3种固化剂对坡地黄土抗冲刷性能的影响

2020-12-29母冰洁王康宏

河南农业大学学报 2020年6期

母冰洁，王康宏

(韩城市水土保持工作站，陕西韩城 715400)

黄土是一种结构疏松、颗粒较细、富含矿物质松散堆积物，渗透性、湿陷性等特性良好，在黄土高原地区分布范围较为广泛。黄土边坡坡面容易在自然条件的影响下，容易造成边坡失稳和水土流失等现象，近年来很多学者应用土壤改良技术和生态护坡新技术对黄土边坡进行防护。王翰越等[1]和吕擎峰等[2]在黄土中掺入石灰、水泥等能够降低黄土冻胀率、提高抗冻性能。刘熙媛等[3]认为黄土中掺加水泥能够提高黄土的抗渗性和抗冻性。范剑明等[4]研究了有机/无机复合新型土壤固化剂对沙土性能的影响。王银梅等[5-6]研究表明黄土中掺加新型高分子土固化材料SH和水泥能够显著提高黄土强度、渗透性和抗剪强度等性能。王银涛等[7]研究了HEC对湿陷性黄土强度及持水性的影响，结果表明随HEC掺量的增加，陷性黄土强度逐渐增加，黄土持水性降低，比水容量逐渐减小。LIU等[8]研究表明沙土中掺加高分子固化剂加可以有效改良沙土的强度特性和渗透性能。徐鹏飞等[9]研究了新型高分子固化剂固化黄土的冻融循环特性的影响。金鑫等[10]研究了碱液对黄土工程性质的研究，表明NaOH掺量和养护温度对黄土强度增长的影响最为显著。目前，关于土壤固化剂对于黄土抗压强度、抗剪强度、抗渗性能和持水性等性能的影响研究较多，但是，在实际工程中，由于黄土性质和抗冲刷能力不同，临界坡度也会随之发生变化，并且已有研究关于适宜的黄土边坡、固化剂掺量、养护期龄和压实度等没有一致的结论。因此，确定适宜的临界坡度范围、固化剂掺量、养护期龄和压实度等条件，对实际边坡工程建设具有重要的实际意义。

本研究以黄河支流无定河岔巴沟流域的黄土为研究对象，采用室内模拟边坡冲刷试验方法，研究了3种不同类型土壤固化剂对不同坡度、养护期龄、压实度和固化剂掺量条件下黄土抗剪切性能、渗透系数和抗冲刷性能的影响，旨在获得适宜的固化剂掺量、养护期龄、压实度和坡度等数据，为加固黄土边坡和防治水土流失提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区选取黄河支流无定河的二级支流的岔巴沟流域(37°43′N，109°55′E)，降水时空分布差异较大，年内季节降雨分布不均，5—10月降雨量占全年降雨量90%以上，多年平均降雨量400 mm，年均蒸发量1 000 mm左右，平均温度8 ℃，霜冻期180 d左右。该地区黄土层厚度大(10～100 m)，地表沟壑发育，地形地貌支离破碎，坡面、坡度变化复杂，流域坡度为15°～40°，平均坡度为(21.2±9.3)°[11]。

1.2 试验材料

试验所用土壤固化剂为EN-1固化剂、SG-1固化剂、W-OH固化剂，分别标记为A、B、C，EN-1固化剂是一种酸基化合物类离子型土壤固化剂(由美国Road Bond公司生产)，密度为1.7 g·cm-3。SG-1固化剂(自制)主要成分为水泥、粉煤灰、生石灰和表面活性剂等高分子材料，常温下为灰白色粉状固体，密度为2.8 g·cm-3[12]。W-OH(江苏杰成凯新材料科技有限公司提供)是一种常温下为淡黄色油状体的改性亲水性聚氨酯复合材料，可与水反应生成弹性固化体，密度为1.18 g·cm-3。试验所用黄土取自岔巴沟流域原状黄土，取样位置位于洛川县城以南约6 km的国家地质公园内，收集深度为0.1～1 m，将所有采回的样品混合均匀风干后，过5和2 mm的筛网备用。黄土基本物理性质如表1所示。

