有機復合客土基材接觸面剪切力學特性試驗

李明陽,劉 瑾,梅 紅,盧洪寧,宋澤卓,2,Debi Prasanna Kanungo,祁長青

(1.河海大學 地球科學與工程學院,南京 211100;2. School of Engineering, Royal Melbourne Institute of Technology, Melbourne Vic 3001, Australia;3. Council of Scientific and Industrial Research, Central Building Research Institute, Roorkee 247667, India)

相比原樣地貌,結構類型復雜且分布廣泛的裸露邊坡穩(wěn)定性差、易受擾動,可能造成嚴重的工程地質隱患。隨著工程地質領域對生態(tài)環(huán)保理念的日益重視,針對裸露巖質邊坡的生態(tài)護坡技術逐漸成為研究熱點[1-2]。其中,客土噴播是關注較多的一項生態(tài)護坡技術。針對客土基材,添加穩(wěn)定劑改善土壤諸項性能是一種成熟手段。土壤穩(wěn)定劑根據(jù)成分可分為石灰水泥類、礦渣硅酸鹽類、離子類、生物酶制劑類和高分子聚合物類[3-7]。其中,高分子聚合物類穩(wěn)定劑具有摻入少、固化效果穩(wěn)定、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)點,成為土壤穩(wěn)定劑領域的研究熱點[8]。

客土基材噴播到巖質坡面,與巖質界面形成基材土-巖體二元結構。土-巖接觸面是表現(xiàn)二元結構不均勻性和各向異性的主要區(qū)域,容易發(fā)生結構失穩(wěn),醞釀次生災害[9]。在客土基材變形與接觸面穩(wěn)定問題中,土-巖接觸面的剪切特性是長期以來關注的重點[10-14]。

目前,針對有機高分子材料改良客土基材的研究集中于噴播方式、材料配比等對基材土物理力學特性的影響[8,15-18];針對土-巖接觸面的接觸特性研究集中于試驗方案設計、模型構建、粗糙度評價方法、基材土物性影響等方面[9-10,13-14,19]。現(xiàn)有針對改良材料與接觸面粗糙度對土-巖接觸面穩(wěn)定性復合影響的研究評價較少。接觸面的剪切力學特性是評價客土穩(wěn)定的重要指標,揭示高分子材料和接觸面粗糙度對接觸面剪切力學特征的影響規(guī)律具有理論與現(xiàn)實意義。本文采用預制混凝土模塊作為巖面相似材料,以PVAc型有機高分子材料作為改良材料,開展一系列改進型直剪試驗,分析有機高分子材料含量和接觸面粗糙度對接觸面剪切特性的影響,并結合掃描電鏡試驗揭示高分子穩(wěn)定劑和接觸面粗糙度對接觸面剪切力學特性的強化機制。

1 試 驗

1.1 試驗材料

試驗用土為粉質黏土,取自南京市江寧區(qū),具有可塑性強、膨脹性微弱、失水后易開裂收縮等特性。土樣的粒徑曲線如圖1所示,土樣的物理參數(shù)如表1所示。

表1 土樣物理參數(shù)

圖1 試驗用土粒徑曲線

試驗所用高分子材料為PVAc型穩(wěn)定劑。PVAc是一種生態(tài)友好型高分子聚合物,由疏水長鏈和大量的親水性基團組成[8]。在各類穩(wěn)定劑中,PVAc型高分子穩(wěn)定劑因其價格低廉、生態(tài)友好、改良效果顯著、長效持久等特性成為了研究熱點[8,15-18],具體理化參數(shù)如表2所示。

表2 PVAc的理化參數(shù)

1.2 試驗方法

設計表面有折線形凹槽的混凝土模塊模擬粗糙巖面,于25 ℃干燥環(huán)境下養(yǎng)護26 d。為綜合考慮接觸面上凹凸體高度與體積的統(tǒng)一影響,采用灌砂法計算粗糙度R,即

(1)

式中:R為接觸面粗糙度,Vs為整平粗糙起伏表面需要灌入砂的體積,A0為整平狀態(tài)下的表面面積。粗糙度R表征接觸面的宏觀粗糙起伏形態(tài),不涉及微觀表面摩擦參數(shù)。

