堤防生态边坡砂质粉土综合改性试验研究

李彤,吴鑫淼,李琦,李楠楠,马骅,郄志红,

(1河北农业大学 城乡建设学院,河北 保定 071001;2农业农村部华北节水农业重点实验室,河北 保定 071001; 3中国水利水电建设工程渤海咨询有限公司,天津 300222;4河北省钢-混组合桥梁技术创新中心,河北 邢台 054001)

我国已建各类河流堤防43 万km,同时还有大量中小河流需要治理,堤防工程建设及维护的任务巨大。堤防的生态治理是防洪保安和水土保持的重要措施,但堤防建设用土量大,当地土料往往难以满足工程性能的要求,通过固化改性技术可以有效利用当地材料,改良土料工程性质,减少异地开挖和远距离运输,节约工程成本[1-3]。

目前改性土在水利工程中的应用以引水、输水河渠工程较多,掺入的改性材料以水泥、粉煤灰、石灰等无机材料为主,如吴建涛等针对引淮工程膨胀土研究了水泥改性剂量最优值为4%[4];黄定强等针对引江济汉工程中的膨胀土进行了类型划分,并针对不同类型提出了不同的水泥掺量[5];陈尚法、刘建坤等分别针对南水北调中线工程中的膨胀土水泥改性换填及中细沙弃土再利用的水泥改性问题展开研究[5-7];张路等的试验结果显示,低掺量下的生石灰对黑龙江地区灌区渠道基土分散性和膨胀性有较好的改性效果[8];Kitajima A 利用水泥与港口土壤混合使沿海堤坝对地震和海啸表现出出色的抵抗力[9];对于因地震破坏的堤防,Tetsutaro T同样利用水泥与河道填土混合加固[10]。在土壤固化剂或稳定剂应用方面,Athanasopoulou A用生石灰稳定路基与边坡[11];刘瑾等人研究了高分子稳定剂对土质坡面的土体强度、抗冲刷性及边坡植被生长的影响,该稳定剂对土体抗压强度、内聚力有较大提高作用,但对内摩擦角的作用不明显,一定程度上可以促进植被生长[12];江臣和黄河均使用高分子材料即STW型生态土壤稳定剂改良膨胀土边坡的不利影响,提高土体强度的同时具有显著的防治水土流失的效果[13-14];Kahlown M A利用灌溉水中的沉积物加固河道,减少渗透损失[15]。各种活性材料及固化剂对改善特定土体的某些工程性能缺陷起到了重要作用,但以掺加单项改性材料或固化剂为主。张金良等以矿渣等为活性物质,以水泥和成岩剂为碱性激发剂的固化剂来提高黄土土坝的抗冲刷性,显示了无机改性材料与固化剂联合应用的优势[16]。

土壤环境和水分是边坡植被生长的基本条件,在降雨量较少的地区采取生态护岸措施时,采用保水剂或土壤调理剂可以有效利用有限的水分,改善土壤环境,提升植物生长效果,减少堤岸生态边坡的养护工作量[17-18]。目前水利工程中仍以传统的水泥改性土技术为主,水泥用量较多,而掺入较多的水泥后影响边坡上草类等植物的生长,进而影响堤防边坡的生态效果。鲜有同时考虑工程力学性能、植生性能以及易养护性能的综合改性的研究。

白沟河是白洋淀上游大清河系的主要行洪河道,现状堤身多数由砂质土筑成,抗风蚀和冲刷能力差,隐患较多[19]。白沟河治理工程是雄安新区昝岗组团的重要防线,对保障下游雄安新区防洪安全和水土保持具有重要现实意义。该河涿州段,当地土料以砂质粉土为主,缺乏可直接利用的筑堤土料,本研究以当地砂质粉土的综合改性为例,提出以水泥、新型土壤固化剂和新型土壤调理剂协同改进用于河道边坡生态治理的砂质粉土性能,以期通过就地取材、稳土抗冲、保水促生,以适应雄安新区高标准生态型堤防建设的要求。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

1.1.1 土样 试验所用土样来自白沟河治理工程土料场,原土经风干过筛去除植物根系等杂质后,参照《土工试验方法标准》,采用激光粒度仪测定土体颗粒级配确定土体类型,结果显示粒径小于0.075 mm的颗粒含量占62.96%,超过土样全重的50%;粒径小于0.005 mm的颗粒占5.83%,小于土样全重的10%,属于砂质粉土。并利用直接剪切试验、击实试验和液塑限试验测定其性能参数,见表1。

表1 原土的工程性能参数Table 1 Engineering performance parameters of raw soil

1.1.2 外加剂 (1)水泥：安徽海螺普通硅酸盐水泥P.O.42.5。

(2)土壤调理剂：一种以柠檬酸等有机酸为主要成分液态制剂。

(3)土壤固化剂：一种新型土壤固化剂,主要成分为硝铵类无机矿物材料,材料性状为灰色粉状。掺量一般为水泥等胶凝材料质量的2%～5%。

1.2 试验方法

试样的制作参照《土工试验方法标准》中击实试验规定的标准,利用轻型手动击实仪,在原土最大干密度和最优含水率条件下制作高度116 mm,直径102 mm的圆柱体试样,由于试验于7-8 月进行,正值暑期,可利用塑料布包裹置于室内养护。

