巖質邊坡表層黏性客土抗裂特性試驗研究

宋京雷，何 偉，郝社鋒，蔣 波，劉 瑾，卜 凡，宋澤卓

（1.江蘇省地質調查研究院，江蘇 南京 210018；2.自然資源部國土（耕地）生態監測與修復工程技術創新中心，江蘇 南京 210018；3.河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100）

當前，在高速公路、鐵路、港口以及能源開發等基礎工程建設過程中，因大量開挖土石方形成很多裸露的巖質邊坡，不僅破壞了原有的植被與土壤，導致當地生態環境嚴重失衡，而且在降雨條件下極易發生水土流失，誘發崩塌、滑坡和泥石流等地質災害，危害人民的生命財產安全[1-4]。對于這類工程問題的治理，傳統的護坡技術如護面墻、干砌石、漿砌石、噴混凝土護坡等，雖然能夠顯著地改善坡體的穩定性[5-6]，但其綠化效果較差，同時不能滿足生態治理的需求，與當前可持續發展的理念相違背[7-10]。因此，巖質邊坡植被護坡技術應時而生，并已成為巖質邊坡生態護坡技術的一個重要組成部分。巖質邊坡不同于土質邊坡，由于其裸露邊坡表面創傷面沒有土壤覆蓋，水熱容量小，有機質、N、P等營養元素的難以形成和富集，故不能滿足植被生長所必須的環境條件，不利于植物的定居和生長[11]。因此，巖質邊坡生態修復的首要任務是在邊坡表面構建一定厚度的人工土壤層或生態基質層（即客土層）[12]。客土噴播的厚度受到邊坡類型、邊坡坡度和降水等因素的影響[13]。一般而言，當基質層厚度較小，植被根系在豎直方向上的生長會受到限制，不利于植被生長；而基質層厚度較大時，則容易導致基質層發生失穩破壞。基質層厚度的選擇是否合理影響其穩定性和植被的生長。此外，干旱條件下造成噴播客土的干縮、開裂也是邊坡生態修復工程中一種常見的自然現象。龜裂所產生的土體表面裂隙網絡在很大程度上會改變其內部應力場以及滲流場，從而弱化整體結構，同時也為外部水體入滲，以及內部水分、營養物質流失提供了“便捷通道”，引發一系列工程地質災害[14-17]。由此可見，龜裂對客土層的穩定性、植被的正常生長影響極大。

針對上述問題開展室內干燥試驗，以探究不同厚度黏性土的干縮開裂特征，并在此基礎上，采用聚氨酯作為客土改良材料，通過變化其濃度以研究該材料對黏性土干燥失水、表面裂隙發育的影響。最后結合數字圖像處理技術（PCAS），對土體表層裂隙網絡的幾何形態進行定量分析。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

干燥試驗用黏性土取自南京某工地下蜀土，呈黃褐色，天然含水率20%～27%，比重2.71，塑限22%，液限36.7%，塑性指數14.7。試驗所用高分子材料為聚氨酯型高分子（Polyurethane，簡稱PU），在自然狀態下為淺黃色黏稠狀液體，具一定的透明度，密度1.18 g/m3，固形物含量85%，膠凝時間300～1 800 s，pH值為7，黏稠度650～700 MPa·s，可任意比例水溶，且具備無污染、使用便捷、經濟效益高等優點，此外還能夠涵養水分，促進植被生長。

1.2 試樣制備

利用ab膠將規格為60目的砂紙粘于放置土樣的容器底部，以較為貼近地模擬自然條件下摩擦效應對土體干縮、開裂的影響。容器四壁均勻地涂上凡士林以減少邊界摩擦力所產生的試驗誤差。在105℃條件下烘烤試驗土體8 h后磨碎，過2 mm篩。

設定試樣含水率（w）為60%。將與水混合完全的土樣根據試驗所設厚度（h=3，6，9，12 mm）倒入內徑為10 cm×10 cm×5 cm的正方形塑料容器中，機械振動3～5 min，使土樣與容器內壁緊密接觸，同時排除試樣內部的氣泡，蓋上容器蓋靜置24 h。根據土體厚度由小到大，試樣編號依次記為S1、S2、S3、S4。