將土樣置于105 ℃環(huán)境下干燥10 h,冷卻后粉碎,過2 mm標準篩。試驗設置0、0.5%、1%、2%4組穩(wěn)定劑質量分數(shù)變量,0、1.5、2.5、6.5 mm 4組接觸面粗糙度變量。將對應質量分數(shù)的穩(wěn)定劑溶液與處理后的黏土顆粒混合,與模塊置于專用壓實設備中壓實。制得規(guī)格為高20 mm、直徑61.8 mm、基材密度1.75 g/cm3、含水率25%的直剪試樣。將試樣置于25 ℃恒溫箱內濕養(yǎng)48 h。試驗采用儀器為改造型應變式直剪儀(圖 2(c)),可使剪切過程中直剪樣的剪切面正好位于基材與混凝土模塊的接觸面上。剪切試驗施加各法向應力為100、200、300、400 kPa,剪切加載速率為1.2 mm/min。試驗流程及所用儀器如圖2所示。

圖2 試驗流程及所用儀器

2 試驗結果與分析

通過改進型直剪試驗對有機復合客土基材-巖面的剪切力學特性進行研究,得到試驗變量穩(wěn)定劑質量分數(shù)P、接觸面粗糙度R和接觸面各抗剪強度指標間的關系如表3所示。

表3 試樣接觸面的抗剪強度指標

2.1 有機高分子材料改良客土基材抗剪強度參數(shù)分析

為保證試驗完整性,首先評價高分子穩(wěn)定劑改良基材土的效果。統(tǒng)計基材試樣的黏聚力、內摩擦角與穩(wěn)定劑質量分數(shù)的關系并做擬合曲線(如圖3所示)。結果表明,2%摻量的基材黏聚力增加了33.42 kPa,比無穩(wěn)定劑的提高了313.91%。隨著穩(wěn)定劑質量分數(shù)從0增加至2%,黏聚力的增長速率降低。以黏聚力增量與穩(wěn)定劑質量分數(shù)增量的無量綱比值為黏聚力增長速率,穩(wěn)定劑質量分數(shù)從1%增加至2%,黏聚力平均增長速率降低至4.29,比0～1%區(qū)段的黏聚力增速降低了85.28%;基材土的黏聚力增長集中于穩(wěn)定劑質量分數(shù)從0增長至1%的區(qū)段,占總增量的87.17%。質量分數(shù)繼續(xù)增加至2%時,基材土黏聚力增長速率減緩并接近停滯。這是因為未添加穩(wěn)定劑時,客土基材內部黏聚力主要取決于含水率和自身顆粒特性。隨著穩(wěn)定劑的加入,宏觀上基材土在穩(wěn)定劑成膜作用、充填作用下整體性得到了提高;細觀上基材土內部黏土顆粒在穩(wěn)定劑PVAc長鏈大分子間的包裹、橋接與分子間作用下,整體性增強。但隨著穩(wěn)定劑質量分數(shù)的增加,穩(wěn)定劑對基材土的強化作用發(fā)揮充分,基材土黏聚力的提高速率呈降低趨勢。不同質量分數(shù)下基材試樣內摩擦角分別為12.48°、13.52°、14.13°和15.31°,數(shù)據(jù)標準差為1.02。結果表明,增加穩(wěn)定劑質量分數(shù)能為基材試樣的內摩擦角帶來2.83°的微小增長,但影響微弱。

圖3 不同穩(wěn)定劑質量分數(shù)下基材試樣的黏聚力和內摩擦角

2.2 應力-應變曲線分析

圖4為部分不同條件下接觸面剪切應力-應變曲線。其中,圖4(a)～(d)為穩(wěn)定劑質量分數(shù)P=1% ,不同粗糙度的接觸面剪切應力-應變曲線;圖4(e)～(h)為接觸面粗糙度R=6.5 mm,不同穩(wěn)定劑質量分數(shù)下接觸面剪切應力-應變曲線。

圖4 不同條件下接觸面的剪切應力-應變曲線

圖4表明,在試驗選用剪切方案下,各法向壓力對應的應力-應變曲線總體上表現(xiàn)出非軟化特征;試樣的峰值剪應力在不同粗糙度、不同穩(wěn)定劑質量分數(shù)下,均會隨著法向應力的增大而提高。

