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瓜尔豆胶固化纤维黄土的抗侵蚀特性及生态护坡试验研究

贾卓龙, 晏长根, 李博, 石玉玲, 兰恒星, 许江波, 包含

贾卓龙, 晏长根, 李博, 石玉玲, 兰恒星, 许江波, 包含. 瓜尔豆胶固化纤维黄土的抗侵蚀特性及生态护坡试验研究[J]. 岩土工程学报, 2022, 44(10): 1881-1889. DOI: 10.11779/CJGE202210014
引用本文: 贾卓龙, 晏长根, 李博, 石玉玲, 兰恒星, 许江波, 包含. 瓜尔豆胶固化纤维黄土的抗侵蚀特性及生态护坡试验研究[J]. 岩土工程学报, 2022, 44(10): 1881-1889. DOI: 10.11779/CJGE202210014
JIA Zhuo-long, YAN Chang-gen, LI Bo, SHI Yu-ling, LAN Heng-xing, XU Jiang-bo, BAO Han. Experimental study on erosion resistance and ecological slope protection of guar gum-treated fiber-reinforcement loess[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2022, 44(10): 1881-1889. DOI: 10.11779/CJGE202210014
Citation: JIA Zhuo-long, YAN Chang-gen, LI Bo, SHI Yu-ling, LAN Heng-xing, XU Jiang-bo, BAO Han. Experimental study on erosion resistance and ecological slope protection of guar gum-treated fiber-reinforcement loess[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2022, 44(10): 1881-1889. DOI: 10.11779/CJGE202210014

瓜尔豆胶固化纤维黄土的抗侵蚀特性及生态护坡试验研究  English Version

基金项目: 

国家自然科学基金项目 42077265

国家自然科学基金项目 41927806

甘肃省交通运输厅科技项目 2021-19

详细信息
    作者简介:

    贾卓龙(1994—),男,博士研究生,主要从事黄土边坡防护方面的研究工作。E-mail: jiazhuolong86@163.com

    通讯作者:

    晏长根,E-mail: yanchanggen@163.com

  • 中图分类号: TU444

Experimental study on erosion resistance and ecological slope protection of guar gum-treated fiber-reinforcement loess

  • 摘要: 为了改善纤维黄土的水力特征,维持黄土边坡坡面的长期稳定,促进植物护坡潜能的充分发挥,提出采用瓜尔豆胶对纤维黄土进行固化处理。通过开展直剪试验、崩解试验、渗透试验、土水特征试验以及生态护坡试验,对比分析不同方式处理下黄土的抗侵蚀特性和土水保持能力。试验结果表明:瓜尔豆胶的加入可以有效提升纤维黄土的抗侵蚀特性和水土保持能力,随着瓜尔豆胶掺量增加或养护龄期增长,抗剪强度先增加后减少或稳定,而崩解率和饱和渗透系数均先减小后稳定,最优掺量和最佳龄期分别为1.0%和14 d;最优处理的瓜尔豆胶固化纤维黄土具有较好的持水能力,同时在自然大气降雨条件下表现出优良的生态护坡效果;瓜尔豆胶的固化处理既能促进纤维加筋作用的发挥,又能填充孔隙,黏结黄土颗粒,综合提升纤维黄土的力学及水力性能,可以在黄土高原的工程安全建设和水土保持过程中发挥积极作用。
    Abstract: To improve the hydraulic characteristics of the fiber-reinforced loess, maintain the long-term stability of the loess slope, and promote the full play of the vegetation protection, the guar gum is used to cure the fiber-reinforced loess. The erosion resistance and the soil-water conservation capability of loess under different treatment methods are compared and analyzed by carrying out the direct shear tests, disintegration tests, penetration tests, soil-water characteristic tests and ecological slope protection tests. The results show that the addition of guar gum can significantly improve the erosion resistance and the soil-water conservation capability of fiber-reinforced loess. With the increase of guar gum content or curing age, the shear strength increases first and then decreases or stabilizes, and both the disintegration rate and the saturation permeability coefficient decrease first and then stabilize. The optimal guar gum content and curing age are 1.0% and 14 d. The optimally processed guar gum-treated fiber-reinforcement loess has better water retention capability, showing the excellent ecological slope protection effect under natural atmospheric rainfall conditions. The curing treatment of guar gum can promote fiber reinforcement, fill pores, bond loess particles, comprehensively improve the mechanical and hydraulic properties of the fiber-reinforced loess, and play a positive role in the process of engineering safety construction and soil-water conservation on the Loess Plateau.
  • 黄土地区交通基础设施的大力发展,不可避免会产生许多裸露的黄土边坡。受气候因素影响,坡面冲沟、剥落病害频发,如不加以控制,可能会诱发黄土边坡的整体失稳,对道路安全造成严重的负面影响。传统坡面防护技术如锚杆框格梁、干砌片(块)石、护面墙、砂浆抹面等,存在着材料老化、破坏生态和耐久性差的问题。因此,选择适宜材料对浅表层黄土进行改良处理,提升其抗侵蚀特性和水土保持能力,加速坡面植物生长,对于黄土高原工程建设的安全性及生态性具有重要意义。

