河床基底重构复合土控渗试验研究

2022-08-09高金花黄森军赵进勇

人民黄河 2022年8期

高金花，李明，陈卓，魏俊，黄森军，赵进勇

（1.长春工程学院水利与环境工程学院，吉林长春 130012； 2.吉林省水工程安全与灾害防治工程实验室，吉林长春 130012； 3.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122；4.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

我国北方大部分地区干旱缺水，季节性特征明显，当河流渗漏严重、生态需水量得不到满足时易引起生态环境恶化、生态系统受损等问题，在河流的生态修复与治理过程中，控渗技术对改善河床底质土壤性能、减少水资源浪费具有重要的意义。近年来，控渗技术发展迅速，在工程中得到了广泛应用并取得一定的效益［1－2］。目前，河道、渠道的主要减渗措施可分为河道硬化处理减渗、复合土工膜减渗、黏土减渗、膨润土防水毯减渗和复合土料减渗等［3－6］。其中复合土料减渗是把各种材料配制成复合土进行减渗的方式，例如三合土减渗、水泥潜入土减渗、固化剂土减渗等［7－8］，该减渗方式配料以工程区素土为主，材料天然、生态效果好，但目前对于其掺料类型和配比还需进一步研究。

纤维加筋技术是改良土壤工程特性常采用的方法。有良好力学性能的纤维在土体中随机分布时，能以一种较为均匀的方式加固强化土壤［9－10］。国内外学者围绕纤维加筋技术开展了一系列研究并取得大量成果。王亚军等［11］在土壤中加入聚丙烯纤维材料，通过无侧限抗压试验研究了纤维材料对固化土无侧限抗压强度的提高程度。常志璐等［12］对植物加筋固化土进行了抗压强度和渗透正交试验。曹雅娴等［13］在硅粉水泥土中掺加聚丙烯纤维，研究水泥土改良后的力学性能。 Kumar 等［14］根据软黏土性质选择掺加聚酯纤维对土体进行改良，有效提高了其无侧限抗压强度。Yetimoglu 等［15］通过对比试验探索了纤维掺量对土壤残余剪切强度的影响规律。 Ramkrishnan 等［16］通过试验研究了剑麻纤维对黏土和沙壤土强度增强的特性。已有研究表明纤维的掺入可以对土壤膨胀特性、固结特性和力学性能起到改善效果，纤维作为一种工程性质良好且天然易获取的加筋混掺材料已得到很多关注［17］。

目前，国内外复合土控渗技术研究主要集中在减渗性能上，针对其力学性能的研究较少。笔者利用膨润土和植物纤维材料对土壤进行配比重构得到减渗复合土，探究了复合土的渗透系数、无侧限抗压强度随各材料变化的规律。

1 试验材料与研究方法

1.1 试验材料

1.1.1 土壤材料

土样取自济南市创新谷河流漫滩区，取土深度20～100 cm。土壤质地均匀，含少量植物根系、孔洞和砂砾，主要为含砂粉质黏土，呈黄褐色，属级配不良土体，力学性能较差，其基本物理指标见表1，颗粒级配曲线见图1。1.1.2 膨润土材料

表1 土样的基本物理指标

试验选取钙基膨润土、人工纳基膨润土和天然纳基膨润土3 种类型的膨润土作为主要掺加材料。膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿物材料，蒙脱石含量为70%～95%，物理化学性质主要取决于蒙脱石含量与类型，基本性能参数见表2。

表2 膨润土材料的基本性能参数

3 种类型膨润土主要化学成分见表3。人工钠基膨润土是由钙基膨润土通过物理化学手段添加大量钠离子形成，因此二者主要化学成分含量相近。

1.1.3 植物纤维材料

试验采用椰壳纤维和剑麻纤维两种类型植物纤维作为纤维加筋材料，这两种纤维易获取，具有优良的耐久性、耐湿性和力学性能，基本性能参数见表4。

表4 纤维材料的基本性能参数

1.2 试验方法

1.2.1 变水头渗透试验

试验采用五联变水头渗透装置进行，试样按照《土工试验规程》（SL 237—1999）扰动土预备程序制作，以1.6 g／cm3的干密度进行配比混掺，标准试样尺寸为6.18 cm×4.00 cm（直径×高），同一配比试样制备2 块，确保不同试样的密度、含水率差在1%之内，外观无明显差异。试样制作完毕后置入渗透仪，在浸泡箱进行土壤水饱和处理，预饱和后放入渗透装置，并调试供水设备进行试验。渗透仪出水稳定后开始记录数据，根据渗透速度每隔15 min 或1 h 测记一次数据，重复测量5～6 次。当同样间隔时间内水分入渗速率稳定时结束试验。