對比圖4(a)～(d)以及圖4(e)～(h)可以看出,在相同法向壓力下,粗糙度R越大、穩(wěn)定劑質量分數(shù)越高,接觸面的抗剪強度峰值越大。這初步說明,添加有機高分子材料和提高接觸面粗糙度都可強化接觸面的剪切強度特性。同時,P2-R6.5(P=2%,R=6.5 mm)組各法向應力下的抗剪強度分別為96.78、160.21、194.18、239.55 kPa,高于P1-R6.5組與P2-R0組數(shù)據(jù)。這表明穩(wěn)定劑與接觸面粗糙度對接觸面抗剪強度的強化具有協(xié)同效應。

在不同粗糙度和穩(wěn)定劑質量分數(shù)下,應力-應變曲線變化趨勢具有同質性,總結為3個階段。初始階段為近彈性變形階段,接觸面上層基材在法向應力作用下被不斷壓密,抵抗剪切變形。在初始剪切作用下,剪應力與剪切位移之間呈線性關系。第二階段為彈塑性變形階段,黏土基材與接觸面間的相互作用,穩(wěn)定劑高分子材料對土體的強化作用開始參與抵抗剪切變形。整體上,接觸面上土-巖相互作用、穩(wěn)定劑強化作用的參與程度隨著剪切進行繼續(xù)提高,剪應力也持續(xù)提高,增長速率逐步降低。第三階段為變形破壞階段,隨著剪切繼續(xù)進行,接觸面間相互作用與穩(wěn)定劑的強化作用充分發(fā)揮,接觸面的剪應力達到最大。繼續(xù)剪切,試樣開始出現(xiàn)剪切破壞變形,在試驗采用的一系列高法向應力作用下,試樣的剪應力保持不變或繼續(xù)增加,呈現(xiàn)出非軟化特征。

2.3 巖面粗糙度與穩(wěn)定劑質量分數(shù)對土-巖接觸面抗剪強度影響特征分析

接觸面粗糙度和穩(wěn)定劑質量分數(shù)對接觸面抗剪強度的影響見圖5。圖5(a)～(d)結果表明,在不同法向壓力和穩(wěn)定劑質量分數(shù)下,增大粗糙度R可提高接觸面的抗剪強度。隨著接觸面粗糙度R從0增加至6.5 mm,接觸面粗糙度增加使接觸面抗剪強度提升15.72～74.01 kPa,增幅為21.47%～105.24%;圖5(e)～(h)表明不同接觸面粗糙度下,增加穩(wěn)定劑質量分數(shù)可提高接觸面的抗剪強度,隨著穩(wěn)定劑質量分數(shù)從0增長至2%,不同接觸面試樣抗剪強度提升了28.63～61.71 kPa,增幅為23.52%～121.99%。

取圖5中法向應力300 kPa對應數(shù)據(jù)為分析對象,得接觸面抗剪強度變化與粗糙度R、穩(wěn)定劑質量分數(shù)P關系如圖6所示。抗剪強度增量占比Δτ在不同粗糙度變化區(qū)段分布如圖6(a)所示。P=0時,接觸面粗糙度0～1.5 mm、>1.5～2.5 mm、>2.5～6.5 mm區(qū)段Δτ分別為24.62%、41.45%、33.93%,表明抗剪強度在3個區(qū)段增長較為均勻;P=0.5%時相應Δτ為51.45%、24.67%、24.18%,表明抗剪強度增長主要發(fā)生在0～1.5 mm區(qū)段;P=1%時,抗剪強度增長78.19%發(fā)生在>2.5～6.5 mm區(qū)段;P=2%時,抗剪強度增長均勻分布于3個區(qū)段。以抗剪強度增量與粗糙度R的無量綱比值為抗剪強度關于R的增長速率vτ,得vτ與R的關系如圖6(b)所示。圖6(b)表明,不同質量分數(shù)下,粗糙度>2.5～6.5 mm區(qū)段vτ處于3.39～7.33,除P=1%外,均明顯小于粗糙度0～1.5 mm、>1.5～2.5 mm區(qū)段。這初步說明隨著數(shù)值的繼續(xù)增大,粗糙度R對接觸面抗剪強度的強化效率會逐漸衰減。陳俊樺等[19]的研究證明了這一點。