    近些年来,纤维凭借强度高、分散性好和易于拌合的特点,在岩土材料领域获得广泛关注,学者们将纤维按一定比例与土体拌合,通过借助纤维的抗拉强度来改良土体的工程性能。目前,已积累了大量研究成果,例如李广信等[1]、介新玉等[2]在黏性土中加入纤维,指出纤维既能够提高土体的力学强度,又能增强土体的临界断裂韧度;Babu等[3]、王德银等[4]基于室内试验,指出纤维的加入能够使土体的抗剪强度得到明显提升;蔡奕等[5]、Consoli等[6]、唐朝生等[7]将聚丙烯纤维掺入水泥土或石灰土中,指出聚丙烯纤维能明显提高土体的强度和塑性,使其破坏形式由脆性破坏转变为塑性破坏;唐朝生等[8]通过开展纤维加筋土的龟裂试验,指出在黏性土中掺入适量的聚丙烯纤维能够有效抑制裂隙发育;卢浩等[9-10]、安宁等[11]通过直剪试验、崩解试验、渗透试验及人工模拟降雨冲刷模型试验,指出纤维加筋技术能综合提升黄土的抗侵蚀性能。以上试验表明纤维能有效增强土样的力学强度,使土样呈现较高的韧性;也能有效抑制土体裂隙的发育,增加土体耐久性;更能提升土体的抗侵蚀性能,使其在坡面防护领域具有重要的工程实际应用价值[9-13]

    然而,纤维的加入也会使得土体渗透性增加[11, 14],导致水分更容易渗入纤维土体中,造成边坡防护层力学强度的削弱[10]。与此同时,由于水分无法保持,纤维土体用作坡面防护时往往不利于植物生长,在生态方面存在一定的隐患。随着纤维加筋土护坡技术的发展,如何改善纤维加筋土的水力特征,有必要开展针对性研究。目前,有研究表明,作为可持续再生的碳中性材料[15],生物聚合物遇水产生的水凝胶能够填充孔隙和胶结颗粒,使得土体趋向密实,以有效提升土体的力学强度与水力特性[16-18]。此外,上述水凝胶通常具有较高的比表面积,富集分布着许多亲水性基团,能够提供与水分子间较强的结合作用,延迟土壤中水分的蒸发,改善土壤的保水能力,形成适宜于植物生根、发芽及生长的土壤环境,尤其对于降雨不充足的干旱及半干旱地区,水凝胶中的水分会在高渗透压的作用下返回到土壤中,从而提升植物幼苗的存活率和抗旱性[19-20],较为适合于黄土地区使用。

