河床基底重構(gòu)復(fù)合土控滲試驗研究

高金花，李 明，陳 卓，魏 俊，黃森軍，趙進(jìn)勇

（1.長春工程學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130012； 2.吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程實驗室，吉林 長春 130012； 3.中國電建集團(tuán) 華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；4.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

我國北方大部分地區(qū)干旱缺水，季節(jié)性特征明顯，當(dāng)河流滲漏嚴(yán)重、生態(tài)需水量得不到滿足時易引起生態(tài)環(huán)境惡化、生態(tài)系統(tǒng)受損等問題，在河流的生態(tài)修復(fù)與治理過程中，控滲技術(shù)對改善河床底質(zhì)土壤性能、減少水資源浪費具有重要的意義。 近年來，控滲技術(shù)發(fā)展迅速，在工程中得到了廣泛應(yīng)用并取得一定的效益［1－2］。 目前，河道、渠道的主要減滲措施可分為河道硬化處理減滲、復(fù)合土工膜減滲、黏土減滲、膨潤土防水毯減滲和復(fù)合土料減滲等［3－6］。 其中復(fù)合土料減滲是把各種材料配制成復(fù)合土進(jìn)行減滲的方式，例如三合土減滲、水泥潛入土減滲、固化劑土減滲等［7－8］，該減滲方式配料以工程區(qū)素土為主，材料天然、生態(tài)效果好，但目前對于其摻料類型和配比還需進(jìn)一步研究。

纖維加筋技術(shù)是改良土壤工程特性常采用的方法。 有良好力學(xué)性能的纖維在土體中隨機(jī)分布時，能以一種較為均勻的方式加固強(qiáng)化土壤［9－10］。 國內(nèi)外學(xué)者圍繞纖維加筋技術(shù)開展了一系列研究并取得大量成果。 王亞軍等［11］在土壤中加入聚丙烯纖維材料，通過無側(cè)限抗壓試驗研究了纖維材料對固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提高程度。 常志璐等［12］對植物加筋固化土進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度和滲透正交試驗。 曹雅嫻等［13］在硅粉水泥土中摻加聚丙烯纖維，研究水泥土改良后的力學(xué)性能。 Kumar 等［14］根據(jù)軟黏土性質(zhì)選擇摻加聚酯纖維對土體進(jìn)行改良，有效提高了其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。Yetimoglu 等［15］通過對比試驗探索了纖維摻量對土壤殘余剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律。 Ramkrishnan 等［16］通過試驗研究了劍麻纖維對黏土和沙壤土強(qiáng)度增強(qiáng)的特性。已有研究表明纖維的摻入可以對土壤膨脹特性、固結(jié)特性和力學(xué)性能起到改善效果，纖維作為一種工程性質(zhì)良好且天然易獲取的加筋混摻材料已得到很多關(guān)注［17］。

目前，國內(nèi)外復(fù)合土控滲技術(shù)研究主要集中在減滲性能上，針對其力學(xué)性能的研究較少。 筆者利用膨潤土和植物纖維材料對土壤進(jìn)行配比重構(gòu)得到減滲復(fù)合土，探究了復(fù)合土的滲透系數(shù)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨各材料變化的規(guī)律。

1 試驗材料與研究方法

1.1 試驗材料

1.1.1 土壤材料

土樣取自濟(jì)南市創(chuàng)新谷河流漫灘區(qū)，取土深度20～100 cm。 土壤質(zhì)地均勻，含少量植物根系、孔洞和砂礫，主要為含砂粉質(zhì)黏土，呈黃褐色，屬級配不良土體，力學(xué)性能較差，其基本物理指標(biāo)見表1，顆粒級配曲線見圖1。1.1.2 膨潤土材料

表1 土樣的基本物理指標(biāo)

試驗選取鈣基膨潤土、人工納基膨潤土和天然納基膨潤土3 種類型的膨潤土作為主要摻加材料。 膨潤土是以蒙脫石為主要礦物成分的非金屬礦物材料，蒙脫石含量為70%～95%，物理化學(xué)性質(zhì)主要取決于蒙脫石含量與類型，基本性能參數(shù)見表2。