圖6 300 kPa法向壓力下接觸面抗剪強度變化

圖6(c)為抗剪強度增量占比Δτ在不同穩(wěn)定劑質量分數(shù)變化區(qū)段分布。可以看出,R=0 mm時,穩(wěn)定劑質量分數(shù)變化0～0.5%、>0.5%～1%、>1%～2%區(qū)段Δτ分別為42.77%、57.23%、-18.58%,表明抗剪強度增長發(fā)生在0～0.5%、>0.5%～1%區(qū)段;R=1.5 mm時相應抗剪強度增量占比變化為73.86%、1.44%、24.70%,表明抗剪強度增長主要發(fā)生在0～0.5%區(qū)段;R=2.5 mm時,抗剪強度增長均勻地發(fā)生在0～0.5%、>1%～2%區(qū)段;R=6.5 mm時,抗剪強度增長主要發(fā)生在0～0.5%、>1%～2%區(qū)段。這表明不同粗糙度下,穩(wěn)定劑質量分數(shù)從0增至0.5%能明顯增強接觸面抗剪強度。R=0和R=2.5 mm兩組數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出增加穩(wěn)定劑質量分數(shù)對接觸面抗剪強度的負面影響。這可能是由重塑土直剪樣造成的數(shù)據(jù)誤差,具體規(guī)律應結合其余抗剪強度參數(shù)分析揭示。

圖5 接觸面粗糙度與穩(wěn)定劑質量分數(shù)對接觸面抗剪強度的影響

2.4 巖面粗糙度與穩(wěn)定劑質量分數(shù)對土-巖接觸面黏聚力影響特征分析

黏聚力表現(xiàn)無法向應力下的抗剪強度。圖7為接觸面粗糙度和穩(wěn)定劑質量分數(shù)對接觸面黏聚力的影響。

圖7 接觸面粗糙度與穩(wěn)定劑質量分數(shù)對接觸面黏聚力影響

圖7(a)表明,隨著粗糙度從0 mm增加至6.5 mm,接觸面黏聚力持續(xù)增長,不同穩(wěn)定劑質量分數(shù)下黏聚力關于粗糙度的最終增幅為12.27～23.77 kPa,增長率為41.61%～391.54%。不同質量分數(shù)穩(wěn)定劑下,黏聚力關于粗糙度R的增長關系具有趨同性,表現(xiàn)為兩種區(qū)段,即粗糙度0～1.5 mm變化區(qū)段的陡增段與>1.5～6.5 mm的緩增段。這是因為R=0 mm時,接觸面表面平坦缺乏宏觀嵌合結構,黏聚效果依賴黏土顆粒、滲出水與混凝土顆粒之間的微弱作用。R由0 mm增加至1.5 mm,接觸面間出現(xiàn)顯著宏觀嵌合結構,兩種顆粒之間接觸面積增加,增強了二元結構的微弱黏聚作用;同時,在剪切過程中,接觸面上部薄層土體會被粗糙接觸面調動參與到剪切破壞過程,高俊合等[14]稱其為接觸面厚度。光滑接觸面調動上層土體有限,接觸面剪切破壞以基材土沿接觸面滑動位移為主;粗糙接觸面的宏觀嵌合結構提高了接觸面調動上部土體參與接觸面抵抗剪切破壞的能力,接觸面剪切破壞表現(xiàn)為基材土沿接觸面滑動位移與接觸面厚度內基材土自身變形位移兩種模式,黏聚力出現(xiàn)顯著增長。隨著R繼續(xù)增大,土-巖接觸面間的黏聚作用并未出現(xiàn)機制上的新變化。R=1.5 mm之后,粗糙度R繼續(xù)增加,黏聚力關于R的增長率降低。

圖7(b)表明,隨著穩(wěn)定劑質量分數(shù)P從0增加至2%,接觸面黏聚力出現(xiàn)明顯增長,不同粗糙度下黏聚力的最終增幅為29.44～37.94 kPa,增長率為197.91%～754.87%;光滑接觸面與粗糙接觸面下黏聚力c關于P的增長關系表現(xiàn)出兩種形式:R=0 mm的光滑接觸面,黏聚力關于P的增長區(qū)段可劃分為0～0.5%區(qū)間的陡增段,>0.5%～1%區(qū)間的穩(wěn)定增長段,>1%～2%區(qū)間的增長衰弱段;對于R不為0的粗糙接觸面,黏聚力關于P的增長區(qū)段可劃分為0～0.5%區(qū)間的陡增段,>0.5%～1%區(qū)間的衰弱段,>1%～2%區(qū)間的陡增段。