    为此,提出采用生物聚合物对纤维黄土进行固化处理。然而,生物聚合物种类丰富,常见的类型包括纤维素、淀粉、壳聚糖、瓜尔豆胶、黄原胶和结冷胶等[21]。由于分子结构以及分子量的差异,不同生物聚合物类型对于土体的强化效果存在着一定的差异。针对这一情况,Ayeldeen等[22-23]、Chen等[24]通过室内试验,比较分析了几种价格适中的生物聚合物对土体的改良效果,指出瓜尔豆胶在增强土体性能方面,相比黄原胶、改性淀粉等更为有效。究其原因,瓜尔豆胶作为自然界目前已知分子量最高的水溶性多糖,是半乳甘露聚糖最便宜的来源之一[25],其中大量的羟基极易与水分子相互作用,产生分子间链纠缠,导致瓜尔豆胶水溶液具有较高的黏度和胶凝性能,从而更大程度增强土体的力学与水力性能。因此,考虑到瓜尔豆胶对于土体强化较高的性价比,本文选取瓜尔豆胶作为试验中的生物聚合物,即利用该材料对纤维黄土进行固化处理,以形成瓜尔豆胶固化纤维黄土(为方便叙述,以下简称为“胶-筋固化黄土”)。通过开展直剪试验、崩解试验、渗透试验、土水特征试验以及生态护坡试验,系统地研究了瓜尔豆胶的掺入对于纤维黄土抗侵蚀特性以及生态护坡效果的影响,并探讨了瓜尔豆胶对于纤维黄土的固化机制,为胶–筋固化黄土在黄土地区边坡坡面防护工程的实际应用提供重要的理论依据。

    试验中采用的黄土为陕西省延安市安塞区南沟某黄土边坡的马兰黄土,取样深度为1.5~3.0 m。利用激光粒度分析仪对试验土样进行颗粒分析,结果如图 1所示,并按照《公路土工试验规程》[26]测得黄土的基本物理参数,如表 1所示,结果显示:该试验黄土为低液限黏土。试验中采用的纤维为聚丙烯纤维,具有弹性高、拉伸强、抗温性好、吸水性小的特点,其基本物理力学参数如表 2所示。试验中采用的生物聚合物为瓜尔豆胶,是从一种属于豆科的瓜尔豆种子胚乳多糖中提取的天然生物聚合物,无毒,无污染,无公害,其主要成分(含量)为半乳甘露聚糖(75%~85%)、水(8%~14%)、蛋白质(5%~6%)、粗纤维(2%~3%)和其他灰分(0.5%~1%),具有优异的冷水溶解性,pH稳定性,储存稳定性和离子盐兼容性[25]

    图  1  黄土颗粒级配曲线
    Figure  1.  Grain-size distribution curve of loess particles
    表  1  黄土的基本物理参数
    Table  1.  Basic physical parameters of loess
    天然含水率/ % 密度/(g·cm-3) 液限/% 塑限/% 最佳含水率/% 最大干密度/(g·cm-3)
    12.0 1.38 25.2 17.5 14.0 1.60
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    表  2  聚丙烯纤维的基本物理力学参数
    Table  2.  Basic physical and mechanical parameters of polypropylene fiber
    密度/(g·cm-3) 直径/mm 抗拉强度/MPa 弹性模量/MPa 拉伸极限/% 熔点/℃ 燃点/℃
    0.91 0.048 > 358 > 3500 17 > 165 > 590
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    将黄土风干碾碎,过筛备用。Chang等[27]指出采用干混合法能得到更均匀的生物聚合物分布,从而实现对土体强化作用的最大化。因此,取适量风干黄土与一定掺量的瓜尔豆胶粉末拌合均匀后,按14%的含水率加水闷料,闷料24 h后加入一定掺量的聚丙烯纤维进行快速均匀地搅拌,按干密度为1.6 g·cm-3进行压样制备,其中材料掺量为质量比配置,室内养护条件为温度20±3℃、相对湿度≥95%,室外养护条件为自然条件,试样规格依照试验而定。为充分理解瓜尔豆胶对纤维黄土的影响,设置了不同的试样参数与分组,如表 3所示。

    表  3  试样参数设置与分组
    Table  3.  Setting and grouping of parameters of samples
    试样编号 纤维掺量/% 纤维长度/mm 瓜尔豆胶掺量/% 养护龄期/d 分组与变量
    S1 0.5 22 0 14 A组
    S2 0.5 22 0.5 14
    S3 0.5 22 1.0 14
    S4 0.5 22 1.5 14
    S5 0.5 22 1.0 3 B组
    S6 0.5 22 1.0 7
    S7 0.5 22 1.0 14
    S8 0.5 22 1.0 28
    注:A组瓜尔豆胶掺量变化;B组养护龄期固定。纤维掺量和长度参考文献[1011]选取,以较大程度发挥纤维加筋作用,且尽量减轻纤维对于土体渗透的负面影响。
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    (1)直剪试验