研究内容包括对工程性能和植生特性2个方面的研究。对于工程性能,利用直接剪切试验测定改性后土体抗剪强度;对于植生特性,在试样内播撒高羊茅草(Gramineae)种子,待无新苗破土时记录出苗数量,利用叶绿素测定仪检测高羊茅草根部、中部和顶部的叶绿素含量,结果取均值,并在高羊茅草种植期间,每日补充等量水分,记录前后2日试样整体质量,其差值即为水分损失量。最后利用扫描电镜从细观角度解释其改性机理。

1.3 试验方案

基于正交设计试验研究水泥、新型土壤固化剂和新型土壤调理剂3个因素对于砂质粉土的影响,每种改性材料拟考虑3个水平,按照L9(33)正交试验方案,编号依次为1～9。试验方案见表2。

表2 试验方案Table 2 Test plan

2 结果与分析

2.1 综合改性土的工程性能及分析

土的抗剪强度是影响堤防工程稳定性的重要因素。砂质粉土的主要粒径处于0.005～0.075 mm之间,颗粒细、孔隙小、黏性差、内摩擦角较小,不能满足筑堤土料的需求。因此,本研究通过直接剪切试验改性后土体的工程性能。7 d和28 d的直接剪切结果,见表3。

表3 粘聚力、内摩擦角试验结果Table 3 Test results of cohesion force and internal friction angle

由表3可知,相对于原土粘聚力4.5 kPa和内摩擦角15°0′10″而言,改性后土体粘聚力和内摩擦角均有提高,新型改性土粘聚力、内摩擦角与水泥和土壤固化剂掺量呈正相关。与常规水泥改性方式(仅掺加水泥)作对比,方案2新型改性土与仅掺加4%水泥改性土(28 d粘聚力37 kPa,内摩擦角为16°48′16″)效果相当,且水泥用量减少一半。所有方案中,方案7对土体抗剪强度的提高值最大,其水泥用量和固化剂用量也最多。

为进一步分析不同改性材料对粘聚力影响的大小关系,对正交试验组下28 d粘聚力和内摩擦角数据进行极差分析,分析结果见表4。

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

由表4可知,对于改性土的粘聚力而言,水泥的极差结果值最大,土壤固化剂次之,土壤调理剂最小,故水泥对改性土粘聚力的影响最显著。3种因素对改性土粘聚力的影响大小顺序为：水泥>土壤固化剂>土壤调理剂。对于改性土的内摩擦角而言,土壤固化剂的极差结果值最大,水泥次之,土壤调理剂最小,故土壤固化剂对改性土内摩擦角的影响最显著。3种因素对改性土内摩擦角的影响大小顺序为：土壤固化剂>水泥>土壤调理剂。综合2项指标来看,水泥和土壤固化剂在提升改性土工程性能方面起主要作用,土壤调理剂对其工程性能提升影响小。

2.2 综合改性土的植生特性及分析

2.2.1 高羊茅草的种植结果 能否长出植被以及植被的生长质量是衡量改性土植生特性的重要指标。对不同试验方案改性土进行了撒播高羊茅草种子的对比试验。对比不同配合比下种子的出苗数,10 d后出苗基本结束,第10天高羊茅草的出苗率及叶绿素均值含量见表5,对应极差分析见表6。

表6 出苗率、叶绿素含量极差分析表Table 6 Analysis table of extreme differences in emergence rate and chlorophyll content

由表5可知,出苗率随水泥与土壤固化剂掺量的增加而降低,随土壤调理剂掺量增加而提高。对于高羊茅草内叶的绿素含量,与相同条件下原土中高羊茅草的叶绿素含量为8.80 SPAD相对比,改性后高羊茅草内的叶绿素含量整体提高,平均叶绿素含量随水泥掺量增加而降低,随土壤调理剂掺量增加而提高。土壤固化剂对叶绿素含量的影响无明显规律。

表5 植生性能相关试验指标Table 5 Plant growth ability related test indexes

由表6可知,对于出苗率,水泥的极差结果值最大,其次是土壤调理剂,最后是土壤固化剂,故水泥对出苗率的影响最显著。3种因素对出苗率影响的大小顺序为：水泥>土壤调理剂>土壤固化剂。水泥作用最显著,这是因为水泥使土体结构坚硬,种子发芽后不易破土,根部又难以深入,最终表现为出苗率降低。对于叶绿素含量,土壤调理剂的极差值远大于水泥与土壤固化剂,水泥与土壤固化剂对高羊茅草内的叶绿素含量影响很小,故对于高羊茅草内叶绿素含量土壤调理剂影响最显著。 3种因素对叶绿素含量的影响大小顺序为：土壤调理剂>水泥>土壤固化剂。这是因为土壤调理剂通过络合土壤中成盐离子,改善植物根基环境,使土壤中的微量元素及营养物质转化为可利用状态,最终表现为高羊茅草内叶绿素含量增多。