接觸面的黏聚力主要由土中水對土顆粒的吸引力、土中水對接觸面間顆粒的吸引力提供[20],摻入穩(wěn)定劑后,高分子材料也參與強化接觸面間的黏聚作用。光滑接觸面的剪切破壞形式以基材土沿接觸面滑動位移為主;粗糙接觸面存在宏觀嵌合結構,增加了異相顆粒間的接觸面積,強化了接觸面調動上層土參與抵抗剪切破壞變形的能力,剪切破壞包括基材土沿接觸面滑動位移與上部薄層土體變形位移兩種形式。未加入穩(wěn)定劑時,接觸面黏聚力由土中水對兩種異相顆粒的吸附力提供。加入穩(wěn)定劑后,穩(wěn)定劑高分子材料通過包裹、勾連、膠結、成膜等作用,參與強化接觸面黏聚力。對于平坦接觸面,穩(wěn)定劑主要通過膠結關聯(lián)吸附兩種異相顆粒方式增強接觸面黏聚力;對于粗糙接觸面,穩(wěn)定劑主要通過膠結關聯(lián)吸附兩種異相顆粒、強化接觸面上薄層土體的剪切力學性能兩種方式增強接觸面黏聚力。穩(wěn)定劑強化模式的差異導致平坦接觸面與粗糙接觸面黏聚力關于穩(wěn)定劑質量分數(shù)P的增長關系表現(xiàn)出兩種形式:平坦接觸面黏聚力關于穩(wěn)定劑質量分數(shù)P的增長表現(xiàn)為逐漸衰弱特征;粗糙接觸面黏聚力關于穩(wěn)定劑質量分數(shù)P的增長表現(xiàn)出更為復雜的形式。

2.5 接觸面粗糙度與穩(wěn)定劑質量分數(shù)對土-巖接觸面內摩擦角影響特征分析

圖8(a)、(b)分別為接觸面粗糙度R和穩(wěn)定劑質量分數(shù)P對接觸面內摩擦角φ的影響。

圖8 接觸面粗糙度與穩(wěn)定劑質量分數(shù)對接觸面內摩擦角影響

圖8(a)表明,隨著粗糙度R從0 mm增加至6.5 mm,接觸面內摩擦角持續(xù)增長,不同穩(wěn)定劑質量分數(shù)下內摩擦角關于R的最終增幅在4.36°～7.38°,增長率為24.52%～46.62%。以P0.5組為例,R0-R6.5對應的接觸面內摩擦角分別為16.81°、18.56°、20.22°、21.17°,隨著R的增大,內摩擦角分別增大了1.75°、1.66°、0.95°。同時,P0-P2組下內摩擦角變化極差分別為7.25°、4.36°、4.44°、7.38°。這表明不同穩(wěn)定劑質量分數(shù)下, 接觸面粗糙度R的增大會增加接觸面的內摩擦角,但對內摩擦角增大的影響有限。圖8數(shù)據(jù)揭示,接觸面粗糙度R對接觸面剪切特性的影響表現(xiàn)在對黏聚力和內摩擦角兩方面,其中R對黏聚力的影響占主要因素。

如圖8(b)所示,接觸面粗糙度一定時,R0-R6.5組內摩擦角標準差分別為0.94、0.91、0.46、1.30。結果表明,穩(wěn)定劑對內摩擦角造成的影響微弱。以R1.5組為例,P0-P2對應的接觸面內摩擦角分別為17.06°、18.56°、19.52°、18.96°,可見穩(wěn)定劑質量分數(shù)變化使接觸面內摩擦角在17.06°～19.52°微弱波動。土-巖接觸面的內摩擦角表征接觸面摩擦特性,包括發(fā)生剪切破壞時接觸面上層過渡帶內土顆粒克服表面粗糙度需要的滑動摩擦,顆粒間相互擠壓、嵌合、解鎖產生的咬合摩擦,以及基材土與巖面粗糙結構體之間在宏細觀上產生的摩阻力。作為一種柔性材料,PVAc型高分子穩(wěn)定劑的摻入雖然可在一定程度上增強基材土體內部的整體性,并廣泛參與土-巖接觸面之間的耦合作用,卻無法明顯改造基材土內部的顆粒形態(tài)與土-巖接觸面間土顆粒及混凝土微骨料顆粒的表面粗糙度。因此,接觸面的內摩擦角受穩(wěn)定劑添加量影響微弱。