    固化土体的抗剪强度是评价生物聚合物对于土体加固效果的重要指标。直剪试验参照《公路土工试验规程》[26]中的快剪试验进行,试验仪器为南京宁曦土壤仪器公司生产的ZJ型四联动应变控制直剪仪,剪切速率设置为0.08 mm/min,试样规格为Φ61.8 mm×20 mm的圆柱体。

    (2)崩解试验

    崩解率反映了降雨或径流对于土体分散的难易程度,是评价土体抵抗雨水侵蚀的重要指标。崩解试验试件为Φ61.8 mm×40 mm的大环刀样。试验采用如图 2所示的崩解装置。试验步骤:将装有土样的铁丝吊网吊放,使土样完全浸没于水中进行崩解,通过记录土样在整个试验过程中的崩解特征分析其水稳特性。其中,待土样崩解稳定后,计算土样的崩解率,计算公式定义为

    $$ D = \frac{{{m_0} - {m_{\text{s}}}}}{{{m_0}}} \times 100 \text{,} $$ (1)
    图  2  崩解装置示意图
    Figure  2.  Schematic diagram of disintegration instrument

    式中,$ D $为土样的崩解率,$ {m_{{\text{s}}1}} $为土样制备的干土质量,$ {m_{{\text{s2}}}} $为土样崩解稳定的干土质量。

    (3)渗透试验

    渗透系数表征流体通过土体的难易程度,既会影响降雨条件下土体的稳定性,又会影响植物的生长发育。渗透试验所使用的试样规格为Φ61.8 mm×40 mm。试样经真空抽气饱和后,采用南京宁曦土壤仪器公司生产的TST-55型渗透试验仪,参照《公路土工试验规程》[26]开展变水头渗透试验。

    (4)土水特征试验

    土水特征曲线能反映土壤保持水分的能力,是影响植物生长的重要因素。试验采用美国土壤水分仪器公司生产的15 bar压力膜仪,试验步骤参照仪器使用说明书进行,试样规格为Φ61.8 mm×20 mm。为更好分析瓜尔豆胶对纤维黄土持水性的影响,选择表 3中S1和S3这2个典型试样进行土水特征试验。试验结果基于土水特征试验中体积含水率和基质吸力的实测数据,采用Van Genuchten模型[28]在Origin图像处理软件中进行非线性拟合,拟合公式为

    $$ \theta = {\theta _{\text{r}}}{\text{ + }}\frac{{{\theta _{\text{s}}} - {\theta _{\text{r}}}}}{{{{\left[ {1{\text{ + }}{{(\alpha h)}^n}} \right]}^m}}} 。 $$ (2)

    式中$ \theta $为体积含水率;$ {\theta _{\text{r}}} $为残留含水率;$ {\theta _{\text{s}}} $为饱和含水率;$ h $为土体基质吸力;$ \alpha ,m,n $为经验拟合参数,其中$ m{\text{ = }}1 - 1/n $。

    (5)生态护坡试验

    基于坡面固化和生态恢复的可持续防护理念,自2019年7月1日起,开展期限为120 d的生态护坡试验。试验主体砌筑在木制试验箱中,试验箱的尺寸为80 cm×40 cm×30 cm(长×宽×高),坡比选用黄土路堑边坡常用的1∶0.75,如图 3所示。试验在长安大学模型试验平台进行,该场地空旷露天,能够直接受到自然大气降雨。

    图  3  生态防护边坡模型示意图
    Figure  3.  Schematic diagram of ecological protection slope models

    试验分为纤维生态防护边坡模型与胶–筋生态防护边坡模型两种,试验填土均沿试验箱垂直方向进行填筑,控制含水率为14.0%,干密度为1.60 g/cm3。填土可分为150 mm厚度的素黄土基底及50 mm厚度的防护层两部分,其中防护层分别采用纤维黄土和胶-筋固化黄土,试样参数依次为表 3中的S1及S3。素黄土基底填筑采用分层夯实的方法,每层厚度为50 mm,压实度为85%;而防护层采用抹面防护,分两层填筑,第一层厚度为30 mm,第二层厚度为20 mm;完成一层土体的填筑后将其表面进行拉毛处理后,再进行下一层土体的填筑,以增加层间附着力;草种选用紫苜蓿,将草种与复合肥按一定比例均匀掺入土中进行顶层填筑。