1.3 试验设计与方法

室内土壤物理试验温度控制在21 ℃左右。试验设置5个固化剂掺量处理和1个对照组，设置3个养护龄期，5个压实度(密度与最大干密度的比值)处理，每个处理处理设置3个重复，设置土壤质量含水率为10.9%。养护期龄设置为4、7和15 d；固化剂掺量(质量比,%)设置5个处理和1个对照组，即为0(对照)、0.1、0.5、1.0、1.5、2.0；压实度设置5个处理，分别为0.80、0.85、0.90、0.95、1.00。

表1 黄土基本物理性质

将不同类型、不同掺量的固化剂与把不同含水率(质量含水率)的土样按试验设计混合后搅拌均匀，在密闭容器中静置24 h后，装入容积为60和120 cm3的环刀，将其放入压样器内，应用静力压力法将土压入环刀内，制成压实度为设计要求的试样，将其放置于塑料袋内在室内(环境温度为20 ℃)养护至4、7和15 d时进行直剪试验和渗透试验。

试验采用单因素试验方法。压实度为常量(0.95)时，固化剂掺量和养护龄期为变量；当固化剂掺量、养护龄期为常量时(分别为1.0%、7 d)，压实度为变量。当试样养护时间达到设计龄期后，测试黄土试样的抗剪强度和渗透系数。

1.3.1 抗剪强度的测定土壤抗剪强度采用直剪仪测定，试验步骤参照《土工试验方法标准GB/T50123—1999》进行[13-14]。每组试验设置4个样品，垂直压力为100、200、300、400 kPa，剪切速度为0.8 mm·min-1(4 r·min-1)，直至试样剪切破坏。剪应力计算公式如式(1)。

(1)

式中：f为剪应力(kPa)；R为量力环测表读数(0.01 mm)；C为量力环率定系数(kPs·(0.01 mm)-1)；A0为环刀面积(cm2)。

抗剪强度计算公式如式(2)。

τ=c+σtanφ

(2)

式中：τ为抗剪强度(kPa)；σ为作用在剪切面上的法向应力(kPa)；φ为内摩擦角(°)；c为黏聚力(kPa)。

1.3.2 渗透系数的测定利用变水头法测定黄土的渗透系数，测试前用真空饱和法使试样充分饱和[15]。标准温度下的渗透系数计算公式[16]如式(3)。

(3)

式中：KT为水温T℃时试样的渗透系数(cm·s-1)；K20为在标准温度(20 ℃)时试样的渗透系数(cm·s-1)；ηT为在T℃时水的动力黏滞系数(kPa·s(10-6))；η20为在20 ℃时水的动力黏滞系数(kPa·s(10-6))。

1.3.3 坡面冲刷试验试验装置参照梁止水等[17]的试验装置，试验前先将按试验设计掺加不同类型固化剂(掺量为0(对照)、0.1%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%)的黄土按不同的压实度(0.80、0.85、0.90、0.95、1.00)分层填入冲刷土槽内，厚度为40 cm。当其达到设计养护期龄(4、7、15 d)后开始冲刷试验，结合当地降雨强度冲刷流量选择为4 L·min-1的降雨强度，坡度根据野外实际自然坡度选取为15°、20°、30°、40°。每次冲刷时间为30 min，当冲刷20 min后，收集1 min内的径流泥沙样，试验结束后用烘干法测定泥沙量。压实度常量(0.85)时，固化剂掺量为变量；当固化剂掺量、养护龄期、坡度为常量(分别为1.0%、7 d、30°)时，压实度为变量，每个处理设置3个重复。