3 機制分析

3.1 高分子材料改良機制分析

PVAc型穩(wěn)定劑主要成分為含有大量極性羧基(—CH3COO)的聚醋酸乙烯酯長鏈大分子。長鏈大分子通過多種相互作用彼此相互勾連,纏繞包裹黏土顆粒、充填顆粒孔隙從而增強黏土的整體性,改善基材土和接觸面的力學強度特性。

PVAc長鏈大分子的強化作用具體可分為化學強化作用和物理強化作用。首先,PVAc乳液在常態(tài)下會吸附大量的陰離子,表現(xiàn)出負電性。穩(wěn)定劑與黏土顆粒接觸后,長鏈大分子通過靜電吸引與黏土顆粒表面結合。隨著穩(wěn)定劑的運移擴散,黏土顆粒表面吸附的長鏈大分子延伸勾連逐漸充分;穩(wěn)定劑中存在的大量親水基團會減小黏土顆粒間的水合膜厚度,顆粒間斥力減小,毛細水與黏土顆粒的接觸面積與表面張力顯著增強,提高黏土顆粒之間的關聯(lián)性(圖9(a))。同時,黏土顆粒表面的羥基也會與PVAc的極性羧基之間反應生成氫鍵(圖9(b))。PVAc型穩(wěn)定劑是一種具有大量親水基團的聚合物乳液,其與黏土顆粒充分混合后,乳液中含有的大量極性羧基基團會與黏土顆粒表面雙電層中的堿性金屬離子(Ca2+、Mg2+等)發(fā)生置換反應(圖9(c))。極性羧基中的H+取代了黏土顆粒表面的堿金屬離子。黏土顆粒表面雙電子層厚度變薄,顆粒間的吸引力增加,促進了黏土顆粒之間的聚集結合。隨著PVAc濃度的增加,黏土顆粒之間通過氫鍵與延伸勾連的PVAc長鏈大分子相互關聯(lián)靠近,增強土體力學特性。

圖9 PVAc型穩(wěn)定劑改良機制

經(jīng)一定時間恒溫養(yǎng)護,穩(wěn)定劑擴散滲透,長鏈大分子對黏土基材的一系列物理化學作用充分開展。土體內部形成充填黏土顆粒孔隙,緊密連接大量黏土顆粒的三維網(wǎng)狀膜結構,整體性和工程力學特性獲得顯著增強。

對改良黏土基材進行掃描電鏡試驗分析其細觀特征。圖10是不同放大倍率下改良黏土基材的SEM圖像,由圖10(a)、(b)可以看出,在穩(wěn)定劑與土壤接觸后,一部分穩(wěn)定劑聚合物滲透到土壤內部并填充大多數(shù)顆粒間的孔隙,這增強了顆粒之間的關聯(lián)性。PVAc在黏土顆粒表面形成的立體膜結構如圖10(c)所示。這些膜結構具有良好的疏水性和強度,可以緊密聯(lián)系附近的黏土顆粒。

圖10 PVAc型穩(wěn)定劑改良基材土內部電鏡照片

3.2 接觸面起伏形態(tài)影響接觸面剪切變形特征機制分析

黏土基材與混凝土模塊之間的接觸面是典型的異相介質接觸面,上層黏土顆粒與下層混凝土微骨料顆粒之間具有明顯的各向異性。粗糙起伏的土-巖接觸面抵抗剪切變形性能是接觸面上層黏土顆粒間黏結摩擦、黏土顆粒與模塊表面微骨料顆粒擠壓嚙合、黏土體與模塊宏觀嵌合結構間接觸咬合作用的統(tǒng)一表現(xiàn)。以上作用的相對變化決定土-巖接觸面的剪切變形特征。接觸面粗糙度R對接觸面剪切強度特性的影響主要體現(xiàn)在:

