秸秆排水板室内降解试验及现场应用

2023-06-25邓永锋陈小兵苏银强李建东

东南大学学报（自然科学版） 2023年3期

袁威邓永锋陈小兵苏银强李建东杨倩

(1东南大学交通学院, 南京 211189)

(2珠海鹤港高速公路有限公司, 珠海 519000)

“十四五”规划指出国家将继续加大对基础设施的投资,这给软土工程的发展带来了新机遇.越来越多的房屋建筑、高速公路、铁路、机场、市政设施等大型工程项目将会建在软土地基上[1-3],因而对真空预压工程的发展提出了更高标准.在真空预压加固工程中,排水板被插入到软土地基中,在真空压力作用下地基土中水沿排水板流出,加速土体的固结[4-5].我国生产的排水板多是复合型塑料排水板,内芯板由布满排水通道的聚乙烯或聚丙烯塑料骨架组成;外部滤膜通常由细密的热熔型无纺土工布构成.此种复合型塑料排水板在预压阶段可满足工程需要,但在预压期结束之后,存在于土体内的排水板会继续保持土体的排水通道,导致工后沉降速率过快;并且施工结束后,巨量的塑料排水板被遗留在加固地基内,容易造成环境污染[6-7].因此,在真空-堆载预压工程中,考虑除塑料排水板之外的可降解排水板是满足地基加固效果和环境保护的最佳选择.

自Lee等[8]首次在堆载预压工程中引入天然材料预制排水体以来,国内外众多学者针对排水板的降解特性以及固结特性进行了大量的研究,特别是在南亚和东南亚地区,许多现场试验表明天然材料参与制作的排水系统具有良好的工程特性、渗透性以及抗变形性[9-10].Miura等[11]研究表明埋在Ariake黏土中的黄麻纤维排水管严重退化,仅126 d后,排水管就失去了78%的抗拉强度.Nguyen等[12]对黄麻和椰壳制成的可降解排水板进行了实验室固结试验,结果显示天然土工织物材料加固高含水率软土有良好的效果.Chao等[13]使用麦秸秆辊作为竖向排水体,进行了真空预压排水试验,通过对试验中沉降量、出水量和孔隙压力的分析,发现麦秸秆辊有良好的排水效果.然而,秸秆排水体在真空和堆载预压条件下,排水体孔隙被压缩,透水性能快速降低,后期加固效果不好.Liu等[14]用稻草秸秆制成秸秆草绳,对草绳物理力学性能和降解性能进行了研究,得到秸秆的渗透系数满足排水需求,且渗透系数与秸秆密度、竖向应力呈对数关系,均随其值的增大而减小,具有良好的适用性.

然而,这些天然纤维排水体主要是使用黄麻、椰壳、秸秆等天然纤维通过编织制成,利用天然纤维间的孔隙排水,通水量远远小于塑料排水板,有必要将其进行改进为通水量更大的天然纤维排水体.此外,目前的研究大多是基于惰性土壤环境,该环境下排水板的工程特性损失较小,因生物降解特性所引发的工程特性影响没有得到重视.但在含有纤维素降解微生物的土壤环境下,植物纤维材料的腐烂非常严重,迫切需要评估这些排水体的耐久性.现有的对于可降解排水板的研究,主要对比了不同形式可降解材料的通水性能、抗拉强度、淤堵等特性[15-16],但是对可降解排水板的芯材选取、降解性能、排水性能、地基固结影响等方面仍不明确.

本文采用新型秸秆排水板进行实验室降解试验,将不同降解时间的秸秆排水板进行通水量、抗拉强度测试,同时对土中微生物进行测序,探究秸秆排水板微生物降解的机理.将秸秆排水板代替塑料排水板进行现场真空预压试验,详细介绍了试验区的现场条件、试验方案及监测内容,对工程施工过程中深层土体的侧向位移和沉降以及孔隙水压力的变化进行了监测和分析,验证了秸秆排水板用于工程实践的可行性.

1 室内降解试验

秸秆排水板由可降解芯板和包裹在芯板外围的透水无纺布组成,排水通道设置在芯板内[17].可降解芯板是排水板的骨架和排水通道,其断面呈并联丁字形.生产工艺与塑料排水板相似.可降解芯板是由农业废弃物如稻草、玉米秸秆、小麦秸秆等,经过物理改性、化学改性以及偶联改性进行预处理,经粉碎、剪切、挤出,并在高温高压环境中与基础树脂热熔形成的排水板材料,是排水板的骨架和排水通道.生产的秸秆排水板为棕黄色,外观上与塑料排水板相比没有区别,如图1所示.将生产的秸秆排水板进行抗拉强度和通水量测试,具体性能要求如表1所示.满足普通塑料排水板的性能要求,可用于工程运用.

