秸秆纤维加筋加固土抗降雨冲刷试验研究

2023-01-08曾坤翔江丽君张晓超裴向军

地质灾害与环境保护 2022年4期

曾坤翔，江丽君，张晓超，裴向军

（1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），成都 610059；2.九寨沟管理局，阿坝 623402）

派墨公路起于米林县派镇，穿越多雄拉山体后沿多雄河展线，经汗密、老虎嘴隧道，止于墨脱县解放大桥，全线长约66.7km，是到达墨脱的重要交通要道。敏感脆弱的生态环境、复杂的地质条件、多变的气候条件都对派墨公路开挖边坡的稳定性防护和生态恢复工作提出了更高的要求。

多雄拉工业广场边坡是派墨公路沿线开挖面积最大、海拔最高的开挖边坡。该区域气候寒冷，全年冻结期可达6～7个月，年均气温较低，冻融侵蚀严重。开挖边坡冰水堆积体胶结断裂，结构松散，植被无法生长，水土流失严重。传统的工程护坡技术以防灾救灾为主，能有效提高边坡稳定性，但大多结构选择以钢筋、混凝土为主，易造成环境污染，破坏生态景观。为认真贯彻落实习近平总书记在西藏和平解放70周年之际提出“加强重要江河流域生态环境保护和修复，统筹水资源合理开发利用和保护”的精神，通过研发适用于高寒地区的生态加固技术，在提升边坡浅表层稳定性的同时，解决生态恢复难题。

目前，化学和物理加固技术用于土壤结构改良的研究不断增加。在化学加固技术上，夏海江等［4］提出聚丙烯酰胺（PAM）固化剂能有效降低坡面土壤侵蚀情况。陈涛等［5］选择HEC固化剂提高土体强度和抗侵蚀能力。张丽萍［6］通过对比研究4种土壤固化剂对黄土力学特性的影响，总结出EN-1和LUKANG更适用于黄土边坡坡面防护工程。裴向军、杨晴雯等［12－13］用M-CMC土壤固化剂提高土体水稳性和强度，研究其抗降雨侵蚀特性和抗冻融特性。在物理加固技术上，天然植物纤维作为物理加筋材料在土壤结构改良的应用越来越广泛，深受人们关注。植物纤维引入基材加固中可以提高抗压强度［8］、抗剪强度［9］和保水性［11］。在边坡防护措施中，化学加固技术和物理加筋固土技术都得到了广泛的应用，但在化学固化土中加入植物纤维的研究较少。

综上所述，本文结合多雄拉工业广场开挖边坡气候特征，选取改性材料和秸秆纤维加固砂土，设计正交试验，测试不同配比下加固土的基础物理力学性能，筛选主控因素，探寻次要因素的最优掺量，并进一步研究在主控因素为单一变量情况下的抗降雨特性，确定最优掺量。结合扫描电镜试验，探求秸秆纤维加筋固化土的内在机制，以期解决高寒地区开挖边坡降雨侵蚀严重、生态修复等难题。

1 试验设计

1.1 试验材料

试验材料有砂土、改性材料、秸秆纤维和水，砂土取自多雄拉工业广场开挖后的冰碛堆积物，经自然风干后过2mm筛使用，筛分后砂土的物理力学指标见表1；改性材料为成都理工大学裴向军教授团队自主研发的土壤固化剂，是由多种有机溶液通过混合形成的生态修复材料；纤维选用长度10mm的小麦秸秆；水为自来水。

表1 砂土物理力学指标

1.2 试验制备

按设计配比称取材料，将4种材料混合搅拌均匀，采用1.65g／cm3的制样密度填充到不同的模具中，养护7d固结成型后，测定物理力学性质。

1.3 试验和数据分析方法

1.3.1 基础物理力学性能试验

在室内试验中选用改性材料、水和秸秆纤维作为主要控制因素，通过查阅相关文献，确定改性材料一般占土质量比为0.144%～0.324%［5］、水占土质量为12%～18%（根据砂土最优含水率确定）和秸秆纤维占砂土质量0.1%～0.3%［10］。参照加固土的最大干密度的90%和最优含水率设计［19］，本次试验采用的因素与对应的水平数见表2。设计L9（34）正交试验如表3所示，其中对照组ck只添加质量占比为12%的水。为了研究材料配比对渗透性和强度的影响，本文对不同配比的加固土进行渗透性测试和强度测试。

