凍融循環條件下植被混凝土滲透性試驗研究

高賢 鄧瑋瑋 龍麗珺 邵艷艷

摘 要：目前關于植被混凝土中裸露邊坡生態修復基材滲透性對凍融循環的響應研究較少。本文通過室內凍融循環模擬及滲透試驗，以植被混凝土生境基材為研究對象，研究了不同凍融循環次數和初始含水率條件下其滲透系數的變化情況。結果表明，隨著凍融循環次數的增加，同一初始含水率植被混凝土的滲透系數不斷增大，凍融初期增長速度較快，凍融后期趨于穩定;在經相同凍融次數后，不同初始含水率植被混凝土的滲透系數較凍融前均顯著增大。且植被混凝土初始含水率越高，初始滲透系數相對較高，經凍融后植被混凝土滲透系數變化幅度越大。

關鍵詞：凍融循環;植被混凝土;滲透性

中圖分類號：S-3文獻標識碼：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20191030020

近年來，隨著高寒地區國家基礎設施建設的大力開展，工程所在區域生態環境不可避免地遭到了不同程度的破壞，導致大面積的無植被覆蓋的裸露邊坡急需修復。植被混凝土生態修復技術作為裸露邊坡植被快速恢復常用方法之一，通過在種植土中加入水泥、有機物料、活化添加劑等材料，實現了傳統硬性加固措施與生態修復措施的有機結合，已在我國許多省市得到廣泛推廣和運用 。然而，在已有高寒地區邊坡修復工程實踐應用過程中發現，由于受到高海拔、低氣溫、長日照等極端條件的影響，植被混凝土在凍融條件下物理、力學和化學等性質急劇變化，導致生境基材迅速劣化，致使高寒地區植被生態修復遭遇巨大困難土體的滲透性屬于土體物理力學性能的重要內容，滲透系數是描述土體滲透性能差異的重要參數。國內外學者研究發現，在凍融循環作用下土體的滲透性變化不僅與凍融的溫度模式、時間長短、凍融循環次數等因素密切有關，還與土樣的初始狀態、密實程度等有關。范昊明等研究表明，隨凍融循環次數增加，土壤滲透系數增大較明顯，但增大幅度逐漸變小;王鐵行等研究表明，水平方向與豎直方向測得的黃土的滲透系數均隨凍融循環次數和試樣初始含水率增大而增大。

目前，針對凍融循環作用下天然土和水泥土滲透特性的變化研究較多，而對植被混凝土此類生境基材的研究并不多，因此研究凍融循環條件下生境基材滲透性的變化規律，對高寒地區的植被生態修復具有重要的理論和工程意義。本文通過室內凍融循環模擬及滲透試驗，研究不同凍融循環次數和初始含水率條件下植被混凝土生境基材滲透性的變化規律，旨在為植被混凝土生態修復技術在高寒地區的應用提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究涉及的主要材料包括種植土、水泥、有機物料、活化添加劑和水。種植土取自三峽大學地學樓附近土壤，剔除石頭殘渣及枯枝等雜物，經風干后過1mm篩備用。水泥購自華新水泥廠生產的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。有機物料購自俏牛兒肥業有限公司生產的植物莖葉，經風干、碾磨和過篩后備用。活化添加劑來自三峽大學專利成果轉讓產品（專利號：01138343.7）。

1.2 試驗設計

植被混凝土制備嚴格按照現行國家能源行業標準《水電工程陡邊坡植被混凝土生態修復技術規范》NB/T 35082-2016，具體配比見表1。為保證制樣過程中試樣的均勻性和一致性，試樣的干密度控制為1.3g/cm3。先進行干料拌合，然后按設定初始含水率（質量含水率）加入定量水進行拌合。試驗共設4種初始含水率，分別為18%、20%、22%和24%，凍融循環頻次分別設置為0、1、2、4、8、16、32、64次。每個凍融梯度制作3個環刀試樣，總計制樣24個，用來測定植被混凝土的滲透系數。將制備好的環刀試樣用保鮮膜包裹住，然后放入養護室30d后進行凍融循環試驗。凍結溫度/融化溫度設置為±20℃。單次凍融循環周期設定為凍結12h，融化12h。每到設定的相應凍融循環頻次，從凍融箱迅速取出環刀樣，經真空抽氣飽和后，再進行滲透試驗。

1.3 研究方法

由于植被混凝土中摻入水泥，其滲透系數較小，故選用變水頭滲透實驗。植被混凝土試樣經凍融后進行真空抽氣飽和（抽氣90min→進水飽和60min→浸泡12h以上）。然后將試樣裝入在滲透裝置中，按土工試驗規程標準進行試驗，最終計算得出凍融循環后植被混凝土的滲透系數。

試驗結果按照土工試驗規程標準變水頭滲透試驗提供的滲透系數計算公式進行計算：

k=2.3aLAtlgh1h2

式中：2.3為In和1g的換算系數;a為變水頭管截面積（cm2）;L為試樣高度（cm）; A為試樣截面積（cm2）;t為時間（s）;h1為開始時水頭（cm）;h2為終止時水頭（cm）。