(a) 横截面

(b) 侧面

表1 排水板材料性能要求

本文采取原地取样,室内掩埋排水板.土样取自珠海市鹤港高速公路项目现场,取样深度6 m,土样较为均匀,为灰黑色淤泥,含少量贝壳和云母类物质,属于滨海相沉积软土.分别采用秸秆排水板C型和塑料排水板C型进行降解试验.C型排水板的宽度和厚度分别为100和40 mm.试验在昏暗的房间内进行,室内温度相对湿度随时间保持恒定在22 ℃和88%,并且在每个样品中都是相同的.将长度1 m的排水板插入土中,经过一段时间(5、10、15、30、60、90、120、150、180、210、240 d),样品被移除,然后进行拉伸、失重率以及排水性能测试,以确定排水板的降解程度.排水性能的测试分别施加围压50、175、350 kPa,对不同围压所代表的土体深度进行排水性能测试.试样分为秸秆排水板和塑料排水板2组试验同步进行.

试验按照《土工合成材料测试规程》[18]对秸秆排水板和塑料排水板进行纵向通水量测试.将排水板外包裹乳胶膜,分别依次施加50、175、350 kPa的围压,水力梯度取0.5, 试件长度均为40 cm.图2为通水量测试仪.测试在稳定的侧压力和水力梯度下渗流 1 h后进行,每小时测试 1 次,直到前后两次通水量差小于前次通水量的 5%为止,以最后一次测试结果作为最终的通水量.通水量可按下式计算:

图2 通水量测试仪

式中,q为通水量,cm3/s;Q为测量时间内水流量,cm3;l为塑料排水板有效长度,cm;t为测试时间,s;Δh为水头差,cm;ηr/η20为水动力黏滞系数比,根据试验时的水温确定.进行复合体干态下拉伸试验来测试排水板的抗拉强度,试样长度100 mm,采用应变控制试验机分别对2种排水板进行测试.如图3所示,拉伸速率25 mm/min.当排水板延伸率小于4%时,抗拉强度和延伸率指标应判为不合格;当延伸率在 4%～10%时,测试值应取断裂时的峰值强度;当延伸率大于10%时,测试值应取延伸率为10%时所对应的强度.通过Illumina PE 250测序实验对土壤中微生物的DNA进行了测序.首先,通过质量分数为1%的琼脂糖凝胶电泳从土壤中提取微生物.然后,对提取的溶液进行聚合酶链式反应(PCR)技术,以进行鉴定和扩增.最后,使用Quanti Fluor-ST蓝色荧光定量系统(Promega)对PCR产物进行定量,收集荧光信号并计数以获得DNA片段.

图3 应变控制试验机

2 试验结果

2.1 通水量

图4为2种排水板在不同围压(75、150、350 kPa)下的通水量随时间的变化.由图可知,秸秆排水板的通水量要小于传统的塑料排水板,2种排水板的通水量均随围压的增加而降低,原因是在围压的作用下,排水板内部排水通道受到挤压,导致通水量降低,此时排水板的生物降解效果还不明显.在降解试验开始前(t=0), 传统的塑料排水板通水量随着围压的增大而显著降低,通水量从157 cm3/s降低到89 cm3/s,然而秸秆排水板受围压的影响较小,通水量减少20 cm3/s,但都满足《水运工程塑料排水板应用技术规程》[19]中C型板通水量大于40 cm3/s 的要求.试验中75、150、350 kPa分别模拟了大约在3、9、18 m处排水板的通水能力,塑料排水板的通水量受围压影响较大,所以深度越深,排水能力越差.

图4 2种排水板在不同围压下的通水量随时间的变化

秸秆排水板在土中会被微生物降解,必然会影响秸秆排水板的通水能力.图4还表明2种排水板的通水量均随时间的增加而降低,在0～240 d内,塑料排水板的通水量随时间略微减小.然而,秸秆排水板的通水量随时间退化分为3个阶段.第1阶段(0～30 d),在围压作用下,排水板的排水通道受到挤压而导致通水量显著降低,此时受到微生物的影响还比较小;第2阶段(30～180 d),此阶段通水量基本保持不变,略有降低;第3阶段(180 d后),通水量随时间有明显加快的趋势.在围压为150和350 kPa时尤为明显,这正满足了秸秆排水板的设计要求,即在施工前期秸秆排水板要有良好的排水性能,保证排水通道畅通,使地基土中水快速排出.随着施工时间的推进,排水板被逐渐降解,在施工后期,芯板被快速降解,排水能力丧失,相比塑料排水板能有效地减小地基的工后沉降速率,同时能减少对环境的污染.