表2 膨潤土材料的基本性能參數(shù)

3 種類型膨潤土主要化學(xué)成分見表3。 人工鈉基膨潤土是由鈣基膨潤土通過物理化學(xué)手段添加大量鈉離子形成，因此二者主要化學(xué)成分含量相近。

1.1.3 植物纖維材料

試驗采用椰殼纖維和劍麻纖維兩種類型植物纖維作為纖維加筋材料，這兩種纖維易獲取，具有優(yōu)良的耐久性、耐濕性和力學(xué)性能，基本性能參數(shù)見表4。

表4 纖維材料的基本性能參數(shù)

1.2 試驗方法

1.2.1 變水頭滲透試驗

試驗采用五聯(lián)變水頭滲透裝置進(jìn)行，試樣按照《土工試驗規(guī)程》（SL 237—1999）擾動土預(yù)備程序制作，以1.6 g／cm3的干密度進(jìn)行配比混摻，標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸為6.18 cm×4.00 cm（直徑×高），同一配比試樣制備2 塊，確保不同試樣的密度、含水率差在1%之內(nèi)，外觀無明顯差異。 試樣制作完畢后置入滲透儀，在浸泡箱進(jìn)行土壤水飽和處理，預(yù)飽和后放入滲透裝置，并調(diào)試供水設(shè)備進(jìn)行試驗。 滲透儀出水穩(wěn)定后開始記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)滲透速度每隔15 min 或1 h 測記一次數(shù)據(jù)，重復(fù)測量5～6 次。 當(dāng)同樣間隔時間內(nèi)水分入滲速率穩(wěn)定時結(jié)束試驗。

以膨潤土類型和摻量作為影響因子，膨潤土類型分別為天然納基膨潤土、人工納基膨潤土、鈣基膨潤土，膨潤土摻量分別為3%、6%、9%、12%、15%、18%、21%，共制作42 塊試樣。

植物纖維材料配比方案見表5，以纖維類型、纖維長度和纖維摻量作為影響因子，共制作24 塊試樣。

表5 植物纖維配比方案

1.2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗

土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角等與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，研究無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可以判斷材料對復(fù)合土力學(xué)性能的影響。 試驗使用萬能壓力試驗機(jī)進(jìn)行，采用三瓣輕型擊實儀制備試塊，以1.6 g／cm3的干密度進(jìn)行配比制作，標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸為6.18 cm×12.50 cm（直徑×高），含水率控制在17%，天然納基膨潤土摻量為15%，纖維類型、長度、摻量配比同表5，對應(yīng)4 個方案編號為A ～D，同一配比試樣制備2 塊，共制備試樣24 塊。 試樣制作完畢后放入標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱（養(yǎng)護(hù)溫度20 ℃±2 ℃，濕度＞90%）養(yǎng)護(hù)至設(shè)計齡期7 d 后進(jìn)行試驗，記錄破壞荷載并計算無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 膨潤土對復(fù)合土滲透系數(shù)的影響

膨潤土摻量對滲透系數(shù)的影響見圖2。 由圖2 可知：3 種類型膨潤土都具備良好的減滲效果，等摻量的情況下，減滲效果強(qiáng)弱排序為天然納基膨潤土、人工納基膨潤土、鈣基膨潤土；當(dāng)摻量達(dá)到21%時，天然納基膨潤土、人工納基膨潤土、鈣基膨潤土3 種類型復(fù)合土滲透系數(shù)分別為5.1×10－8、8×10－8、6.5×10－8cm／s。 當(dāng)3 種膨潤土摻量為15%時，復(fù)合土滲透系數(shù)相對于素土可減小2～3 個數(shù)量級；摻入鈣基膨潤土和人工鈉基膨潤土?xí)r，土壤滲透系數(shù)隨摻量變化規(guī)律趨于一致，原因主要是二者化學(xué)成分相近；當(dāng)摻量為3%～15%時，3種類型復(fù)合土滲透系數(shù)下降較快，當(dāng)摻量高于15%時，滲透系數(shù)下降速率逐步降低，對于摻入同一種類型膨潤土的復(fù)合土，膨潤土摻量是影響滲透系數(shù)的主要因素，膨潤土摻量每提高3%，復(fù)合土的滲透系數(shù)都會在原有基礎(chǔ)上下降30%到60%。

