一種高速公路邊坡用新型粘土固化劑制備及性能研究

摘 要：為研究強降雨條件下高速公路粘土邊坡加固技術，制備了新型粘土固化劑，并對不同固化劑濃度條件下改良粘土開展了7 d無側限抗壓強度和降雨條件的土壤損失率和含水率試驗。結果表明，不摻固化劑的素紅粘土的抗壓強度為1.21 MPa，隨固化劑質量濃度的增大，7 d無側限抗壓強度分別為1.32、1.52、1.68和1.47 MPa；當固化劑質量濃度為15%時，固化劑改良粘土的承載能力最強，抗壓強度增大38.84%，較素紅粘土提升幅度較大。改良粉質粘土的土壤總損失量隨降雨時間增長而逐漸增大，但與固化劑質量濃度呈負相關。隨水分蒸發時間的增加，改良粉質粘土試樣的含水率呈現逐漸下降的趨勢。在相同時間條件下，試樣的含水率隨固化劑質量濃度增加而提高。在不同固化劑質量濃度下，粉質粘土的含水率分別為28.75%、46.32%、68.11%、7.65%和80.15%，粉質粘土的保水性能大幅度增強。

關鍵詞：粉質粘土；固化劑；邊坡加固；抗壓強度；抗沖刷

中圖分類號：

TQ437+.1

文獻標志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0083-03

Preparation and performance study of a new clay curing agent for highway slope

XIE Chao

（Guangdong Communications Industrial Investment Co.，Ltd.，Guangzhou 510000，China）

Abstract：To study the reinforcement technology of clay slopes on highways under heavy rainfall conditions，a new type of clay curing agent was prepared，and the improved clays under different mass concentrations of curing agent were tested for 7-day unconfined compressive strength and soil loss rate and moisture content under rainfall conditions.The experimental results showed that：The compressive strength of the plain red clay without the curing agent was 1.21 MPa，and the 7 d unconfined compressive strength increased with the increase of the curing agent mass concentration，which were 1.32，1.52，1.68 and 1.47 MPa，respectively.When the mass concentration of the curing agent was 15%，the bearing capacity of the curing agent improved clay was the strongest，and its compressive strength increased by 38.84%，which was much higher than that of the plain red clay.The total soil loss of improved silty clay gradually increased with the increase of rainfall time，but it was negatively correlated with the curing agent mass concentration.With the increase of water evaporation time，the moisture content of the improved silty clay sample showed a gradually decreasing trend.Under the same time conditions，the moisture content of the sample increased with the increase of curing agent mass concentration.Under different mass concentrations of curing agents，the final moisture content of silty clay was 28.75%，46.32%，68.11%，7.65% and 80.15%，respectively，and the water retention performance of the silty clay was greatly enhanced.

Key words：silty clay;curing agent;slope reinforcement;compressive strength;washout resistance

粉質粘土是我國尤其是南方地區一種常見的路基土，具有良好的工程性能和廣泛的應用價值［1-2］。然而，粉質粘土具有顆粒細小、高含水率、塑性和可塑性、沉降性等特點，在工程實踐尤其是公路建設工程中常帶來一定的威脅［3-5］。因此，如何有效改良粉質粘土的工程性能，是目前高速公路建設領域邊坡加固的重點研究內容。

粉質粘土加固技術是土木工程中常用的一種技術，能夠有效改善邊坡粉質粘土的工程性能，它主要通過改善粉質粘土的物理和化學性質，來提高邊坡的力學性能和穩定性。目前，比較常見的粉質粘土邊坡加固技術有土釘加固技術、地下連續墻加固技術、灰-混凝土加固技術以及固化劑加固技術［6-7］。

現有粉質粘土邊坡加固技術均存在一定的局限性。為研究強降雨條件下高速公路粘土邊坡加固技術，本次研究制備了新型粘土固化劑，并對不同固化劑濃度條件下改良粘土開展了7 d無側限抗壓強度以及降雨條件下的土壤損失率和含水率試驗，為我國高速公路粉質粘土邊坡加固技術與建設提供了一定的借鑒作用。

