预制基质客土的强度及渗透性试验研究

马显东， 刘强*， 褚保镇， 高霄娇， 孙冲

(1.山东科技大学 地球科学与工程学院， 山东 青岛 266590； 2.中国海洋大学 环境科学与工程学院)

1 引言

挖方边坡工程破坏了天然边坡的力学平衡和生态平衡。生态边坡工程的主旨之一是在挖方边坡上构建新的生态平衡，如客土喷播技术。其中客土应具备较好的水理性质和力学稳定性，研制兼有高强度、高渗透性和高持水性的客土是解决岩质生态边坡工程中生态修复的关键问题。

所谓客土是指利用自然土、有机质、纤维、黏结剂、肥料、保水剂、缓释剂、植物种子、其他外加剂等形成的人工混合土壤。关见留发现添加木屑后的客土有机养分随降雨的流失量明显减少；黄栋学通过对土壤、保水剂、速效肥以及鸡粪等材料进行全正交试验，研究不同配比的客土对植物生长的影响；叶茂发现掺入砂土改良后，可以有效提高四川凉山地区土壤的肥料释放速率，缩短烟株生长周期，其中加入50%砂土效果最优；黄学文研究发现秸杆草毯覆盖于边坡表土，能够减少雨水对坡面的侵蚀量，同时增大土壤团聚体的迁移阻力，提高了坡面表土对滑移的抵抗力；Agassi通过在陡坡上进行现场试验，研究用磷石膏(PG)、多糖(PS)以及聚丙烯酰胺(PAM)来控制径流及侵蚀，结果表明多糖和磷石膏或聚丙烯酰胺和磷石膏在抑制边坡侵蚀方面非常有效。

目前，关于客土的局部稳定性防护措施或客土的稳定方法主要包括：① 平面网稳定客土工艺；② 三维网稳定客土工艺；③ 土工格室与平面网或三维网并用稳定客土工艺；④ 利用混凝土肋梁稳定客土工艺；⑤ 在边坡上固定植生袋工艺等。工程中广泛使用的客土喷播技术，均是在施工现场配置客土，并利用喷浆机将客土以流塑状态喷播到边坡坡面。因此这些客土处在流-塑态，其初期强度较低，在坡度较陡的岩质边坡，常出现不易挂网或挂网后大面积脱落等问题。生态边坡工程初期客土的稳定性主要取决于其抗滑动性。一般情况下，客土长度与厚度相比往往并非足够大。针对有限长客土的抗滑动性问题，刘强利用模型试验及极限分析上限解进行讨论；刘威通过直剪试验发现土壤的黏聚力与内摩擦角随纤维的添加量增加而增加，且不同纤维的加筋效果不一样；罗阳明通过室内试验研究了水泥固化剂对土体抗剪强度的影响，证明了掺入适量水泥固化剂可以提高土体抗剪强度，而掺入一定的高分子聚合物，能有效增强土体的水土保持能力；燕平研究发现在客土中添加聚合物固化剂能够在坡面形成一层有效的防护膜，起到很好的黏结整合作用；李映通过直剪试验，发现添加木质素的客土抗剪强度明显增大，并随着木质素掺入量增加，呈先减小后增大的趋势。

另一方面，喷播的客土较为松散，保水性较差，需要定期灌溉、维护，养护成本较高。关于客土的水理性质研究方面，张俊云认为客土有机质质量掺入比应控制在20%以下，超过20%时，客土层的渗透系数会明显增大，当掺入比超过30%时，不利于植物生长；万黎明发现客土内部含水率随深度先增加后减小，添加有机质及保水剂后，增加了客土的吸水速率和吸水性并有效减少客土蒸发速率。石鑫研究了不同用量下的秸秆纤维作为覆盖层对土壤蒸发抑制作用，当在土壤含水量较高的阶段，抑制作用更加明显。

针对上述客土在强度和水理方面存在的问题，该文提出一种新型预制客土块的制备技术。将研制的客土块体采用无侧限抗压强度试验、三轴压缩试验、渗透试验研究不同配比条件下客土块体的强度和渗透性。