2.2 抗拉强度

图5显示了秸秆排水板和塑料排水板的抗拉强度随时间的变化.由图可见,塑料排水板的抗拉强度要高于秸秆排水板.在0～60 d内,塑料排水板的抗拉强度随时间逐渐减小,60 d以后抗拉强度基本不变.秸秆排水板在0～60 d内抗拉强度变化趋势基本和塑料排水板一致,60 d后抗拉强度的退化开始加快,尤其是在180 d后,抗拉强度的退化更加显著,180～240 d内秸秆排水板的强度损失了13.6%.分析其原因主要是排水板在受到拉力后,拉力主要由板芯和滤膜承担,随着降解时间的推移,秸秆排水板和塑料排水板的滤膜受到温度和湿度的影响,还有土中微生物、化学物质的侵蚀,强度逐渐损失,这将导致芯材与土体接触,加速可降解排水板芯材的降解,随着时间的增加,秸秆排水板的芯材和滤膜抗拉强度同时降低.而对于塑料排水板,其一般用聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯等制成,其性质稳定,不容易被降解,降解后期抗拉强度基本保持不变.

图5 2种排水板的抗拉强度随时间的变化

2.3 微生物群落分析

农作物秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,分别占秸秆质量的40%～50%、20%～30%、10%～25%,三者共占秸秆质量的80%以上[20].当秸秆排水板插入土壤中时,微生物产生的酶将大的纤维素聚合物降解为小分子化合物,最终降解为CO2和H2O[21-22].环境中存在超过200种木质纤维素降解微生物,主要由细菌和真菌组成.将取自地下2、6、12、20 m处的土样进行土壤微生物分析.DNA测序显示,从土壤样品中共获得491 856条16s DNA序列,包含18个门、24个目、51个科、81个属.其中厚壁菌门(Firmicutes)为主要门类,约占42%～60%,拟杆菌门(Bacteroidota)为次要门类,约占34%～50%.这与Sun等[23]的研究结果一致,即拟杆菌门(Bacteroidota)和厚壁菌门(Firmicutes)是自然环境中的优势门类.拟杆菌门(Bacteroidota)和厚壁菌门(Firmicutes)的丰度在沿着土样深度范围略有波动,因此该场地土体环境中细菌水平能保持空间上的稳定.对土壤样品中微生物降解的研究主要集中在生物属的层面,进一步分析可以得到具体的细菌种类.对原位细菌群落的分析表明Prevotella、Rikenella和Ruminococcus的相对丰度很高.Prevotella可以发酵酶和基因簇来降解淀粉、蛋白质、纤维素和半纤维素.Ruminococcus是主要的纤维降解细菌,是细菌群落中最丰富的.这些厌氧细菌可以发酵碳源,分解纤维状物质,并将植物纤维转化为挥发性脂肪酸.因此,秸秆排水板可以在珠海海洋软土中被降解.

3 现场试验

3.1 工程背景

珠海市鹤洲至高栏港高速公路二期工程,起讫里程为K31+736.76—K36+816.411, 线路长5.08 km.沿线地处沿海冲积平原区,地势平坦开阔,全线地质构造被第四系地表覆盖,表层覆0～3 m的人工填土,下部为海陆交互相沉积的淤泥、淤泥质土、粉质黏土等,厚30～60 m不等,各层土的物理力学性质如表2所示.区域水系发达,干流水道与支流河沟纵横交织,排泄、灌溉沟渠四通八达,形成典型的滨海平原水网区域,地表以果园、养殖塘为主.为了验证秸秆排水板的工程性能,将秸秆排水板用于珠海市鹤洲至高栏港高速公路二期工程进行现场试验,软基路段主线K34+030—K34+130采用秸秆排水板真空-堆载联合预压处理方案,总处理长度100 m,面积5 230 m2.其余软基路段采用塑料排水板,平面如图6所示.为进行对比分析,软基路段主线K34+130—K34+230采用塑料排水板真空-堆载联合预压处理方案,试验过程中对地基沉降和孔隙水压力进行监测,并对2种排水板的加固效果进行对比.