2 结果与分析

2.1 固化剂对黄土抗剪强度的影响

不同固化剂掺量对黄土抗剪强度的影响如图1所示。从图1中可以看出，掺加固化剂黄土的内摩擦角和黏聚力与对照组相比均有显著增强，但是固化剂对黏聚力的影响大于内摩擦角的影响，通过方差分析分析发现，各处理间均达到显著水平。不同固化剂对黄土内摩擦角的影响大小为B(SG-1)>A(EN-1)>C(W-OH)，对黏聚力的影响依次为C>B>A。

养护期龄相同条件下，A掺量为0.1%～1.0%时，黄土内摩擦角和黏聚力随固化剂掺量的增加而逐渐增大，当掺量大于1.0%时，内摩擦角和黏聚力随掺量的增加而呈逐渐减小的变化趋势。养护期龄为15 d时，不同掺量条件下，内摩擦角和黏聚力相比对照分别提高了2.4%、4.0%、5.2%、4.6%、4.5%和40.3%、43.3%、60.4%、60.3%、58.7%，表明当A的掺量超过最佳值后，黄土抗剪强度会逐渐降低，从而降低固化剂的有效利用率。内摩擦角和黏聚力随B、C掺量的增加呈逐渐增加趋势。在15 d期龄不同掺量条件下，掺加B固化剂后内摩擦角和黏聚力相比对照分别提高了2.7%、4.6%、6.4%、7.1%、7.3%和45.2%、48.6%、60.7%、63.4%、69.6%，掺加C固化剂后分别提高了2.8%、4.4%、5.3%、5.9%、6.2%和47.4%、57.3%、64.3%、79.6%、85.3%。通过方差分析发现，掺加不同掺量B、C固化剂后，相比对照组内摩擦角和黏聚力差异显著。表明当期龄相同时，掺加B、C固化剂能有效增强黄土抗剪强度。A掺量大于0.5%时，其内摩擦角和对照组相比差异较大，但各掺量间差异较小。表明A掺量大于0.5%，能提高黄土内摩擦角和黏聚力，同时增强其抗剪强度，但是固化剂有效利用率逐渐减小。为使黄土具有较好的抗剪强度和适宜的经济效益，建议在实际应用中，A(EN-1)掺量为0.5%，B(SG-1)、C(W-OH)掺量为1.0%。

注：图中A、B、C分别为EN-1、SG-1、W-OH 3种固化剂，4 d、7 d、15 d为养护期龄，如A-4d为添加EN-1固化剂后养护期龄为4 d,下同。

固化剂掺量相同时，黄土内摩擦角和黏聚力与养护期龄呈正相关关系，并且各处理间差异显著。掺量为1.0%时，不同养护期龄下，黄土摩擦角和黏聚力随养护期龄增大和对照组间的差异越大，掺加A固化剂后摩擦角和黏聚力比对照组分别增加了3.8%、4.4%、5.2%和13.2%、37.6%、60.4%；掺加B固化剂分别增加了3.6%、6.3%、6.9%和24.2%、51.1%、60.7%；掺加C固化剂后分别增加了3.7%、5.4%、7.3%和31.1%、60.0%、75.4%。随养护期龄增加，固化剂和土壤颗粒间的反应越充分，土体抗剪强度越高。建议在实际工程应用中，掺加固化剂后养护期龄不能小于7 d，才能显著增强黄土抗剪强度。

固化剂类型是影响黄土固化效果的重要因素之一[18]。图2为黄土压实度与抗剪强度的影响关系。从图2可以看出，固化剂掺量为1.0%，不同压实度条件下，不同固化剂对内摩擦角影响大小为B>A>C，对黏聚力影响大小为C>B>A。黄土中掺加固化剂后，各处理间差异均达到显著水平，表明增加黄土压实度有利于提高黄土抗剪强度，压实度对改性后土样的抗剪强度影响较大[19]，掺加固化剂后，如果压实度较低，固化剂对黄土强度影响较低[20]，将其夯压密实，使土壤颗粒间紧密结合，固化剂才能与土壤颗粒充分反应，使其具有较高的强度，从而提高固化剂有效利用率。当压实度较小时(0.80～0.90)，试样土壤相对较为疏松，颗粒间结合不紧密，抗剪强度增加较缓慢；随着压实度增加(0.90～0.95)，土壤颗粒间逐渐结合紧密，黄土抗剪强度增加较快；当黄土压实度大于0.95后，黄土内摩擦角和黏聚力变化较小逐渐趋于稳定，抗剪强度指将趋向恒定，韩信来等[21]研究表明延安地区土壤中掺加固化剂后压实度控制在0.96以上。因此，在实际应用中，黄土中掺加固化剂后，建议压实度控制在0.95以上。