1.4 數據處理與分析

使用Microsoft Excel 2013進行數據處理與圖表繪制;采用SPSS 17.0統計軟件，利用One-Way ANOVA進行單因素方差分析，顯著水平設為@ =0.05。

2 結果與分析

2.1 不同凍融循環次數對植被混凝土滲透系數的影響

植被混凝土滲透系數隨凍融循環次數的變化情況如圖1所示。從圖中可以看出，同一初始含水率的植被混凝土滲透系數隨著凍融循環次數的增加而增大，但增幅逐漸變小，多次凍融后逐漸趨于動態穩定狀態。

凍融后的植被混凝土滲透性較凍融前明顯增大。這主要是因為植被混凝土試樣中水分在低溫情況下會發生凍結，孔隙水結晶導致土體內部顆粒互相擠壓，顆粒之間的結合作用遭到破壞，使其內部出現微裂縫。經多次凍融循環作用下，試樣中水分經歷反復的相變，結構穩定性不斷遭到破壞，微裂縫逐漸變大，成為良好的水分遷移通道 ，其滲透系數不斷增大。此外，隨著凍融循環次數增加，植被混凝土試樣中水分出現反復的遷移，對土顆粒及孔隙產生作用力，以致大孔隙和小裂縫的出現，并且孔隙內壁的粗糙程度降低，結構穩定性明顯減弱[11]，致其滲透系數逐漸大。另外，植被混凝土經多次凍融后，滲透性趨于穩定狀態。原因在于當植被混凝土經過相當多次數凍融循環后，孔隙處于穩定狀態，良好的滲流通道出現，結構性達到新的水平狀態，其滲透性也達到新的動態平衡狀態[12]。

2.2 不同初始含水率對植被混凝土滲透系數的影響

干密度相同、初始含水率不同的植被混凝土試樣滲透系數經反復凍融64次的變化情況如圖1所示。不同初始含水率植被混凝土試樣在經相同凍融次數后，滲透系數比未凍融時明顯變大。且隨著植被混凝土試樣初始含水率的增大，經凍融循環之后其滲透系數顯著增大。原因在于，不同初始含水率的植被混凝土試樣滲透系數對凍融作用的響應程度不同。當植被混凝土試樣初始含水率較低時，因為土樣中水凍結后產生較小的凍脹力，而且土體自身良好的結構對凍脹力有限制作用[13]，所以土樣經過凍融作用后孔隙率會增加，但變化不明顯，對其滲透性影響也相對較小。然而，隨著植被混凝土試樣初始含水率增加，凍脹力增大，嚴重破壞土顆粒聯結作用[5]，土樣結構穩定性受到削弱，其滲透性變化顯著。

注：不同大寫字母表示相同凍融循環次數不同初始含水率處理間的差異顯著（P<0.05 ） ，不同小寫字母表示同一初始含水率不同凍融循環次數處理間的差異顯著（P<0.05）

3 討論

土的滲透性是評價土體抗凍性能的重要指標，與土體的結構、孔隙、顆粒狀態等密切相關[14]。在凍融過程中，植被混凝土結構及孔隙特征發生改變，導致其滲透性能產生差異。在凍融循環過程中，隨著凍融溫度在±20℃上下波動，植被混凝土中水分發生相變和遷移。當水由液相轉至固相時，冰晶形成，導致體積膨脹，四周土顆粒受到擠壓作用，使土顆粒產生位移與變形，同時也會使土體中的中、小孔隙合并而生成大孔隙，從而導致土中的大孔隙含量增加，最后致使土體結構性的變化[13-15]，從而使植被混凝土滲透性發生顯著變化。

此外，植被混凝土經多次凍融循環后，滲透性趨于穩定狀態。土體的變形包含彈性變形和塑性變形[16]。彈性變形是土體變形后即可恢復的部分，經反復凍融后，對植被混凝土孔隙和結構的影響可忽略不計。而塑性變形為不可逆的，導致凍融后的土體變形無法恢復。經過相當多次凍融循環后，達到了植被混凝土的塑性變形極限值，則孔隙不再繼續擴大，滲透系數也不再變化，即其滲透性趨于穩定狀態。

4 結論

本文通過室內凍融循環試驗和滲透性測試研究了不同凍融循環次數和初始含水率條件下植被混凝土滲透系數的變化規律，得出以下結論：

植被混凝土滲透系數受凍融作用的影響明顯。植被混凝土滲透系數隨著凍融循環次數增加而變大。凍融前期增長速度快，凍融后期趨于動態平衡狀態。

植被混凝土滲透性的變化與其初始含水率關系密切。在凍融循環過程中，植被混凝土初始含水率越高，初始滲透系數相對較高，且變化幅度越大。

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作者簡介：

高賢（1993-），男，碩士。研究方向：邊坡防護與生態恢復。