    图 4分别给出了本试验中A组、B组不同变量条件下试样的抗剪强度参数。由图 4(a)可知,A组试样的黏聚力和内摩擦角均随瓜尔豆胶掺量增加而先增加后减小。当瓜尔豆胶掺量为1.0%时,试样的黏聚力和内摩擦角均达到峰值,分别为57.64 kPa和31.6°,同比纤维黄土依次提升82.4%和7%。由此可见,在纤维黄土中加入适量的瓜尔豆胶,可以进一步提升固化效果。这是由于瓜尔豆胶水化产生的水凝胶具有较强黏性[17],能够黏附于纤维和颗粒之间,以增强接触界面的力学强度,促进纤维加筋作用的发挥,实现试样整体强度的提升。然而,当瓜尔豆胶掺量高于1.0%时,过多的瓜尔豆胶颗粒也会导致双电层厚度增加及颗粒间的吸引力降低,水凝胶在纤维与颗粒间的角色转变为“润滑作用”[29],反而削弱了界面摩擦力,导致土样抗剪强度降低,但瓜尔豆胶增多带来的水凝胶含量提升仍然使得试样强度维持在较高水平。由图 4(b)可知,B组试样的黏聚力和内摩擦角均随养护龄期的增长而增加,并于14 d时逐渐稳定,这可以结合水凝胶与土壤颗粒间的界面作用力形成时间进行解释。界面作用力包括离子/静电或共价键、氢键和范德华力,其中以离子/静电或共价键的键能最强,形成时间较短,而范德华力形成时间较长,但作用力相对较弱[23],从而使得土体强度增幅随养护龄期增长而下降。

    图  4  不同试样对应的抗剪强度参数
    Figure  4.  Shear strength parameters of different samples

    为直观体现瓜尔豆胶对纤维黄土水稳特性的改良效果,选取纤维黄土S1和胶-筋固化黄土S3的崩解过程进行对比分析,如图 5所示。可以发现,将土样没入水中,S1及S3均因土体孔隙出现轻微的冒泡现象(图 5(a)(e))。随着浸没时间增长,S1中的土颗粒与纤维逐步分离,纤维开始裸露(图 5(b)),而后S1的崩解速率迅速增大,土样发生大体积坍塌,水面变得浑浊(图 5(c)),崩解稳定后将铁丝吊网取出观察,剩余土体呈锥形堆置状态(图 5(d))。相比较而言,S3仅出现小块隆起(图 5(f)),细小裂纹(图 5(g)),水面始终保持清澈,试验结束后取出试样观察,土样形态基本保持完整(图 5(h))。

    图  5  纤维黄土与胶-筋固化黄土的崩解过程
    Figure  5.  Disintegration process of fiber-reinforced loess and guar gum-treated fiber-reinforcement loess

    对比两者的崩解速率发现,S1的崩解速率较高,在10 min内崩解稳定;而S3的崩解速率极低,在水中浸泡7 d依然保持完整形态。可见,瓜尔豆胶的掺入显著提升了纤维黄土的水稳特性。

    图 6分别为本试验中A组、B组不同变量试样的崩解试验结果。

    图  6  不同试样对应的崩解率
    Figure  6.  Disintegration rates of different samples

    可以发现,当养护龄期一定时,A组试样的崩解率随瓜尔豆胶掺量增加而减小。当瓜尔豆胶掺量小于1.0%时,试样崩解率迅速降低;而当瓜尔豆胶掺量大于1.0%时,试样崩解率的下降幅度较小,数值趋于稳定。本次试验中,S4的崩解率最小,仅为6%,相比纤维黄土减少90%。分析原因,一方面,水凝胶使得纤维之间更容易产生黏合交织作用,形成较为致密的三维结构网[11]。另一方面,水凝胶具有一定的胶结强度,且能够填充孔隙和胶结颗粒[17, 22],有效降低水分侵入土体时的孔隙气压[30]。因此,在两方面的协同作用下,瓜尔豆胶显著抑制了土体在水中的崩解开裂。当瓜尔豆胶掺量一定时,B组试样的崩解率随养护龄期增长而减小,在养护龄期为14 d时趋于稳定,这主要与瓜尔豆胶水化反应逐渐完全有关,此时水凝胶与颗粒、纤维间的交联逐渐变厚,由此引起的胶结强度及填孔作用逐渐明显[17]