表2 试验因素与水平

表3 正交试验表

（1）渗透性试验

采用真空饱和仪使土样完全饱和。取出土样装至仪器，记录不同材料掺量下土样的恒定水头渗透系数数据。每个处理水平设置3个重复，计算其平均值。

（2）直接剪切试验

土的抗剪强度是反映固化材料对土壤胶结作用的重要指标，成型试样强度试验参照《土工试验方法标准》（GB／T 50123－2019）［20］进行。

1.3.2 抗降雨冲刷试验

本次降雨模拟试验装置主要由降雨器和降雨槽构成。降雨器采用西安淼森电子科技有限公司生产的野外便携式人工模拟降雨器MSR-S20-W1100（1500）型号。降雨槽选择尺寸为50cm×50cm×10cm，底部均匀打孔的不锈钢材质制作而成，降雨槽前端焊接集沙槽，便于收集径流和泥沙样本。本次试验根据多雄拉工业广场扰损边坡所处地区的极端天气，雨强分别选择60mm／h、90mm／h和120 mm／h，分别代表中、大和特大暴雨，降雨方式为连续降雨，每个雨强下降雨时长为30min，取样间隔时间为2min。为保证雨滴以固定速度下降，降雨高度设置为3m。根据研究区地形地貌，室内试验边坡坡度取50°模拟。选择坡面侵蚀过程、产流产沙量及强度作为分析指标，探究纤维加强型基材与纯土相比，在不同雨强下，抗侵蚀性能优劣，并且得出最优掺量配比。

1.3.3 SEM微观结构试验

SEM微观结构测试采用成都理工大学生态环境学院的Prisma E扫描电镜设备进行。将养护后的试样敲碎成小块，用吸力球去除表面浮土，得到结构完整的天然断面，再放入镜下观察。

2 试验结果与分析

2.1 正交试验性能指标分析

2.1.1 渗透性试验

加固土的渗透性能与植被水肥补给和稳定性密切相关。渗透性过低时，降雨或灌溉水分易沿坡面径流流失，土壤板结，影响植被生长。渗透性过高时，土体易饱和，孔隙水压力增加，强度减弱，易失稳。通过研究加固土与纯土的渗透性能，对比改性材料和秸秆纤维对土渗透性的影响。

正交试验不同试样渗透系数如图1所示。在天然状况下，对照组ck试样渗透系数为9.344×10－4cm／s，不同配比加固土的渗透系数均小于对照组ck。1＃试样在3个变量都为低掺量的情况下，渗透系数接近纯土，降低幅度最小，约为8%。4＃、7＃和8＃试样渗透系数降低幅度较小且较为接近，其改性材料和秸秆纤维两者都为高掺量，改性材料使细颗粒聚集，土体孔隙增大。秸秆纤维作为1cm粗颗粒拌入土体后，致使土体粘结作用减弱，基质吸力减少，渗透性较高。2＃和5＃试样渗透系数中等，在同样含水率的土体中，掺入低掺量的改性材料和秸秆纤维，土中胶结作用增强，基质吸力增大，水分运移通道受阻，渗透性更低。3＃、6＃和9＃试样在高含水率情况下，土体内一部分孔隙被填充，渗透路径减少，渗透系数偏低，降低幅度分别为60%、55%和67%。

图1 不同试样渗透速率对比图

2.1.2 直接剪切试验

将根土复合剪切仪的数据按《土工试验方法标准》进行处理，获得试样黏聚力c和内摩擦角φ，结果如下图2所示。

图2 不同试样抗剪强度对比图

与纯土试样相对比，所有加固土试样黏聚力均大于纯土，其中1＃和9＃试样，提高效果不明显。1＃试样的3个变量都为最低，加固效果不明显。9＃试样秸秆纤维为低掺量，改性材料为高掺量，抗剪强度提高不明显。剩余试样黏聚力显著提高，其中5＃试样黏聚力最大为107kPa，与未加固土相比，黏聚力提高幅度为70%。