注：图中A-1.0%、B-1.0%、C-1.0%分别表示EN-1、SG-1、W-OH 3种固化剂掺量为1.0%。下同。

2.2 固化剂对黄土渗透系数的影响

图3为固化剂掺量和期龄对黄土渗透系数的影响。从图3可以看出，固化剂能够极大地降低黄土渗透系数，显著改善黄土渗透性，固化剂掺量、期龄对黄土渗透性数的影响较大。

图3 固化剂掺量对黄土渗透系数的影响

在相同期龄下，掺加不同固化剂后，黄土渗透系数随掺量的增加呈逐渐降低趋势。当期龄为7 d，黄土渗透系数随A固化剂掺量的增加相比对照分别降低了48.3%、53.2%、61.5%、64%、66%；掺加B固化剂后比对照组分别降低了55.2%、63.1%、73.4%、75.8%、78.3%；掺加C固化剂后比对照分别降低了72.7%、84.5%、91.7%、92.5%、93.5%。不同固化剂对黄土渗透系数影响与对照组相比差异显著，但不同掺量间差异较小。表明黄土中掺加固化剂均能对土壤起到一定的固化作用，使土壤结构趋于稳定，黄土抗渗性能得到改善，但是固化剂掺量对黄土抗渗性能的影响不大。

当掺量一定时，渗透系数随期龄的增加而呈逐渐降低趋势。当掺量为1.0%时，在不同期龄下，掺加A固化剂后，渗透系数比对照组分别下降了38.3%、61.6%、69.7%；掺加B固化剂后，渗透系数分别下降了49.2%、73.3%、76.8%；掺加C固化剂后，渗透系数分别下降了82.9%、91.7%、91.4%。当期龄为7和15 d时，渗透系数降低幅度较大，相比对照组降低了0.6～0.9倍左右，掺加固化剂能够明显提高黄土的抗渗性能。

掺加固化剂后，土壤颗粒间隙在固化剂胶结作用下逐渐消除，增强土壤颗粒间的联结力，提高了黄土的紧密程度；随着龄期增长，固化剂胶结作用发挥越充分，降低了黄土渗的透系数，从而改善了黄土的抗渗性能[22]。因此，在实际应用中，黄土中掺加固化剂后，想使其具有较好的抗渗性能，应尽可能延长养护龄期，至少要在7 d以上。

图4为压实度对黄土渗透系数的影响。从图中可以看出，黄土渗透系数与黄土压实度成反比关系，掺加A、B、C 3种固化剂后，压实度从0.80变为0.95时，渗透系数分别下降了94.12%、92.04%、93.45%，对照组下降了85.73%；当压实度从0.95变为1.00时，渗透系数分别下降了0.21%、0.15%、0.01%，对照组下降了2.86%。压实度小于0.95时，压实度对渗透系数的影响较大[23]。压实度较小时，土壤颗粒间结构较松散，增大压实度能够减小土壤颗粒间空隙，增强土壤结构，使固化剂与土壤颗粒充分反应，从而提高黄土抗渗性能。当压实度大于0.95时，黄土渗透系数基本趋于稳定。实际应用中，为确保较低的黄土渗透系数，应尽量增大其压实度，建议压实度至少在0.95以上。

