玮玮 龙丽珺 邵艳艳

摘 要：目前關于植被混凝土中裸露边坡生态修复基材渗透性对冻融循环的响应研究较少。本文通过室内冻融循环模拟及渗透试验，以植被混凝土生境基材为研究对象，研究了不同冻融循环次数和初始含水率条件下其渗透系数的变化情况。结果表明，随着冻融循环次数的增加，同一初始含水率植被混凝土的渗透系数不断增大，冻融初期增长速度较快，冻融后期趋于稳定;在经相同冻融次数后，不同初始含水率植被混凝土的渗透系数较冻融前均显著增大。且植被混凝土初始含水率越高，初始渗透系数相对较高，经冻融后植被混凝土渗透系数变化幅度越大。

关键词：冻融循环;植被混凝土;渗透性

中图分类号：S-3文献标识码：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20191030020

近年来，随着高寒地区国家基础设施建设的大力开展，工程所在区域生态环境不可避免地遭到了不同程度的破坏，导致大面积的无植被覆盖的裸露边坡急需修复。植被混凝土生态修复技术作为裸露边坡植被快速恢复常用方法之一，通过在种植土中加入水泥、有机物料、活化添加剂等材料，实现了传统硬性加固措施与生态修复措施的有机结合，已在我国许多省市得到广泛推广和运用 。然而，在已有高寒地区边坡修复工程实践应用过程中发现，由于受到高海拔、低气温、长日照等极端条件的影响，植被混凝土在冻融条件下物理、力学和化学等性质急剧变化，导致生境基材迅速劣化，致使高寒地区植被生态修复遭遇巨大困难土体的渗透性属于土体物理力学性能的重要内容，渗透系数是描述土体渗透性能差异的重要参数。国内外学者研究发现，在冻融循环作用下土体的渗透性变化不仅与冻融的温度模式、时间长短、冻融循环次数等因素密切有关，还与土样的初始状态、密实程度等有关。范昊明等研究表明，随冻融循环次数增加，土壤渗透系数增大较明显，但增大幅度逐渐变小;王铁行等研究表明，水平方向与竖直方向测得的黄土的渗透系数均随冻融循环次数和试样初始含水率增大而增大。

目前，针对冻融循环作用下天然土和水泥土渗透特性的变化研究较多，而对植被混凝土此类生境基材的研究并不多，因此研究冻融循环条件下生境基材渗透性的变化规律，对高寒地区的植被生态修复具有重要的理论和工程意义。本文通过室内冻融循环模拟及渗透试验，研究不同冻融循环次数和初始含水率条件下植被混凝土生境基材渗透性的变化规律，旨在为植被混凝土生态修复技术在高寒地区的应用提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究涉及的主要材料包括种植土、水泥、有机物料、活化添加剂和水。种植土取自三峡大学地学楼附近土壤，剔除石头残渣及枯枝等杂物，经风干后过1mm筛备用。水泥购自华新水泥厂生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥。有机物料购自俏牛儿肥业有限公司生产的植物茎叶，经风干、碾磨和过筛后备用。活化添加剂来自三峡大学专利成果转让产品（专利号：01138343.7）。

1.2 试验设计

植被混凝土制备严格按照现行国家能源行业标准《水电工程陡边坡植被混凝土生态修复技术规范》NB/T 35082-2016，具体配比见表1。为保证制样过程中试样的均匀性和一致性，试样的干密度控制为1.3g/cm3。先进行干料拌合，然后按设定初始含水率（质量含水率）加入定量水进行拌合。试验共设4种初始含水率，分别为18%、20%、22%和24%，冻融循环频次分别设置为0、1、2、4、8、16、32、64次。每个冻融梯度制作3个环刀试样，总计制样24个，用来测定植被混凝土的渗透系数。将制备好的环刀试样用保鲜膜包裹住，然后放入养护室30d后进行冻融循环试验。冻结温度/融化温度设置为±20℃。单次冻融循环周期设定为冻结12h，融化12h。每到设定的相应冻融循环频次，从冻融箱迅速取出环刀样，经真空抽气饱和后，再进行渗透试验。

1.3 研究方法

由于植被混凝土中掺入水泥，其渗透系数较小，故选用变水头渗透实验。植被混凝土试样经冻融后进行真空抽气饱和（抽气90min→进水饱和60min→浸泡12h以上）。然后将试样装入在渗透装置中，按土工试验规程标准进行试验，最终计算得出冻融循环后植被混凝土的渗透系数。

试验结果按照土工试验规程标准变水头渗透试验提供的渗透系数计算公式进行计算：

k=2.3aLAtlgh1h2

式中：2.3为In和1g的换算系数;a为变水头管截面积（cm2）;L为试样高度（cm）; A为试样截面积（cm2）;t为时间（s）;h1为开始时水头（cm）;h2为终止时水头（cm）。