    图 7为A组、B组不同变量试样对应的饱和渗透系数试验结果,结果显示:试样的饱和渗透系数和其下降幅度均随瓜尔豆胶掺量增加或养护龄期增长而减少,当瓜尔豆胶掺量为1.5%,龄期为14 d时,试样饱和渗透系数最小,为2.26×10-6 cm/s,相比纤维试样降低78.9%,说明瓜尔豆胶的加入可以明显改善纤维黄土的渗透性。究其原因,土壤基质内的水凝胶会堵塞水分入渗通道,对通过试样的流量起到物理阻挡作用。此外,随着瓜尔豆胶掺量增加或养护龄期增长,上述过程中的水凝胶体积因瓜尔豆胶水化作用逐渐完全而增加,高反应亲水性基团增多,对水分的化学吸附作用增强,一定程度上减缓了水分的流动[17, 22]

    图  7  不同试样对应的饱和渗透系数
    Figure  7.  Saturation permeability coefficients of different samples

    图 8为纤维黄土S1和胶-筋固化黄土S3的土水特征曲线。由图 8可知,不同试样的土水特征曲线呈现出相似的变化趋势,即体积含水率随基质吸力增加而减小,但减小幅度因试样材料不同而有所差异。在同等的基质吸力下,S3的体积含水率均大于S1,表明S3体积含水率损失较小,具有更好的持水性,证实瓜尔豆胶能够有效增强纤维黄土的持水能力。

    图  8  不同试样的土水特征曲线
    Figure  8.  Soil-water characteristic curves of different samples

    不同试样的VG模型参数如表 4所示,相关系数为0.9837,0.9974,说明VG模型对试样土水特征曲线拟合的相关性良好。$ {\theta _{\text{s}}} $为土壤饱和含水率,反映着土体的持水总孔度,在土壤类型和容重保持一致的情况下,试样的饱和含水率理应一致,然而,表 4显示S3大于S1,说明瓜尔豆胶掺入后试样的持水孔隙度增大。$ {\theta _{\text{r}}} $为土壤残留含水率,主要依赖于颗粒表面性状,反映的是土壤颗粒表面的分子持水性[31],由表 4可知,S3的残留含水率大于S1,这是由于瓜尔豆胶水凝胶富含大量亲水基团[25],能够吸附于土颗粒表面所致。$ \alpha $值与进气值的倒数呈正相关关系,而表 4中S3的值更小,意味着S3开始失水时所需的基质吸力更大,起始失水难度更大。$ n $值是土水特征曲线斜率,表征增加单位吸力梯度土壤的失水量。由表 4显示出S3的$ n $值较S1较大。分析原因,可能是由于纤维的三维网状结构会延长水分运移途径[11],而瓜尔豆胶加入后,由于水凝胶能够填充孔隙,导致水分运移途径缩短,使得土体失水量相对增加。

    表  4  不同试样的VG模型参数
    Table  4.  VG model parameters of different samples
    试样 VG模型参数 $ {R^2} $
    $ {\theta _{\text{s}}} $/% $ {\theta _{\text{r}}} $/% $ \alpha $/kPa-1 n
    S1 38.38 12.57 0.013 2.4141 0.9837
    S3 40.52 13.60 0.008 2.5671 0.9974
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    系统分析2个试样土水特征曲线的VG模型参数发现,瓜尔豆胶的作用体现在增加土体起始失水难度,改善土体孔隙持水部分,并依靠自身富集的亲水基团改善土颗粒表面的分子持水特性。尽管也会使得土体失水量增加,但就总体而言,瓜尔豆胶仍能有效提升纤维黄土的持水能力,意味着胶-筋固化黄土能为植物生长提供较为充足的水分,避免其因蒸腾作用而脱水[32],对于发挥植物护坡潜能具有重要意义[33]