1 試驗部分

1.1 新型固化劑制備

研究制備一種新型粘土固化劑，其特征在于，包括以下質量組分的原料：桐油 10～50份；油酸鉀10～30份；擴散劑 5～20份；金屬陽離子硫酸鹽Al2（SO4）3 0.01～0.5份；共聚丙烯酸鈉（PAAS材料）10～50份；pH值緩沖劑2～20份；所述擴散劑包括非離子表面活性劑和兩性離子表面活性劑組成的復合型滲透劑。新型固化劑的制備流程：（1）將pH緩沖液和共聚丙烯酸鈉按質量組分混合并攪拌獲得組分A；（2）將擴散劑、不飽和脂肪酸鉀鹽和植物油按質量組分混合，加熱并攪拌均勻，然后滴加金屬陽離子硫酸鹽或鹽酸鹽溶液，攪拌獲得組分B；將組分A滴加至組分B中，保持恒溫，攪拌均勻即可獲得粘土固化劑。

1.2 固化土樣制備

分別取適量固化劑與水混合，制備得到質量濃度分別為0%、5%、10%、15%和20%的固化劑溶液，取100 g固化劑溶液、適量水與10 kg干燥土樣充分混合并攪拌均勻，控制拌合后混合料含水量為10%～20%，攤鋪碾壓成型，控制其壓實密度在1.5～2.0 g/cm3；壓實成型后養護7 d，即可得高強度、疏水型的固化土。

1.3 試驗方案

本次試驗共包括2個部分：（1）對固化土開展抗壓強度試驗。取制備養護完成的改良粉質粘土試樣并開展7 d無側限抗壓強試驗，土樣的尺寸為150 mm×150 mm；（2）對不同土體開展模擬沖刷試驗。將取自某高速公路路基的粉質粘土處理后，分別與不同質量濃度（0%、5%、10%、15%和20%）的固化劑進行混合，將粉質粘土試樣在室溫條件下風干7 d后，將一定質量的土樣均勻攤鋪在模型試驗臺槽內，進行模擬降雨試驗，降雨強度為5 mm/min。在降雨模擬試驗中，需要收集器得到不同時間條件下粘土邊坡沖刷出來的土壤質量，以計算累計土壤損失量；此外，為研究改良土壤的保水性，取一定質量的粉質粘土土樣，施加3 L/m2的水，再將樣品置入烘箱，在80 ℃干燥土樣。同步需要記錄不同時間下土體試樣的質量變化，以計算土壤試樣的含水率。

2 試驗結果分析

2.1 固化土抗剪強度

圖1展示了不同土壤固化劑濃度條件下改良土的7 d無側限抗壓強度試驗結果。

由圖1可知，固化劑改良粘土的抗壓強度隨著固化劑濃度的增大呈現出先增大后變小的變化趨勢。不摻固化劑的素紅粘土的抗壓強度為1.21 MPa，隨著固化劑質量濃度的增大，其7 d無側限抗壓強度分別為1.32、1.52、1.68和1.47 MPa。當固化劑質量濃度為15%時，固化劑改良粘土的承載能力最強，其抗壓強度增大38.84%，較素紅粘土提升幅度較大。分析認為，土壤固化劑在與土壤顆粒和水分相互作用的過程中，會發生化學反應，形成一種新的結構，使土壤變得更加緊密和穩定；土壤固化劑還可以填充土壤孔隙和細微縫隙，從而減少土壤顆粒之間的相對移動，提高土壤的整體強度和穩定性；土壤固化劑中的離子也會吸附在土壤顆粒表面，形成一種電荷屏障，防止顆粒之間的粘著和沉淀，從而增強土壤的穩定性。