1.4 数据处理与分析

使用Microsoft Excel 2013进行数据处理与图表绘制;采用SPSS 17.0统计软件，利用One-Way ANOVA进行单因素方差分析，显著水平设为@ =0.05。

2 结果与分析

2.1 不同冻融循环次数对植被混凝土渗透系数的影响

植被混凝土渗透系数随冻融循环次数的变化情况如图1所示。从图中可以看出，同一初始含水率的植被混凝土渗透系数随着冻融循环次数的增加而增大，但增幅逐渐变小，多次冻融后逐渐趋于动态稳定状态。

冻融后的植被混凝土渗透性较冻融前明显增大。这主要是因为植被混凝土试样中水分在低温情况下会发生冻结，孔隙水结晶导致土体内部颗粒互相挤压，颗粒之间的结合作用遭到破坏，使其内部出现微裂缝。经多次冻融循环作用下，试样中水分经历反复的相变，结构稳定性不断遭到破坏，微裂缝逐渐变大，成为良好的水分迁移通道 ，其渗透系数不断增大。此外，随着冻融循环次数增加，植被混凝土试样中水分出现反复的迁移，对土颗粒及孔隙产生作用力，以致大孔隙和小裂缝的出现，并且孔隙内壁的粗糙程度降低，结构稳定性明显减弱[11]，致其渗透系数逐渐大。另外，植被混凝土经多次冻融后，渗透性趋于稳定状态。原因在于当植被混凝土经过相当多次数冻融循环后，孔隙处于稳定状态，良好的渗流通道出现，结构性达到新的水平状态，其渗透性也达到新的动态平衡状态[12]。

2.2 不同初始含水率对植被混凝土渗透系数的影响

干密度相同、初始含水率不同的植被混凝土试样渗透系数经反复冻融64次的变化情况如图1所示。不同初始含水率植被混凝土试样在经相同冻融次数后，渗透系数比未冻融时明显变大。且随着植被混凝土试样初始含水率的增大，经冻融循环之后其渗透系数显著增大。原因在于，不同初始含水率的植被混凝土试样渗透系数对冻融作用的响应程度不同。当植被混凝土试样初始含水率较低时，因为土样中水冻结后产生较小的冻胀力，而且土体自身良好的结构对冻胀力有限制作用[13]，所以土样经过冻融作用后孔隙率会增加，但变化不明显，对其渗透性影响也相对较小。然而，随着植被混凝土试样初始含水率增加，冻胀力增大，严重破坏土颗粒联结作用[5]，土样结构稳定性受到削弱，其渗透性变化显著。

注：不同大写字母表示相同冻融循环次数不同初始含水率处理间的差异显著（P<0.05 ） ，不同小写字母表示同一初始含水率不同冻融循环次数处理间的差异显著（P<0.05）

3 讨论

土的渗透性是评价土体抗冻性能的重要指标，与土体的结构、孔隙、颗粒状态等密切相关[14]。在冻融过程中，植被混凝土结构及孔隙特征发生改变，导致其渗透性能产生差异。在冻融循环过程中，随着冻融温度在±20℃上下波动，植被混凝土中水分发生相变和迁移。当水由液相转至固相时，冰晶形成，导致体积膨胀，四周土颗粒受到挤压作用，使土颗粒产生位移与变形，同时也会使土体中的中、小孔隙合并而生成大孔隙，从而导致土中的大孔隙含量增加，最后致使土体结构性的变化[13-15]，从而使植被混凝土渗透性发生显著变化。

此外，植被混凝土经多次冻融循环后，渗透性趋于稳定状态。土体的变形包含弹性变形和塑性变形[16]。弹性变形是土体变形后即可恢复的部分，经反复冻融后，对植被混凝土孔隙和结构的影响可忽略不计。而塑性变形为不可逆的，导致冻融后的土体变形无法恢复。经过相当多次冻融循环后，达到了植被混凝土的塑性变形极限值，则孔隙不再继续擴大，渗透系数也不再变化，即其渗透性趋于稳定状态。

4 结论

本文通过室内冻融循环试验和渗透性测试研究了不同冻融循环次数和初始含水率条件下植被混凝土渗透系数的变化规律，得出以下结论：

植被混凝土渗透系数受冻融作用的影响明显。植被混凝土渗透系数随着冻融循环次数增加而变大。冻融前期增长速度快，冻融后期趋于动态平衡状态。

植被混凝土渗透性的变化与其初始含水率关系密切。在冻融循环过程中，植被混凝土初始含水率越高，初始渗透系数相对较高，且变化幅度越大。

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作者简介：

高贤（1993-），男，硕士。研究方向：边坡防护与生态恢复。