在水土混合時添加相應濃度的聚氨酯，其摻入質量（mp）由式（1）計算所得。試驗設定聚氨酯濃度分別為0.25%、0.5%、0.75%、1.00%。根據聚氨酯濃度由小到大，試樣編號依次記為S5、S6、S7、S8。

式中：mp——聚氨酯的摻入質量/g；

ms、w——干土、水的質量/g；

wp——聚氨酯的濃度/%。

1.3 試驗方法

將靜置完畢的試樣置于20℃的恒溫箱進行干燥，分2個階段進行記錄。第一階段：每隔1 h對各組試樣稱重，記錄讀數，持續12 h；第二階段：在第一階段完成之后，每隔12 h對試樣稱重，記錄讀數，直至每兩次讀數之差小于1 g，試驗結束。

最后，結合數字圖像處理技術（PCAS），針對裂隙網絡圖像的構成要素，提出裂隙率（Rsc）、裂隙數量（Nf）、土塊數量（Na）、裂隙總面積（S）、裂隙平均長度（Lav）以及寬度（Wav）等基本度量指標，進行定量分析。

2 試驗結果

2.1 厚度對黏土體干縮特性的影響

圖1為不同厚度試樣含水率隨時間變化的規律，4種試樣的曲線整體變化趨勢相似。隨著試樣厚度的增加，曲線逐漸右移，較小厚度試樣的蒸發速率明顯高于同等條件下，較大厚度的試樣，能夠更快地達到殘余階段，這也說明較大厚度試樣持水能力更強。同時，試樣蒸發速率受其厚度影響較大的主要原因，為較大厚度試樣內部水分含量高，能夠在試驗過程中長時間持續提供水分，因此S4能夠維持穩定蒸發率的時間更長，狀態更加穩定。

圖1 不同厚度試樣的含水率-時間關系曲線Fig.1 Relationship of water content and time of samples with different thicknesses

由表1可得，土體表面裂隙率（Rsc）與裂隙總面積（S）隨試樣厚度的增加而增加，二者的增幅分別為32.15%、13.65%、19.17%與32.18%、13.68%、17.99%，表現出Rsc與S隨試樣厚度而發生變化的規律相似。試樣產生裂隙的平均長度（Lav）、平均寬度（Wav）也隨著厚度的增加而增加。然而，試樣表面產生的裂隙數量（Nf）以及因裂隙發育而切割形成的土塊數量（Na）隨試樣厚度的增加而逐漸減少。另外如圖2所示，試樣表面的分形維數（FD）[18]與裂隙節點（FN）均隨其厚度的增大而呈現出下降趨勢，這表明，土體表面裂隙發育及其破碎程度很大程度上受到土體厚度的影響，即厚度越小，表面裂隙率越小，但其破碎程度越高（圖3）。隨著土體厚度增加至一定值時，其影響程度趨于穩定。分形維數FD與裂隙節點FN的定義如下：

式中：P——開裂塊區的周長；

A——與之對應的塊區面積；

C——常數。

上述參數均可在PCAS中自動獲得。

裂隙節點FN的定義為：裂隙網絡任何支路的終端，或網絡中兩個及更多支路的互連公共點，拐點除外。

綜上分析得到本次試驗的最優試樣厚度為12 mm，故將其設定為后續試驗中試樣的制備厚度。

2.2 聚氨酯濃度對黏土體干縮特性的影響

由圖4（a）可直觀地看出，各試樣含水率均隨時間的增長呈下降趨勢，且在0～125 h內呈近似線性下降，而后趨于穩定。對于同一厚度的試樣（h=12 mm），改變聚氨酯水溶液的濃度將對土體含水率的變化產生影響，如添加較低聚氨酯濃度的試樣（S5、S6）可在一定程度上提高土體的持水能力，但提升效果不明顯，且當試樣中聚氨酯水溶液的濃度逐漸升高時，土體持水能力便逐漸減弱。由圖4（b）可以看出，試樣中添加聚氨酯水溶液能延緩土體水分的散失，但效果卻不明顯，論證了圖4（a）所得結論。分析圖4（c）可看出，當試樣處于較高含水率時，聚氨酯水溶液的摻入使得水分散失變得相對穩定，而在低含水率狀態下，聚氨酯水溶液的摻入則基本不對試樣中水分蒸發速率產生影響，此時試樣蒸發速率主要由含水率決定。綜上所述，聚氨酯水溶液的添加能夠在一定程度上改良土體的持水能力，但在本研究所選濃度范圍內，其改良效果不明顯。