2.2 抗沖刷性

基于室內模擬降雨沖刷試驗，對不同固化劑濃度下的粘土樣品進行了測試。通過對試驗數據的分析，得出了試樣的累計土壤損失率隨時間變化的規律如圖2所示。

由圖2可知，對不同土壤固化劑質量濃度條件下的改良粉質粘土，隨降雨沖刷時間的增加，土壤試樣的累計土壤損失量均呈現不斷增長的趨勢。這表明在強降雨條件下，邊坡粉質粘土會出現不同程度的水土流失問題，對高速公路邊坡穩定帶來不利因素。從圖2還可觀察到，固化劑濃度明顯增強了粉質粘土試樣的抗沖刷能力。隨著土壤固化劑濃度的增大，改良粉質粘土試樣的最終累計土壤損失量不斷減小，固化劑作用效果明顯。當沖刷時間達到45～60 min時，所有土體試樣的累計土壤損失量均趨于穩定、不再增長。當試驗結束時（累計沖刷時間達60 min），素粉質粘土試樣的累計土壤損失量達到96.85%。相較之下，固化劑濃度分別為15%、20%的試樣組，土體試樣的累計土壤損失量則分別為9.35%、3.77%。這是由于土壤固化劑還可以填充土壤孔隙和細微縫隙，從而減少土壤顆粒之間的相對移動，提高土壤的整體穩定性和抗沖刷性。

2.3 保水性

圖3展示了不同固化劑濃度條件下改良粉質粘土試樣含水率隨時間的變化關系。

由圖3可知，隨著水分蒸發時間的不斷增加，改良粉質粘土試樣的含水率呈現逐漸下降的變化趨勢。隨著固化劑質量濃度的增加，在相同時間下試樣的含水率越高。在不同質量濃度土壤固化劑條件下，粉質粘土的最終含水率分別為28.75%、46.32%、68.11%、7.65%和80.15%，固化劑作用下粉質粘土的保水性能大幅度增強。這是由于固化劑能很好地固化粘土，同時填充了土壤顆粒間的孔隙，減少了水分的蒸發通道，因此導致水分蒸發速率降低，粘土的保水性增強。

3 微觀結構分析

圖4呈現了未經固化劑處理的粘土試樣、經過5%固化劑處理后的粘土試樣和15%固化劑固化后的粘土試樣的微觀結構掃描（SEM）圖像。

由圖4可知，素粉質粘土試樣內部具有結構疏松、空隙多、顆粒連接弱的特點，這也導致了該組粘土試樣的抗雨水沖刷能力較弱。由圖4還可看出，經過質量濃度15%新型固化劑處理后，粘土試樣的斷裂界面表面呈現出光滑、平整的特點。此外，該試樣內部結構更加致密，試樣內部的松散顆粒分布也大幅減少，這也因此提高了改良粘土試樣的抗沖刷能力。

4 結語

（1）不摻固化劑的素紅粘土的抗壓強度為1.21 MPa，隨著固化劑質量濃度的增大，其7 d無側限抗壓強度分別為1.32、1.52、1.68和1.47 MPa。當固化劑質量濃度為15%時，固化劑改良粘土的承載能力最強，其抗壓強度增大38.84%，較素紅粘土提升幅度較大；

（2）改良粉質粘土的土壤總損失量隨降雨時間增長而逐漸增大，但是其與固化劑質量濃度之間呈負相關關系；當模擬降雨時間累計達到45 min時，土壤總損失量則趨于穩定，不再增長；

（3）隨著水分蒸發時間的不斷增加，改良粉質粘土試樣的含水率呈現逐漸下降的變化趨勢。相同時間條件下，試樣的含水率隨固化劑質量濃度增加而升高。不同新型固化劑質量濃度下，粉質粘土的最終含水率分別為28.75%、46.32%、68.11%、7.65%和80.15%，固化劑作用下粉質粘土的保水性能大幅度增強。

【參考文獻】

［1］ 凌曉梅，張麗，滕新保，等.含碎石粉質粘土邊坡風險評估［J］.中國水運（下半月），2022，22（11）：139-141.

［2］ 張麗，凌曉梅，滕新保，等.深厚淤泥質粉質粘土層基坑支護方案優選［J］.中國新技術新產品，2022（16）：111-114.

［3］ 張小飛.樁錨聯合支護下邊坡變形特征及支護優化分析［J］.工程機械與維修，2022（4）：254-256.

［4］ 許昕.含碎塊石粉質粘土邊坡變形特征及支護效果研究［J］.工程與建設，2022，36（3）：693-695.

［5］ 楊波.粉質粘土邊坡穩定性分析及處置技術研究［J］.河南科技，2021，40（31）：110-112.

［6］ 徐業凱.宿遷地區工程地質特征及基坑支護數值模擬研究［D］.徐州：中國礦業大學，2021.

［7］ 申秋，黎應書，徐世光，等.張家口市某基坑支護方案設計［J］.中國水運（下半月），2019，19（9）：219-220.