图4 压实度对黄土渗透系数的影响

2.3 固化剂对黄土抗冲刷性的影响

图5为固化剂掺量对不同黄土坡面径流含沙量的影响。从图中可以看出，黄土径流含沙量与固化剂掺量间成反比关系，固化剂掺量越高径流含沙量越低[24]，养护期龄与径流含沙量也成反比关系。坡度为15°，期龄为15 d时，不同固化剂掺量下，掺加A固化剂后径流含沙量比对照组分别下降了27.6%、38.8%、39.4%、44.7%、48.0%；掺加B固化剂后分别下降了33.65%、40.0%、47.1%、49.0%、52.3%；掺加C固化剂后分别下降了20.3%、32.2%、37.3%、39.2%、41.1%。与对照组相比掺加固化剂能够显著降低黄土径流含沙量，但是当A掺量大于0.5%后各掺量间差异较小，B、C掺量大于1.0%后各掺量间差异较小，同时，不同固化剂对黄土径流含沙量的影响大小为B>A>C。由前面分析可知，掺加固化剂增强了土壤颗粒间联结力，提高了黄土的抗剪强度，同时能够增强黄土抗冲刷能力。当坡度为15°，固化剂掺量为1.0%时，不同期龄下，掺加A固化剂与对照组相比径流含沙量下降了28.2%、35.6%、39.5%；掺加B固化剂径流含沙量下降了32.5%、38.7%、45.5%；掺加C固化剂黄土径流含沙量下降了26.7%、33.2%、37.5%。养护期龄越长黄土径流含沙量越小，建议实际应用中应尽量延长其养护期龄。

当固化剂掺量一定时，黄土径流含沙量随坡度的增大先减小后增大，当坡度大于30°后，黄土径流含沙量逐渐增大，当坡度小于30°时随坡度增大径流含沙量逐渐降低。固化剂掺量为1.0%，养护期龄为7 d时，在不同的坡度条件下，掺加A固化剂后，黄土径流含沙量相比对照分别下降了34.0%、39.3%、46.5%、41.9%；掺加B固化剂后，黄土径流含沙量相比对照分别下降了37.4%、43.3%、48.1%、44.5%；掺加C固化剂后，黄土径流含沙量相比对照分别下降了29.7%、34.7%、42.8%、38.9%。当坡度小于30°时，由于坡度较小，黄土入渗速率较大，大部分降雨在坡面入渗，坡面不易形成径流，随时间变化坡面产流迅速形成，同时坡面含水率较高，坡面容易被冲刷，径流含沙量较高。随着坡度增大，虽然坡面容易形成径流，并且流速较大，但是坡面入渗水量较少，坡面含水率较低，同时黄土抗剪强度较大，从而导致径流含沙量降低，坡面具有较好的抗冲刷性能。当坡度大于30°时，径流流速过大，从而导致外力作用大于黄土抗剪强度，同时相关研究表明，随坡度增大，坡面径流流态表为紊流，更易冲刷坡面，最终导致径流含沙量逐渐增大[25-26]。坡度是坡面土壤侵蚀的重要影响因素，坡面径流与坡度相关关系存在临界坡度。

图5 固化剂掺量对不同坡度黄土径流含沙量的影响

图6为压实度对黄土径流含沙量的影响。在养护期龄、固化剂掺量、坡度相同条件下，压实度从0.80增加到0.95后，掺加固化剂能够大幅度降低黄土径流含沙量，压实度大于0.95后，对径流含沙量的影响较小。掺加A、B、C 3种固化剂后，压实度为0.95时径流含沙量比压实度为0.80时分别降低了32.4%、31.6%、35.4%，对照组下降了37.4%；当压实度从0.95增大到1.00时，径流含沙量分别降低了1.4%、2.9%、3.2%，对照组下降了6.3%。表明在掺加固化剂的同时增大黄土坡面压实度，有利于固化剂与土壤颗粒充分反应，使黄土颗粒间紧密联结，增强黄土的紧实度和强度，使黄土具有较好的抗冲刷性，可以有效减小坡面径流含沙量。掺加固化剂后压实度大于0.95时，黄土坡面具有稳定、良好的抗冲刷性能。