    研究区域属暖温带半湿润大陆性季风气候,四季分明,气候温和,雨量适中。试验120 d内,研究区域的实际气候变化如图 9所示。

    图  9  试验过程中气候变化
    Figure  9.  Climate change during experiment

    不同边坡模型的植物覆盖率随时间变化曲线如图 10所示。由图 10可知,整个试验过程中,纤维生态防护条件下的植物覆盖率随时间的变化过程分为2个阶段:0~90 d内反复出现先增加后减少的变化过程;90~120 d内持续增加,且增加幅度逐渐增大。这是因为试验前期为种子萌发阶段,植物对于边坡尚不具备防护作用,坡面防护主要依靠纤维黄土本身的抗侵蚀性能,而纤维对于土体的水稳特性提升有限,使得雨水冲刷下植物种子或幼芽容易与土粒共同流失,导致植物覆盖率呈现波动变化。与此同时,纤维黄土渗透性较高,持水性较弱,土体水分储备不足,植物生长缓慢,至试验后期,成型植物较少,形态普遍发育不良,如图 11(a)所示,但植物细长的根系容易与纤维缠绕,避免了幸存植物流失的发生,且在根系的水力作用[33]下,实现了植物覆盖率的稳定增加。此外,在整个试验过程中,随着土粒流失,纤维逐渐露出,其加筋作用逐渐发挥[11],导致坡面侵蚀痕迹明显,却仍基本保持完整,具有一定的防护效果,如图 12(a)所示。相比之下,胶-筋生态防护条件下的植物覆盖率随时间增长而增加,增加幅度先增大后减小,展示出良好的植物长势,如图 10所示。可见,胶-筋固化黄土具有优良的生态防护效果,这是由于防护层土体较强的力学与水力性能可以有效抵抗住大气降雨的侵蚀,确保整个试验过程中的坡面完整,为植物营造了一个稳定、保水的生长环境。随着试验持续进行,植物逐渐成熟,其根茎叶发育良好,如图 11(b)所示,而植物的叶片及根系表面积增长,直接导致土体吸力提升[32],抑制了土体水分蒸发,并促进了植物光合作用发生,使得植物覆盖率的增幅得到进一步提升。此后,受坡面空间限制影响,植物覆盖率数值逐渐趋向100%,其增幅呈现减小的趋势,如图 12(b)所示。此外,在试验结束的后续挖掘植物过程中发现,植物根系和纤维同样发生相互缠绕,说明此时坡面土体中形成了胶-筋-草一体的完备防护体系。

    图  10  植物覆盖率随时间变化曲线
    Figure  10.  Variation curves of plant coverage with time
    图  11  坡面植物形态照片
    Figure  11.  Images of slope plant morphology
    图  12  坡面植物生长过程
    Figure  12.  Growth process of slope plant

    当试验进行至120 d时,纤维生态防护和胶-筋生态防护条件下坡面的植物覆盖率依次为32.48%和94.86%。此时,收集坡底冲刷残积土进行烘干称重。结果表明:纤维生态防护和胶-筋生态防护条件下,累计冲刷量依次为160.23,69.97 g。因此,相比纤维生态防护而言,胶-筋生态防护的植物覆盖率提升了192.1%,累计冲刷量降低了56.3%,可以证实纤维黄土经过瓜尔豆胶的固化处理后,对于黄土边坡的生态防护效果极佳,能够满足“长期有效、美观绿色”的工程实际需求。

    本文提出采用瓜尔豆胶对纤维黄土进行固化处理。通过开展直剪试验、崩解试验、渗透试验以及土水特征试验,研究了瓜尔豆胶对纤维黄土抗侵蚀特性和土水保持能力的影响。此外,在自然大气降雨的条件下,对比分析了纤维黄土与胶-筋固化黄土的生态护坡效果,并探讨了瓜尔豆胶对纤维黄土的固化机制。主要得到3点结论。

    (1)瓜尔豆胶能有效提升纤维黄土的抗侵蚀特性,随着瓜尔豆胶掺量增加或养护龄期增长,抗剪强度先增加后减小或稳定,而崩解率和饱和渗透系数均先减少后稳定,最优掺量和最佳龄期分别为1.0%和14 d。