2.2.2 改性土的保水性能 无灌溉条件的生态边坡土壤应具有较好的保水能力,以满足植物生长的需求。为测试综合改性土的保水性质,在高羊茅草生长期间,每日补充等量水分(30 g)记录试样整体质量,与隔日质量差即为水分损失量,原土及综合改性土日耗水量变化曲线,见图1。

(a)原土及方案1、2、3日耗水量变化曲线

由图1可知,相同条件下原土15 d内平均日耗水量为24.53 g,无明显波动,改性后试样前4 d耗水量整体偏大,5～8 d后日耗水量显著降低,8 d后耗水量整体低于原土且波动较小。这是因为水泥前期水化反应剧烈,水量需求多。随着时间推移,水化反应减弱,耗水量逐渐减少并且在土壤调理剂的作用下耗水量低于原土。综合改性后的土体日均耗水量小于原土。进一步分析可知,土壤调理剂掺量对耗水量影响最显著,其掺量与土体水分损失呈负相关。

2.3 综合改性土细观结构的扫描电镜分析

土体细观结构一定程度上决定土体的物理、力学性质。本研究选取28 d龄期具有代表性的典型试样(原土、方案2、方案7)在扫描电镜下观察细观结构的SEM图像。经过前期除尘、干燥、喷金等预处理,得到3种典型试样的SEM图像,见图2。

由图2可知,原土试样结构致密性相对较差,空隙、裂隙较多,因此工程性质较差,内摩擦角和粘聚力较低;方案2土体结构中等致密,有少量孔隙和裂隙(图中虚线部分),并且有少量的絮状物产生(图中矩形部分),内摩擦角和粘聚力显著提升;方案7土体结构致密、孔隙少,无明显裂隙,絮状物较多,故内摩擦角和粘聚力较方案2又有提升,尤其粘聚力提升较大,说明水泥及固化剂形成胶结作用显著增强。

3 结论

本研究通过正交试验,研究了用于边坡生态治理的砂质粉土的综合改性方法及其效果,结论如下：

(1)采用水泥、新型土壤固化剂和新型土壤调理剂对粉质砂土进行综合改性,可显著提升土体的粘聚力、内摩擦角等工程性能、植生性能和保水性能。在水泥用量为2%、4%、6%,土壤固化剂用量为水泥用量的3.3%、4%、5%,土壤调理剂用量为1.50、2.25、4.50 g/m2的正交试验设计下,相比于原土,改性土粘聚力提升约6.5～18.3倍,内摩擦角提升约55%～73%,高羊茅草内的叶绿素含量提高约45%～136%,土体保水效果提升约3.3%～33.0%。

(2)综合考虑改性结果,改性土的最优配合比为：水泥掺量2%,土壤固化剂掺量为水泥掺量的4%,土壤调理剂掺量为 4.5 g/m2。该种配合比下,28 d粘聚力为39.3 kPa,提高率为773%;内摩擦角为24°42′09″,提高率为64%;高羊茅草出苗率为74%;高羊茅草内叶绿素含量为19.68 SPAD,提高率为124%;15 d日均耗水量为16.40 g,保水效果提升33%。且该配比下改性土的粘聚力、内摩擦角等指标优于单纯掺水泥4%的水泥改性土,能够满足工程的各项指标需求,亦可有效减少水泥用量。

(3)对于改性土的工程性能,水泥和土壤固化剂起主要作用。3种外加剂对粘聚力的影响大小顺序为：水泥>土壤固化剂>土壤调理剂,水泥对改性土粘聚力的提升影响最显著;3种外加剂对改性土内摩擦角的影响大小顺序为：土壤固化剂>水泥>土壤调理剂,土壤固化剂对改性土内摩擦角的提升影响最显著;土壤调理剂对改性土工程性能的提升影响较小。

(4)对于改性土的植生特性和保水特性,土壤调理剂和水泥起主要作用。3种外加剂对种植高羊茅草的出苗率的影响大小顺序为：水泥>土壤调理剂>土壤固化剂,水泥对高羊茅草出苗率的影响最显著;3种因素对高羊茅草内叶绿素含量的影响大小顺序为：土壤调理剂>水泥>土壤固化剂,土壤调理剂的影响最显著;对于保水特性,土壤调理剂为最显著因子;而土壤固化剂对改性土植生特性和保水特性的影响较小。

本研究的试验结果为砂质粉土改性用于生态边坡治理提供了一种新的综合方法,工程应用中可根据实际需要通过试验确定最优方案。