内摩擦角变化范围为32.33°～36.96°，变化范围不大，可知改性材料和秸秆纤维对内摩擦角几乎无影响，这与现阶段国内外研究结论一致。

2.1.3 正交试验结果分析

通过SPSS软件，选择一般线性分析，分析各因素对加固土试验性能的影响。

（1）A－改性材料

由表4可知，在渗透性试验测试结果中，极差居中，改性材料对渗透系数影响居中。在直剪试验中，改性材料极差最小，对抗剪强度影响最小。

由图3可知，当掺量为0.234%时，黏聚力c存在极大值，渗透系数中等，存在最优掺量可能性。扰损边坡生态修复中，加固土强度增加，土体的孔隙变小，渗透性能减弱，不利于植物生长。因此，改性材料掺量不宜过高，选择占土质量的0.234%为最优掺量。

（2）B－水

由表4可知，在渗透性试验中，RB＞RA＞RC，极差最大，对土体渗透性能影响最大，是该指标的主要影响因素。在直剪试验中，极差居中，对抗剪强度影响居中。

表4 测试结果极差分析

由图3可知，在渗透性试验中，当初始含水率为18%时，渗透系数最小。其原因为高含水率加固土的一部分孔隙被水填充，气体渗透路径减少，致使加固土渗透系数降低。在直剪试验中，当掺量为15%时，c值存在极大值，可视为最优掺量。φ值变化范围为33.2°～35.7°，变化幅度不大，对内摩擦角几乎无影响。综合考虑，水掺量占土体质量的15%时抗剪强度最优，渗透系数居中，视为最优掺量。

（3）C－秸秆纤维

由表4可知，在渗透试验中，极差最小，秸秆纤维对渗透性影响最小。在直剪试验中，RC＞RB＞RA，极差最大，对抗剪强度影响最大。是该指标的主要影响因素。但内摩擦角变化范围不大，对内摩擦角几乎无影响。

由图3可知，秸秆掺量提高，加固土黏聚力增加，当掺量为最大值0.3%时，c值最大，但未出现极大值。综合考虑，秸秆掺量的3种配比中，0.3%为最优。在渗透性和强度试验中，与其他材料相比，秸秆纤维对土体抗剪强度影响最大。

图3 物理力学性能与各因素变化趋势图

针对多雄拉工业广场扰损边坡存在浅表层崩落特征，为进一步提高基材稳定性，应将强度试验作为首要考虑因素。通过以上试验结果分析可以得出：主控因素依次为C（秸秆纤维）＞B（水）＞A（改性材料）。次要因素A和B的最优掺量为占砂土质量比的0.234%和15%。

2.2 抗降雨冲刷试验结果分析

根据前文秸秆纤维加筋固化土基本物理力学性质的研究，已确定次要因素的最优掺量，但主控因素秸秆掺量从0.1%到0.3%的提高，c值并未出现极大值。因此，为进一步研究秸秆纤维加筋固化土的抗降雨冲刷性能，提高秸秆掺量，将秸秆掺量设计为0.3%、0.6%、0.9%，其余改性材料和水掺量设定为最优掺量0.234%和15%。试验号按秸秆掺量由少至多设定为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，设置不同对照试验组ck，观察降雨冲刷后产流产沙和坡面侵蚀情况。

2.2.1 坡面产沙量分析

如图4所示，当雨强为60mm／h时，不同配比的加固土和纯土产沙量相比，累计产沙量变化接近，最终累计产沙量依次为：ck（3.05g）＞Ⅰ（3.65g）＞Ⅱ（2.49g）＝Ⅲ（2.49g）。

图4 不同雨强累计产沙图

当雨强为90mm／h时，累计产沙量刚开始5 min内变化接近，但随着降雨时间，最终累计产沙量纯土与加固土相差较大，而加固土累计产沙量接近，分别依次为：ck（97.87g）＞Ⅱ（34.71g）＞Ⅰ（28.31g）＞Ⅲ（16.13g），最小值Ⅲ＃试样累计产沙量约为纯土ck的0.16倍。

雨强为120mm／h时，纯土产沙强度增加剧烈，累计产沙量远大于加固土，不同配比加固土中，Ⅰ＃和Ⅱ＃累计产沙量变化接近，Ⅲ＃稍大于其他两组加固土，最终累计产沙量依次为：ck（751.66g）＞Ⅲ（203.141g）＞Ⅰ（106.941g）＞Ⅱ（97.991g），最小值Ⅱ＃试样累计产沙量约为纯土ck的0.13倍。