    (2)最优处理的胶-筋固化黄土具有较好的持水性,同时在自然大气降雨条件下展示出优良的生态护坡效果。相比纤维生态防护,试验120 d时胶-筋生态防护下的植物覆盖率提升了192.1%,累计冲刷量降低了56.3%。

    (3)瓜尔豆胶对于纤维黄土的固化机制主要取决于其水化产生的水凝胶特性,具体体现在3个方面:①水凝胶具有较强的黏性,能增强颗粒-纤维之间的界面力,并使纤维之间更容易黏合成三维结构网,综合提升纤维对于黄土的加筋作用;②水凝胶填充孔隙,堵塞水分入渗通道,且限制纤维、土颗粒的移动,维持试样的整体性;③水凝胶表面富集分布着亲水性基团,可以提供与水分子间较强的结合作用,增加土壤起始失水难度,改善土壤孔隙持水度及颗粒表面的分子持水特性。

  • 图  1   黄土颗粒级配曲线

    Figure  1.   Grain-size distribution curve of loess particles

    图  2   崩解装置示意图

    Figure  2.   Schematic diagram of disintegration instrument

    图  3   生态防护边坡模型示意图

    Figure  3.   Schematic diagram of ecological protection slope models

    图  4   不同试样对应的抗剪强度参数

    Figure  4.   Shear strength parameters of different samples

    图  5   纤维黄土与胶-筋固化黄土的崩解过程

    Figure  5.   Disintegration process of fiber-reinforced loess and guar gum-treated fiber-reinforcement loess

    图  6   不同试样对应的崩解率

    Figure  6.   Disintegration rates of different samples

    图  7   不同试样对应的饱和渗透系数

    Figure  7.   Saturation permeability coefficients of different samples

    图  8   不同试样的土水特征曲线

    Figure  8.   Soil-water characteristic curves of different samples

    图  9   试验过程中气候变化

    Figure  9.   Climate change during experiment

    图  10   植物覆盖率随时间变化曲线

    Figure  10.   Variation curves of plant coverage with time

    图  11   坡面植物形态照片

    Figure  11.   Images of slope plant morphology

    图  12   坡面植物生长过程

    Figure  12.   Growth process of slope plant

    表  1   黄土的基本物理参数

    Table  1   Basic physical parameters of loess

    天然含水率/ % 密度/(g·cm-3) 液限/% 塑限/% 最佳含水率/% 最大干密度/(g·cm-3)
    12.0 1.38 25.2 17.5 14.0 1.60
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    表  2   聚丙烯纤维的基本物理力学参数

    Table  2   Basic physical and mechanical parameters of polypropylene fiber

    密度/(g·cm-3) 直径/mm 抗拉强度/MPa 弹性模量/MPa 拉伸极限/% 熔点/℃ 燃点/℃
    0.91 0.048 > 358 > 3500 17 > 165 > 590
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    表  3   试样参数设置与分组

    Table  3   Setting and grouping of parameters of samples

    试样编号 纤维掺量/% 纤维长度/mm 瓜尔豆胶掺量/% 养护龄期/d 分组与变量
    S1 0.5 22 0 14 A组
    S2 0.5 22 0.5 14
    S3 0.5 22 1.0 14
    S4 0.5 22 1.5 14
    S5 0.5 22 1.0 3 B组
    S6 0.5 22 1.0 7
    S7 0.5 22 1.0 14
    S8 0.5 22 1.0 28
    注:A组瓜尔豆胶掺量变化;B组养护龄期固定。纤维掺量和长度参考文献[1011]选取,以较大程度发挥纤维加筋作用,且尽量减轻纤维对于土体渗透的负面影响。
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    表  4   不同试样的VG模型参数

    Table  4   VG model parameters of different samples

    试样 VG模型参数 R2
    θs/% θr/% α/kPa-1 n
    S1 38.38 12.57 0.013 2.4141 0.9837
    S3 40.52 13.60 0.008 2.5671 0.9974
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  • 收稿日期:  2021-08-16
  • 网络出版日期:  2022-12-11
  • 刊出日期:  2022-09-30

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