2 试验材料和试验方案

2.1 试验材料

试验用料：黄土，干燥状态下最大击实密度为1.66 g/cm3，液限41.46%，塑限18.32%；硅藻土，干燥状态下最大击实密度为0.53 g/cm3；有机高分子纤维A和B长度均为2～5 mm；玉米秸秆长度小于1 mm，天然堆积密度0.13 g/cm3，击实密度0.30 g/cm3；泥炭天然密度0.42 g/cm3，击实密度0.62 g/cm3。所用黄土及硅藻土的粒径累积级配曲线如图1所示。

图1 试验材料的粒径累积级配曲线

2.2 试验方案

为了探究不同原料配比条件下基质客土块的强度规律，首先设计两组试验，第1组变量设计如表1所示。第2组试验样品中除玉米秸秆掺量外其余成分掺量与第1组完全相同。除此以外，添加了10%泥炭(通过前期预试验发现，过多的泥炭掺入比不仅会降低客土块强度，还会产生明显的掉渣现象。在能够起到改善客土土壤环境效果的前提下，选用10%的泥炭作为试验变量对比)，具体变量设计如表2所示。

表1 第1组变量设计表

表2 第2组变量设计表

客土块的制作方法和步骤如下：① 依据表1、2的配比设计，将客土原料及水按质量比为1∶1在搅拌器中混合均匀；② 将混合料分别装入不同模具，每个模具内分4层击实并称重。无侧限抗压强度试验，使用边长为7.07 cm的立方体标准模具制样，三轴压缩试验，使用高8.00 cm、直径3.91 cm的三瓣膜制样，渗透试验，使用模具为高4 cm、直径6.18 cm的环刀制样；③ 放入鼓风干燥箱烘干18 h，取出试样冷却后脱模，称量干重，计算干密度并确保平行试样干密度(图2)的均一性。

图2 试样干密度统计图

2.3 试验方法

对基质客土块进行无侧限抗压强度试验、三轴压缩试验、渗透试验来确定此种客土块的抗压、抗剪强度及渗透性。所有试样均根据GB/T 50123-1999《土工试验方法标准》进行试验。

无侧限抗压强度试验使用自制的应力应变试验仪，采用应变控制，加荷速率1 mm/min，每隔2 s记录试验压力及试样应变，应变达到20%时结束试验，取15%应变时的应力作为峰值强度。每种配比制作3个平行样。

三轴试验采用静三轴剪切试验仪。同一基质配比条件下，对4个试样分别施加围压50、100、200和500 kPa进行不固结不排水试验(UU试验)，试验时，土样分干燥和饱和两种情况,加载速率0.08 mm/min，应变达到20%时结束试验，取应变为15%时的应力，绘制摩尔圆，计算得到基质客土块的内摩擦角及黏聚力。

变水头渗透试验采用渗透仪。试验前将试样在真空饱和器中饱和1 d，每种不同的客土配比制作两个平行样，饱和渗透系数取两组的平均值。

3 试验结果与讨论

由无侧限抗压强度试验和UU试验可知，预制基质客土块的破坏形式以鼓胀为主，没有明显的剪切破坏面。

图3为立方体客土块进行无侧限压缩试验过程中的典型应力-应变曲线。

图3 典型无侧限压缩应力-应变曲线

由图3可知：在20%应变范围内，强度未出现峰值，试样并未发生明显破坏，只是产生轻微的压缩变形，因为立方体试样表面存在结皮，结皮的存在对试样的强度有一定的增强作用。