當(dāng)膨潤土摻量在3%～21%變化時，隨著摻量的提高，不同類型膨潤土的減滲效果差異呈現(xiàn)減小的趨勢。其主要原因是試樣土壤結(jié)構(gòu)中的有效孔隙和水通道被膨潤土細(xì)粒遇水膨脹后形成的膠體顆粒逐步填充阻隔，當(dāng)有效孔隙和水通道數(shù)量減少至一個較低水平時，增加膨潤土顆粒無法使剩余的有效孔隙和水通道數(shù)量進(jìn)一步減少。

通過調(diào)節(jié)不同類型膨潤土的摻加量可以控制滲透系數(shù)，當(dāng)天然納基膨潤土摻量達(dá)15%、人工納基膨潤土摻量達(dá)18%、鈣基膨潤土摻量達(dá)18%時，復(fù)合土滲透系數(shù)達(dá)1×10－7cm／s。

將3 種類型膨潤土滲透系數(shù)進(jìn)行擬合（見圖3），擬合公式可為同類型工程膨潤土材料選擇提供參照。當(dāng)膨潤土摻量小于15%時，膨潤土類型對滲透系數(shù)有一定影響；當(dāng)摻量超過15%時，膨潤土類型對滲透系數(shù)影響較小。

鈣基膨潤土摻量為3%～15%、15%～21%時，復(fù)合土滲透系數(shù)與摻量擬合關(guān)系式分別為

人工鈉基膨潤土摻量為3%～15%、15%～21%時，復(fù)合土滲透系數(shù)與摻量擬合關(guān)系式分別為

天然鈉基膨潤土摻量為3%～15%、15%～21%時，復(fù)合土滲透系數(shù)與摻量擬合關(guān)系式分別為

式中：y為滲透系數(shù)，cm／s；x為膨潤土材料摻量；R2為擬合優(yōu)度。

可見，R2均大于0.95，說明關(guān)系式擬合度均較高。

2.2 不同類型植物纖維摻量對復(fù)合土滲透系數(shù)的影響

不同類型植物纖維摻量對復(fù)合土滲透系數(shù)的影響見圖4。 由圖4 可知：椰殼纖維和劍麻纖維能一定程度提高復(fù)合土的滲透系數(shù)，摻量在0.25%～0.75%范圍增加時，復(fù)合土滲透系數(shù)增大速率逐步減小；纖維摻量為0.25%時，復(fù)合土最大滲透系數(shù)為素土滲透系數(shù)的1.254 倍；纖維摻量為0.75%時，復(fù)合土最大滲透系數(shù)為素土滲透系數(shù)的1.534 倍。 當(dāng)纖維摻量和纖維類型相同時，方案一和方案三增滲效果較好，說明1 cm 短纖維對滲透系數(shù)增大效果強(qiáng)于2 cm 長纖維的，這可能是長纖維與短纖維在土體中分布時形態(tài)差異引起的，纖維使?jié)B透系數(shù)增大的主要原因是纖維與土壤的接觸面沿纖維軸向會形成一定量水分子運移通道，纖維與土壤混合并隨機(jī)分布于土體時，長纖維易產(chǎn)生更大彎曲量，在土壤中形成更多高彎曲度的纖維條，當(dāng)水分子沿纖維軸向運移時，曲折的纖維降低了水分子在土壤中沿垂向滲透效率，增加了水分子沿其他方向的無效運移量。 當(dāng)纖維摻量和纖維長度相同時，方案一和方案二增滲效果較好，說明椰殼纖維對滲透系數(shù)的增大效果強(qiáng)于劍麻纖維的，原因是兩種纖維束的寬度和表層粗糙度差異較大，椰殼纖維的單個纖維束的截面和表面粗糙度都大于劍麻纖維束的，這導(dǎo)致椰殼纖維束與土體顆粒接觸面更大，使椰殼纖維與土壤接觸面易形成更多的水分運移通道。