表1 不同厚度試樣表面開裂參數統計表Table 1 Statistics of cracking parameters on the surface of the samples with different thicknesses

圖2 不同厚度試樣表面分形維數與裂隙節點個數統計Fig.2 Picture of the fractal dimension and the intersection point number on the surface of the samples with different thicknesses

圖3 不同厚度的試樣完全開裂后表面裂隙網絡Fig.3 Surface crack network of the samples with different thicknesses after completely cracking

分析圖5可知，摻入聚氨酯溶液的試樣其分形維數與裂隙節點個數均大于無添加的試樣。表明雖然添加低濃度的聚氨酯溶液能夠提升土體的保水性，但是不會對土體表面的開裂產生抑制作用，反而其表面的破碎程度將被提升。此外，分析表2中各項參數可知，聚氨酯溶液濃度提升，使得試樣產生土塊的數量減少，裂隙的長度及寬度增大，說明隨著聚氨酯溶液濃度的增加，土體產生新生裂隙數量減少，即試樣干縮開裂以主裂隙的發育為主（圖6）。

圖4 不同聚氨酯濃度試樣的蒸發特征參數關系曲線Fig.4 Relationship of evaporation characteristic parameters of the samples with different CPU

圖5 不同聚氨酯摻入濃度試樣表面分形維數與裂隙節點個數統計Fig.5 Picture of the fractal dimension and the intersection point number on the surface of the samples with different CPU

表2 不同聚氨酯濃度的試樣表面開裂參數統計Table 2 Statistics of cracking parameters on the surface of the samples with different CPU

3 機理分析

試樣在初始含水量相同的條件下，由于蒸發作用，試樣表面水分不斷減少，使得土體內部毛細作用逐漸增強，底部的水分通過毛細管道不斷向上補充（圖7）。圖8表明試樣底部存在的摩擦力，將對土體的收縮變形產生限制作用，隨著試樣厚度增大，其底部摩擦力對表面的限制作用有所減弱，甚至消失。

如圖9所示，聚氨酯加固土體的方式可分為包裹土顆粒、填充孔隙及連結土顆粒。聚氨酯水溶液能夠快速地在試樣內部形成一種穩定的，具有一定抗拉強度的高分子彈性黏膜。隨著聚氨酯水溶液濃度的增加，這種彈性黏膜將大量“堵塞”土顆粒之間的孔隙通道，導致土體表面的水分得不到及時補充，從而促進了表面裂隙的發育，加劇了土體表面的破碎程度。然而，在“堵塞”補水通道的同時，彈性黏膜能夠對土顆粒進行包裹、團聚，在一定程度上提升了土體的整體性，有效地減少了因裂隙切割而產生的土塊數量，從而減緩土體表面新生裂隙發育。

4 結論

（1）在本次試驗所設定的環境條件下，較大厚度的試樣，其干燥完全所需時間長，表面破碎程度低，裂隙發育方式主要以原生裂隙的繼續延伸與側向擴張為主，新生裂隙的產生較少；低厚度試樣干縮開裂后表面更為破碎，裂隙主要以新生裂隙的發育為主。

（2）試樣中添加0～1%濃度的聚氨酯水溶液能夠在一定程度上提升黏性土的持水能力，但效果不明顯。故將在后續試驗中進行較高濃度聚氨酯水溶液對于黏性土干縮開裂特性的研究。

圖6 不同聚氨酯濃度的試樣完全開裂后表面裂隙網絡Fig.6 Surface crack network of the samples with different CPU after completely cracking

圖7 土體內部的毛細現象示意圖Fig.7 Schematic diagram of the capillary phenomenon inside soil

圖8 厚度影響黏性土體開裂示意圖Fig.8 Schematic diagram of thickness affecting cracking of soil

圖9 聚氨酯水溶液與土體相互作用示意圖Fig.9 Schematic diagram of the interaction between polyurethane solution and soil