1)一定范圍內增大的粗糙度R可以明顯增大黏土基材與混凝土模塊之間的接觸面積,提高了黏土顆粒與混凝土微骨料顆粒之間的接觸耦合機會。在法向應力的作用下,黏土基材滲出的層間浸潤水、分散至層間的穩(wěn)定劑分子也會參與并強化兩種顆粒之間的接觸嚙合作用。

2)接觸面粗糙起伏程度的增大為土-巖耦合提供了明顯的宏觀嵌合結構。具有明顯粗糙形態(tài)的接觸面的剪切變形破壞不會僅局限在接觸面上,同時可能會發(fā)生在接觸面上層一定厚度的土體之中。土-巖接觸面的粗糙度會對接觸面間的土-巖耦合作用和基材土體內部顆粒土顆粒的運移、轉動、破碎分散以及剪切作用下形態(tài)主軸和主應力軸向的偏轉等作用造成顯著影響。且在一定范圍內,上層土體受影響范圍和程度與接觸面的宏觀粗糙程度密切相關[10,14,19]。

3.3 上覆基材參與巖質邊坡穩(wěn)定性分析

以生態(tài)友好性手段提高裸露巖坡的穩(wěn)定性是客土噴播的主要目標。穩(wěn)定黏附在陡傾巖層表面的客土基材可通過一系列作用提高巖質邊坡的抗滑穩(wěn)定性。

1)覆蓋作用。將有機復合客土基材噴播至粗糙巖坡表面,坡面上形成相對穩(wěn)定的基材土-巖體二元結構。二元結構中基材土和接觸面均具有良好的剪切力學特性。穩(wěn)定覆蓋在巖面上的客土基材可關聯(lián)巖坡表面破碎巖體,增強軟弱結構面附近巖體間整體性,提高巖質邊坡表層巖體的穩(wěn)定性。

2)隔離作用。裸露巖坡的各類軟弱結構面、破碎巖體、不良地質體等缺少上覆土體保護,受到多類外營力的強烈負面影響。進行客土噴播后,基材發(fā)揮隔離作用,可有效降低氣候、水文等外營力因子對邊坡巖體穩(wěn)定性造成的一系列不良影響。

3)生態(tài)作用。PVAc型高分子材料具有良好的生態(tài)友好性,經(jīng)其改良的客土基材可通過植被自然侵入或草種噴播引入植被護坡。護坡植被通過根系的力學作用和莖葉的水文效應保護上覆客土基材,保障客土基材對巖質邊坡穩(wěn)定性的強化作用。

PVAc型高分子材料通過一系列物理和化學作用提高基材土和土-巖接觸面的剪切力學特性;接觸面粗糙度通過提供土-巖接觸面積與宏觀嵌合結構提高土-巖接觸面的剪切力學特性。噴播有機復合客土基材可配合錨固和支護等主要防護手段,在提高巖質邊坡抗滑穩(wěn)定性中發(fā)揮輔助作用。

4 結 論

1)PVAc型高分子穩(wěn)定劑可以明顯提高基材土的剪切力學性能,改良效果主要表現(xiàn)在對基材土黏聚力的提高上。摻量2%的基材黏聚力增加33.42 kPa,相比素土基材黏聚力提升了313.91%。

2) 增加接觸面粗糙度可提高土-巖接觸面的剪切力學性能,具體表現(xiàn)在增大黏聚力和內摩擦角兩方面,其中,對黏聚力的強化占主要因素。粗糙度R對黏聚力的強化幅度在12.27～23.77 kPa,強化效率為41.61%～391.54%;粗糙度R對內摩擦角的強化幅度在4.36°～7.38°,強化效率為24.52%～46.62%。

3)高分子穩(wěn)定劑對不同粗糙度接觸面剪切力學性能表現(xiàn)出良好的強化效果,主要體現(xiàn)為對黏聚力的強化。穩(wěn)定劑對不同粗糙度接觸面的黏聚力強化幅度在29.44～37.94 kPa,強化效率為197.91%～754.87%。對于平坦接觸面和粗糙接觸面,高分子穩(wěn)定劑對剪切性能的強化表現(xiàn)為兩種不同模式;不同穩(wěn)定劑質量分數(shù)下,黏聚力關于接觸面的增長關系具有趨同性。PVAc型高分子穩(wěn)定劑與接觸面粗糙度對于接觸面的剪切性能具有協(xié)同強化效應。