2.3 不同類型植物纖維摻量對復(fù)合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

不同類型植物纖維摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響見圖5。 由圖5 可知，椰殼纖維和劍麻纖維都可以有效提高復(fù)合土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，4 種方案摻量從0.25%到0.50%變化過程中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高較多，摻量從0.50%到0.75%變化時提高較少。 當(dāng)纖維摻量和纖維長度相同時，方案A 和方案B 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高較多，說明椰殼纖維對復(fù)合土強(qiáng)度的提高效果強(qiáng)于劍麻纖維的，例如摻入量為0.25%時，方案A 對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提高量是方案C 提高量的1.405倍；當(dāng)纖維摻量和纖維類型相同時，方案B 和方案D無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高較多，說明2 cm 長纖維對土壤無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提高效果大于1 cm 短纖維的，例如摻量為0.25%時，方案D 對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提高量是方案C 的1.213 倍。 兩種類型纖維對土壤無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高程度的不同可能是纖維束特征差異導(dǎo)致的，纖維提高復(fù)合土強(qiáng)度的重要原因是纖維與土料混摻后，兩者之間產(chǎn)生的摩擦阻力可以限制變形，即當(dāng)土體產(chǎn)生相對位移或者破壞開裂時，纖維與土體會產(chǎn)生一定的摩擦力，起到加筋連固作用，減小形變或者形變趨勢。 而兩種纖維束的寬度和表面粗糙度差異較大，椰殼纖維的單個纖維束的寬度遠(yuǎn)大于劍麻纖維束的，同時椰殼纖維束的表面粗糙度也大于劍麻纖維束的，這導(dǎo)致了椰殼纖維與土壤接觸面摩擦固定效果更強(qiáng)，更大幅度提高了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。 2 cm 長纖維對強(qiáng)度的提高效果強(qiáng)于1 cm 短纖維的，原因是長纖維在土體中隨機(jī)分布時更易形成相互交錯的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在纖維與土壤顆粒摩擦?xí)r提高纖維束多向受力程度，將更多土壤顆粒固結(jié)成為整體，從而提高土體的整體性和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。 植物纖維提高了復(fù)合土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，能改善耐久性并減少受外力影響時的破壞，有利于復(fù)合土控滲。

3 結(jié) 論

通過室內(nèi)滲透試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，研究了不同配比復(fù)合土的控滲性能和力學(xué)性能，主要結(jié)論如下。

（1）3 種類型膨潤土都具備良好的減滲效果，等摻量的情況下，減滲效果強(qiáng)弱排序為天然納基膨潤土、人工納基膨潤土、鈣基膨潤土，通過調(diào)節(jié)不同類型膨潤土的摻量可使?jié)B透系數(shù)下降2～3 個數(shù)量級。

（2）椰殼纖維和劍麻纖維具有一定的增滲效果，隨著纖維摻量的增大，復(fù)合土滲透系數(shù)會有所增大。同樣纖維摻量和纖維種類的情況下，1 cm 短纖維對滲透系數(shù)增大效果強(qiáng)于2 cm 長纖維的；同樣纖維長度和纖維摻量的情況下，椰殼纖維對復(fù)合土滲透系數(shù)增大效果強(qiáng)于劍麻纖維的。

（3）椰殼纖維和劍麻纖維可以有效提高復(fù)合土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，改善其力學(xué)性能，復(fù)合土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著纖維摻量的增大而增大。 同樣纖維摻量和纖維種類的情況下，2 cm 長纖維對復(fù)合土強(qiáng)度的提高效果強(qiáng)于1 cm 短纖維的；同樣纖維長度和摻量的情況下，椰殼纖維對復(fù)合土強(qiáng)度的提高效果強(qiáng)于劍麻纖維的。

（4）利用膨潤土和植物纖維材料對區(qū)域土壤配比重構(gòu)形成的復(fù)合土有良好的控滲性能，材料天然、生態(tài)效果好；復(fù)合土控滲有助于解決河流持水能力差、水資源滲漏浪費的問題，在河道生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景。 但本文試驗方案具有一定局限性，后續(xù)將針對不同類型土壤和其他力學(xué)性能開展進(jìn)一步研究。