以膨润土类型和掺量作为影响因子，膨润土类型分别为天然纳基膨润土、人工纳基膨润土、钙基膨润土，膨润土掺量分别为3%、6%、9%、12%、15%、18%、21%，共制作42 块试样。

植物纤维材料配比方案见表5，以纤维类型、纤维长度和纤维掺量作为影响因子，共制作24 块试样。

表5 植物纤维配比方案

1.2.2 无侧限抗压强度试验

土体的黏聚力和内摩擦角等与无侧限抗压强度有较强的相关关系，研究无侧限抗压强度可以判断材料对复合土力学性能的影响。试验使用万能压力试验机进行，采用三瓣轻型击实仪制备试块，以1.6 g／cm3的干密度进行配比制作，标准试样尺寸为6.18 cm×12.50 cm（直径×高），含水率控制在17%，天然纳基膨润土掺量为15%，纤维类型、长度、掺量配比同表5，对应4 个方案编号为A ～D，同一配比试样制备2 块，共制备试样24 块。试样制作完毕后放入标准恒温恒湿养护箱（养护温度20 ℃±2 ℃，湿度＞90%）养护至设计龄期7 d 后进行试验，记录破坏荷载并计算无侧限抗压强度。

2 试验结果与分析

2.1 膨润土对复合土渗透系数的影响

膨润土掺量对渗透系数的影响见图2。由图2 可知：3 种类型膨润土都具备良好的减渗效果，等掺量的情况下，减渗效果强弱排序为天然纳基膨润土、人工纳基膨润土、钙基膨润土；当掺量达到21%时，天然纳基膨润土、人工纳基膨润土、钙基膨润土3 种类型复合土渗透系数分别为5.1×10－8、8×10－8、6.5×10－8cm／s。当3 种膨润土掺量为15%时，复合土渗透系数相对于素土可减小2～3 个数量级；掺入钙基膨润土和人工钠基膨润土时，土壤渗透系数随掺量变化规律趋于一致，原因主要是二者化学成分相近；当掺量为3%～15%时，3种类型复合土渗透系数下降较快，当掺量高于15%时，渗透系数下降速率逐步降低，对于掺入同一种类型膨润土的复合土，膨润土掺量是影响渗透系数的主要因素，膨润土掺量每提高3%，复合土的渗透系数都会在原有基础上下降30%到60%。

当膨润土掺量在3%～21%变化时，随着掺量的提高，不同类型膨润土的减渗效果差异呈现减小的趋势。其主要原因是试样土壤结构中的有效孔隙和水通道被膨润土细粒遇水膨胀后形成的胶体颗粒逐步填充阻隔，当有效孔隙和水通道数量减少至一个较低水平时，增加膨润土颗粒无法使剩余的有效孔隙和水通道数量进一步减少。

通过调节不同类型膨润土的掺加量可以控制渗透系数，当天然纳基膨润土掺量达15%、人工纳基膨润土掺量达18%、钙基膨润土掺量达18%时，复合土渗透系数达1×10－7cm／s。

将3 种类型膨润土渗透系数进行拟合（见图3），拟合公式可为同类型工程膨润土材料选择提供参照。当膨润土掺量小于15%时，膨润土类型对渗透系数有一定影响；当掺量超过15%时，膨润土类型对渗透系数影响较小。