降雨雨滴下落时，首先溅起边坡干燥时的土颗粒；随降雨时间的增长，水分开始渗入土体，表层土颗粒逐渐饱和，此时溅起的土颗粒包括湿土；其次，土壤团粒受雨滴击溅而破碎，出现泥浆状态，阻塞水分下渗，导致地表径流产生。土体颗粒在降雨作用下发生破碎、分散及飞溅破坏现象。伴随降雨时间的增加，雨水在土体表层汇集，形成薄层水流现象。土颗粒在薄层水流和重力作用下，开始下搬运和迁移。此时，边坡由降雨雨滴溅蚀逐渐发育成面蚀。伴随雨强的增加，加固土中最小累计产沙量与纯土的比值在逐渐减小，其累计产沙量与纯土相比，逐渐扩大。其原因主要为改性糯米基在土壤中形成团聚体，将细颗粒包裹在粗颗粒中，增加了水胶程度。当雨水滴溅打击坡面时，土颗粒未被击散，未发生搬运现象，土壤颗粒流失现象减弱。秸秆纤维的加入，其三维网状缠绕结构，提高了土体的抗剪强度和抗崩解性。土颗粒在溅蚀和面蚀作用下，破碎程度减弱，边坡抗冲蚀性进而提高。

2.2.2 坡面产流量分析

如图5所示，当雨强为60mm／h时，纯土累计产流量较低，其原因为降雨中大量的水分渗入土体，不同配比加固土累计产流量变化趋势一致，最终累计产流量依次为：Ⅱ（2 672.4g）＞Ⅲ（2 474.021g）＞Ⅰ（1 970.03g）＞ck（291.82g），最大值Ⅱ＃试样累计产流量约为ck＃的9.2倍。

图5 不同雨强累计产流图

当雨强为90mm／h时，累计产沙量刚开始5 min内变化接近，但随着降雨时间，最终累计产沙量纯土与加固土相差较大，而加固土累计产沙量接近，分别依次为：Ⅲ（6 114.438g）＞Ⅱ（4 358.24g）＞Ⅰ（3 675.82g）＞ck（2 668.89g），最大值Ⅲ＃试样累计产流量约为ck＃的2.3倍。

雨强为120mm／h时，纯土产沙强度增加剧烈，累计产沙量远大于加固土，不同配比加固土中，Ⅰ＃和Ⅱ＃累计产沙量变化接近，Ⅲ＃稍大于其他两组加固土，最终累计产沙量依次为：Ⅲ（11 010.27g）＞Ⅱ（8 559.749g）＞Ⅰ（7 982.579g）＞ck（6 919.30 g），最大值Ⅲ＃试样累计产流量约为ck＃的1.6倍。

雨水降落至坡面时，其滴溅作用，导致部分土颗粒和水分击落。当降雨时长增加，水分开始被土壤吸收下渗，其土壤入渗率伴随降雨时长的增加而减弱，此时坡表径流不会发生。当降雨量大于以上消耗时，雨水在坡面汇集，发生径流现象。伴随降雨时长的增加，边坡漫流状态出现，径流呈分散状，水流多股分散在坡面，时分时合，此时流速较慢。当雨强增加或降雨时间增加，径流量增大，坡面呈现全面漫流现象。水流沿坡而下，并结合降雨形成较大冲蚀力的径流，坡面粗糙度减弱，径流流速进一步增强。最终地表的冲蚀力大于土壤的抗蚀能力时，地表径流产生的剪应力大于土壤抗剪强度。

2.2.3 坡面发育特征对比分析

如图6所示，当边坡坡度为50°时，不同配比加固边坡与砂土边坡在经历1.5h连续降雨后，其坡面侵蚀发育特征呈现不同现象。Ⅰ＃和Ⅱ＃边坡在降雨结束后，降雨侵蚀以面蚀为主，坡脚处未发生失稳破坏。Ⅲ＃边坡坡角处积水，局部出现砂土液化现象，但未发生失稳破坏。ck＃边坡最终坡角处发生局部失稳，边坡出现滑塌破坏。