图4为一组基材配比分别在干燥、饱和条件下的三轴压缩试验中的典型应力-应变曲线。

由图4可知：在饱和条件下，试样的强度显著降低，约为干燥状态下强度的1/6，但无论饱和还是干燥试样，在20%应变内，均未达到峰值强度。

图4 典型三轴压缩应力-应变曲线

图5为秸杆与黄土含量对无侧限抗压强度的影响。

图5 秸秆与泥炭含量对无侧限抗压强度的影响

由图5可知：当试样中没有加入泥炭时，试样的无侧限抗压强度随秸秆掺量的增加呈现出先降低后增大的趋势。当秸秆含量为40%时，强度出现最低值，含量为40%～55%时，随着秸秆含量的增加，试样的抗压强度逐渐增加并恢复，但其极大值为1 MPa仍然远小于秸秆含量为35%时的1.5 MPa。当试样中加入10%泥炭时，试样的无侧限抗压强度随着秸秆百分含量的增加、黄土百分含量的减少，呈下降趋势，整个测试区间内未出现曲线拐点。当秸秆含量由25%增长到50%时(2倍)，试样的峰值强度由1 476 kPa减小为748 kPa(50%)。

此外，无论是否添加泥炭，试样的无侧限抗压强度均与秸秆的添加量呈负相关。对比1组和2组中秸秆百分含量相同的点，不难看出随着泥炭加入，整体上抗压强度降低。因此，泥炭的掺入对试样的无侧限抗压强度影响显著。

图6、7分别为三轴试验的黏聚力、内摩擦角随秸秆不同掺量的变化图。

由图6可知：无论是否添加有机质，当秸秆的含量为30%～50%时，黏聚力值与秸秆的含量呈现负相关。在没有添加泥炭的情况下，当试样中秸秆含量达到55%时(此时黄土含量为0%)，试样的黏聚力并没有如预期那样较低，反而高于邻近的低秸秆含量值，证明秸秆含量应与黄土含量达到一个适合配比才能将试样的黏聚力提高。当试样中添加泥炭后，黏聚力的最小值出现在秸秆含量为25%时，同样证明了试样中并不是黄土含量越高，黏聚力就越大。

图6 秸秆与黄土含量对黏聚力的影响

图7 秸秆与黄土含量对内摩擦角的影响

由图7可知：在没有添加泥炭的情况下，当试样中秸秆含量达到40%时，试样的内摩擦角出现了极小值，其内摩擦角小于邻近的低秸秆含量值，结合图6黏聚力的变化规律和无侧限抗压试验结果(图5)，可以确定秸杆含量达到40%时，试样整体强度较低。当试样中秸秆掺量达到55%时(此时黄土含量为0%)，试样如预期，内摩擦角接近0。当试样中添加泥炭后，试样的内摩擦角较未加泥炭明显减小，内摩擦角的变化范围为0～10°，其值与秸秆含量的关系没有明显的规律性。

图8为秸杆含量对渗透系数的影响。

由图8可知：两组试样的饱和渗透系数都为0.5×10-3～4.0×10-3cm/s，差别不大，秸秆百分含量的增加对渗透性没有实质性的影响。

4 结论

基于不同配比条件下预制客土块的无侧限抗压强度试验、三轴试验和渗透试验结果，得到如下结论：

图8 秸秆与黄土含量对渗透系数的影响

(1) 研制的基质客土最优掺入比为黄土15%，秸秆35%，泥炭10%，硅藻土30%，纤维10%。

(2)在无泥炭掺入时，客土无侧限抗压强度存在最低值(秸秆含量为40%～45%)；有泥炭掺入时，试样强度随着秸秆含量的增加而近似线性减小。相同秸秆含量时，掺入泥炭后客土的无侧限抗压强度比未掺入泥炭时降低。在秸秆含量为35%～50%时，无论是否掺入泥炭，客土的黏聚力都呈下降趋势，但泥炭的掺入减缓了黏聚力下降的程度；内摩擦角在此区间内呈波动状态，加入泥炭后，内摩擦角降低10°左右。

(3) 渗透系数数量级为1×10-3cm/s，秸秆含量对渗透性没有影响；黄土含量降低有利于降低试样密度、减轻掉渣现象，同时增加秸秆可形成骨架，有助于增强韧性；因此可以通过添加适量的植物秸秆与纤维避开抗压强度的最小值区间，在减少黄土百分含量的同时，也能获得较高强度。