钙基膨润土掺量为3%～15%、15%～21%时，复合土渗透系数与掺量拟合关系式分别为

人工钠基膨润土掺量为3%～15%、15%～21%时，复合土渗透系数与掺量拟合关系式分别为

天然钠基膨润土掺量为3%～15%、15%～21%时，复合土渗透系数与掺量拟合关系式分别为

式中：y为渗透系数，cm／s；x为膨润土材料掺量；R2为拟合优度。

可见，R2均大于0.95，说明关系式拟合度均较高。

2.2 不同类型植物纤维掺量对复合土渗透系数的影响

不同类型植物纤维掺量对复合土渗透系数的影响见图4。由图4 可知：椰壳纤维和剑麻纤维能一定程度提高复合土的渗透系数，掺量在0.25%～0.75%范围增加时，复合土渗透系数增大速率逐步减小；纤维掺量为0.25%时，复合土最大渗透系数为素土渗透系数的1.254 倍；纤维掺量为0.75%时，复合土最大渗透系数为素土渗透系数的1.534 倍。当纤维掺量和纤维类型相同时，方案一和方案三增渗效果较好，说明1 cm 短纤维对渗透系数增大效果强于2 cm 长纤维的，这可能是长纤维与短纤维在土体中分布时形态差异引起的，纤维使渗透系数增大的主要原因是纤维与土壤的接触面沿纤维轴向会形成一定量水分子运移通道，纤维与土壤混合并随机分布于土体时，长纤维易产生更大弯曲量，在土壤中形成更多高弯曲度的纤维条，当水分子沿纤维轴向运移时，曲折的纤维降低了水分子在土壤中沿垂向渗透效率，增加了水分子沿其他方向的无效运移量。当纤维掺量和纤维长度相同时，方案一和方案二增渗效果较好，说明椰壳纤维对渗透系数的增大效果强于剑麻纤维的，原因是两种纤维束的宽度和表层粗糙度差异较大，椰壳纤维的单个纤维束的截面和表面粗糙度都大于剑麻纤维束的，这导致椰壳纤维束与土体颗粒接触面更大，使椰壳纤维与土壤接触面易形成更多的水分运移通道。

2.3 不同类型植物纤维掺量对复合土无侧限抗压强度的影响

不同类型植物纤维掺量对无侧限抗压强度的影响见图5。由图5 可知，椰壳纤维和剑麻纤维都可以有效提高复合土的无侧限抗压强度，4 种方案掺量从0.25%到0.50%变化过程中无侧限抗压强度提高较多，掺量从0.50%到0.75%变化时提高较少。当纤维掺量和纤维长度相同时，方案A 和方案B 无侧限抗压强度提高较多，说明椰壳纤维对复合土强度的提高效果强于剑麻纤维的，例如掺入量为0.25%时，方案A 对无侧限抗压强度的提高量是方案C 提高量的1.405倍；当纤维掺量和纤维类型相同时，方案B 和方案D无侧限抗压强度提高较多，说明2 cm 长纤维对土壤无侧限抗压强度的提高效果大于1 cm 短纤维的，例如掺量为0.25%时，方案D 对无侧限抗压强度的提高量是方案C 的1.213 倍。两种类型纤维对土壤无侧限抗压强度提高程度的不同可能是纤维束特征差异导致的，纤维提高复合土强度的重要原因是纤维与土料混掺后，两者之间产生的摩擦阻力可以限制变形，即当土体产生相对位移或者破坏开裂时，纤维与土体会产生一定的摩擦力，起到加筋连固作用，减小形变或者形变趋势。而两种纤维束的宽度和表面粗糙度差异较大，椰壳纤维的单个纤维束的宽度远大于剑麻纤维束的，同时椰壳纤维束的表面粗糙度也大于剑麻纤维束的，这导致了椰壳纤维与土壤接触面摩擦固定效果更强，更大幅度提高了无侧限抗压强度。 2 cm 长纤维对强度的提高效果强于1 cm 短纤维的，原因是长纤维在土体中随机分布时更易形成相互交错的结构网格，在纤维与土壤颗粒摩擦时提高纤维束多向受力程度，将更多土壤颗粒固结成为整体，从而提高土体的整体性和无侧限抗压强度。植物纤维提高了复合土无侧限抗压强度，能改善耐久性并减少受外力影响时的破坏，有利于复合土控渗。