表2 土的物理力学性质指标

图6 现场平面图

排水板按正方形布置,间距1 m, 插打深度24 m.将沉降板安装在路基中心以测量地表沉降.孔压仪分别安装在地下8、16、24 m来监测不同深度的地基孔隙水压力.真空载荷和堆载高度随时间的变化如图7所示.通过真空泵施加85 kPa的真空压力.这种情况下,密封膜中的真空压力可以在5 d内达到85 kPa,将85 kPa真空压力持续330 d.然后,分阶段卸载真空压力:330～340 d先降至60 kPa,350～353 d降至20 kPa,363 d降至0.此外,路堤堆载是在真空预压109 d后施加的.为了确保预压过程中的边坡安全,填筑施工分为3个阶段,如图7所示.第1次填筑高度为1.28 m,填筑时间为3 d,地基加固时间为11 d.第2阶段包括3层填筑,填筑高度分别为0.6、0.6、0.4 m.第3阶段的填筑高度为1.8 m,填筑时间为6 d,最终填土高度约为4.8 m.填土容重为14.9 kN/m3,因此总堆载约为70 kPa.

图7 真空预压-堆载曲线

3.2 监测结果

3.2.1 沉降

天然地基在真空压力与堆载的作用下,由竖向排水体与砂垫层传递真空压力,使竖向排水体中的真空度迅速提高,并向土中传递.自真空开始加载,孔隙水排出,地表沉降在真空作用下发展,并在堆载之后地表沉降迅速增加,沉降曲线较陡,沉降速率较大;到施工后期,地表沉降速率逐渐减缓,地表沉降趋于稳定.秸秆排水板与塑料排水板真空预压试验段的沉降变化如图8所示.图8(a)表明用秸秆排水板和塑料排水板处理的地基平均总沉降量分别为 3.737和3.931 m, 塑料排水板真空预压区比秸秆排水板真空预压区的总沉降量大4.94%, 相差不大.图8(b)为2种排水板区的沉降速率.从图中可以看出,在初始阶段,采用塑料排水板处理的地基沉降速率比秸秆排水板快,只是由于塑料排水板有更大的初始通水量.在后期,2种排水板处理的地基沉降速率基本相等.因此,秸秆排水板处理软土地基与塑料排水板相比具有大致相同的效果.

(a) 地表沉降

3.2.2 孔隙水压力

图9显示了秸秆排水板和塑料排水板真空堆载预压加固地基的孔隙水压力随时间的变化.秸秆排水板区和塑料排水板区之间的孔隙水压力变化没有显著差异.起初孔隙水压力相等,并随着真空压力的施加而逐渐降低.然而,孔隙水压力有2个显著的上升过程,其原因是在109和198 d路堤填土导致的超孔隙水压力.堆载完成后,超孔隙水压力随时间逐渐消散,最终趋向0,此时由于真空泵并未停止工作,所以地基中孔隙水压力逐渐变为负值.此外,从图中还可看出,在施加真空压力后塑料排水板的超孔隙水压力消散速率稍微快于秸秆排水板.对比分析地表沉降和孔隙水压力的变化可得,秸秆排水板用于真空堆载预压处理软土地基的效果与塑料排水板大致相同,可替代塑料排水板在工程中使用.

4 经济性分析

我国作为农业生产大国,每年产生大约8亿t农业秸秆废弃物,处理需求极大.大量秸秆被抛弃于田头和露天焚烧,我国每年废弃焚烧的秸秆总量高达约 2.15亿t.秸秆焚烧引起的环境污染和社会安全问题日益突出,秸秆焚烧导致了大范围的雾霾.推进秸秆的综合利用,实现秸秆资源化、商品化,缓解秸秆焚烧引起的系列问题,已成为资源节约以及环境保护的重中之重.将秸秆作为材料来生产土工排水板是一种实现秸秆资源化利用的良好方法.上述研究已表明,秸秆排水板的生产工艺与塑料排水板并无区别,只是原材料有所不同.根据调查,市场上常用的塑料排水板主要是SPB-A、SPB-B、SPB-C、SPB-D型,价格大约1.25元/m.秸秆排水板的成本约为1元/m,便宜大约0.25元/m,因此秸秆排水板的使用不仅可以节约成本,还能节约资源,保护环境,满足低碳、绿色、节能、环保的建设理念需求.