图6 固化土与纯坡面发育特征图

从连续不同雨强降雨来看，不同配比加固土和纯土在坡面产流产沙和形貌对比上，有显著区别，在60mm／h的雨强时，降雨水分入渗，这时主要以雨滴溅蚀为主。如图所示，边坡在溅蚀过程中，分别出现干土和泥浆溅散现象，其中ck＃边坡溅蚀现象更剧烈。当降雨强度大于水分下渗强度时，坡面开始出现沿坡度流动的细小水流即漫流，表面松散的土颗粒开始被冲刷搬运，形成面蚀。由于雨滴的击溅、震荡和浸润，膜状水层和土体混合成泥浆状态，沿坡面而下，将地表土层均匀地损失，形成层状面蚀。此时土壤厚度减小，肥力减弱。

当雨强为90mm／h时，面蚀加剧，产流产沙强度增加，其对应量也增加。其中Ⅰ＃和Ⅲ＃边坡局部发生细沟状面蚀，Ⅱ＃边坡形成明显溅蚀坑。ck＃边坡由于坡面径流在坡角处汇集，土体饱和，其孔隙水压力接近于有效应力，导致坡脚处土体出现滑塌现象。

当雨强为120mm／h时，加固土边坡秸秆纤维出露，但整体坡面侵蚀发育特征不明显，产沙量与降雨前相比，未发生明显变化。纯土边坡由于坡度较陡，坡脚处滑塌破坏现象加剧。此时降雨水分主要以径流形式沿坡面向下运动，其汇集的面积不断增加，中途又接纳降雨，导致径流流量和流速不断增加，土体破碎和泥沙搬运现象更明显。

对于加固土，改性糯米基材在边坡表面发生“结皮”现象，防止雨水冲刷边坡，但同时渗透性能降低，入渗水分减少。秸秆纤维的加入，提高边坡抗剪强度与抗崩解性，降低了土体渗透性能，降雨中大部分水分以坡面径流排除。改性糯米基材料和秸秆纤维的加入，共同提高了边坡稳定性能。

3 加固作用机理研究

扫描结果如下图7所示，将扫描后加固土与未加固土在不同倍数镜头下对比分析，可以看出，纯砂土结构松散，粗颗粒棱角分明，细颗粒与粗颗粒之间孔隙较多，填充胶结物较少，孔隙较大。加固土在72倍镜头下，能明显观察秸秆纤维与土体接触，其中凹陷处，秸秆纤维发挥其抗拉性能，提高土体稳定性。在500倍镜头下，秸秆纤维表层被细颗粒包裹挤压，其弯曲部位还会对土颗粒产生约束作用，限制土体的变形。片状石英（SiO2）的表层被细颗粒包裹，同时细颗粒表层形成一道“织网”。

图7 扫描电镜对比图

纤维属于塑性材料，其优越的抗拉性能导致弹性模量远高于土体，当外部施加荷载时，土颗粒与秸秆纤维同时受力，两者变形的差距导致两者发生错位摩擦，纤维产生界面力，其大小主要取决于界面摩擦力和黏结力。同时，界面力对纤维的相对滑动起限制作用，土体剪切变形时产生的裂缝使土体中的纤维能承受一定的拉应力，从而起到分担外部荷载和防止应力集中的作用［23］。此外，秸秆纤维在土体中的三维网状结构约束了土体变形，防止破坏面的形成，这有利于提高土体的力学性质。

改性材料的加入，使细颗粒间形成微观致密的网状膜结构，缠绕约束土颗粒。存在于固化剂中的活性官能团吸附在土颗粒表面发生化学反应，黏粒之间的公共水化膜增多，公共反离子层变薄，从而水胶连接增强，土粒聚集明显，连接力加强，力学性能就会提高。但改性材料的掺量过多时，细颗粒大量聚集，反而导致大的孔隙在土体中形成，孔隙结构分布不均匀，其水稳性和力学性能降低。不同掺量的改性材料和秸秆纤维在受力作用时，呈现不同加强机理，改性材料主要参与土体内部化学反应，增加水化膜胶结作用。秸秆纤维主要提高物理力学强度，起抗拉作用约束土体变形。两者相互结合，在合适配比区间，共同增强秸秆纤维加筋固化土基本物理力学性能。