劉瑾+張達+汪勇+孫夢雅+段新春+白玉霞

摘要：針對土質邊坡坡面穩(wěn)定性問題，從土體改性機理出發(fā)，采用高分子穩(wěn)定劑對土質坡面進行生態(tài)護坡。對自主研制的高分子穩(wěn)定劑改性土的強度、抗沖刷性和植被生長等進行了室內評價，通過室內試驗和微觀掃描深入分析了高分子穩(wěn)定劑的生態(tài)護坡機理，并通過工程實例應用進一步驗證了高分子穩(wěn)定劑的生態(tài)護坡效果。結果表明：高分子穩(wěn)定劑可以在較大程度上提高土體的強度和抗沖刷性，同時可以促進植被的生長；高分子穩(wěn)定劑生態(tài)護坡機理是通過包裹土質邊坡坡面的土顆粒形成網狀膜結構，提高土體的強度和抗沖刷性等性能，給坡面植被提供良好的生長環(huán)境，從而達到生態(tài)護坡的效果；工程實例驗證了高分子穩(wěn)定劑應用于土質邊坡生態(tài)護坡的可行性，為土質邊坡坡面治理提供了一條有效的解決途徑。

關鍵詞：地質工程；土質邊坡；高分子穩(wěn)定劑；加固機理；生態(tài)護坡；強度；抗沖刷性

中圖分類號：P642 文獻標志碼：A

Abstract： The polymer soil stabilizer was used to protect the soil slope surface ecologically. The strength， anti-erosion and vegetation growth of soil modified with polymer soil stabilizer were evaluated in the laboratory. The ecological slope protection mechanism was analyzed by the test results and microscopic scanning. Engineering example application was carried out to prove the ecological slope protection effect. The results show that the strength and anti-erosion of soil are improved by polymer soil stabilizer， and the vegetation growth is promoted； the ecological slope protection mechanism of polymer soil stabilizer is that a mesh membrane structure of soil particle on slope surface is formed by the wrapping of polymer soil stabilizer， to improve the strength and anti-erosion of soil and provide a well growth environment， so as to achieve the effect of the ecological slope protection； the feasibility of ecological slope protection with polymer soil stabilizer is verified by engineering example， therefore， this method can be considered as an effective solution for the soil slope surface treatment.

Key words： geological engineering； soil slope； polymer soil stabilizer； reinforcement mechanism； ecological slope protection； strength； anti-erosion

0 引 言

隨著社會經濟的發(fā)展，人類工程活動對地表作用日益加劇。在開發(fā)建設項目的大量施工過程中，由于開挖造成原有的生態(tài)體系失衡，原生植被遭到嚴重損壞，形成許多裸露的土質邊坡[1-3]。這些邊坡土壤土質松散、含水量降低、易風化，容易造成坡面侵蝕、水土流失、坡體坍塌、河流阻塞、滑坡、水污染等災害[4-11]，從而危害人民生命財產安全及農田水利等基礎設施安全[12-13]。目前，常用的防治措施主要有漿砌片石護坡、換土、濕度控制、土工織物加固、擋土墻、土釘、抗滑樁等[14-17]。這些工程措施在一定條件下可有效解決土質坡面的穩(wěn)定性，但在許多情況下還存在問題，如未從根本上解決土體的工程性質，不能滿足生態(tài)綠化要求，工程造價高等。因此，探索一種既能有效防止土質坡面水土流失又能結合坡面生態(tài)環(huán)境建設，既能提高土體工程性質又能降低坡面治理成本的土質坡面生態(tài)防護技術是一項緊迫任務。

20世紀90年代以來，隨著人類環(huán)保意識的加強，高分子穩(wěn)定劑（也稱為高分子固化劑）作為一種新型環(huán)保的土體加固材料，在美國、日本等發(fā)達國家開始蓬勃發(fā)展。高分子穩(wěn)定劑利用聚合物交聯形成立體結構包裹和膠結土粒，并利用表面活性劑改變土粒表面親水性質，改變土體本身的性質，同時具有摻入量較少、運輸方便、施工簡單、固化效果穩(wěn)定、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)點。高分子穩(wěn)定劑廣受國際學者的關注，并取得了一批重要的成果。Bae等研究了水溶性聚丙烯酰胺在黏性土工程特性改良中的應用[18-20]；Iyengar等報道了高分子聚合物穩(wěn)定路基土效果顯著[21]；Ates介紹了水性聚合物可顯著改善砂性土的抗液化性能和無側限抗壓強度[22]；Liu等從2008年開始對高分子穩(wěn)定劑進行自主研發(fā)，對其性能進行了室內研究，取得了一系列創(chuàng)新性成果[23-26]。

本文針對土質邊坡坡面穩(wěn)定性問題，從土體改性機理出發(fā)，采用課題組自主研制的高分子穩(wěn)定劑對土質坡面進行生態(tài)護坡，結合室內和現場試驗詳細介紹了高分子穩(wěn)定劑坡面加固機理，驗證了該方法在土質邊坡坡面加固中的有效性，為土質邊坡坡面治理提供一條有效的解決途徑。

1 高分子穩(wěn)定劑概況

高分子穩(wěn)定劑是一種高聚物類土體穩(wěn)定劑。高分子穩(wěn)定劑利用聚合物交聯形成立體結構包裹和膠結土粒，或者利用表面活性劑改變土顆粒表面的親水性質，從而提高土體的強度、水穩(wěn)定性和抗沖刷性等性能。

本試驗所選取的高分子穩(wěn)定劑為自主研制的聚醋酸乙烯酯型穩(wěn)定劑（簡稱PAS）。PAS系列高分子穩(wěn)定劑為乳白色液體，通過乳液聚合而成，黏稠狀，質地細膩，無可見顆粒物，是一種可與水以任意比例互溶的有機高分子穩(wěn)定材料。該穩(wěn)定劑是一類近中性、高固含量、低黏度的有機高分子材料，在自然干燥條件下，具有良好的成膜性，并且具有較好的穩(wěn)定性能，在儲藏、運輸及使用過程不會產生產品變質失效現象。本文所用的高分子穩(wěn)定劑pH值為6～7，固含量（質量分數，下同）為41%，黏度為920 mPa·s，吸水率為34%，凝膠率為1.48%。該穩(wěn)定劑對環(huán)境沒有污染，自然環(huán)境下降解時間一般為2～3年，但根據固化劑中的添加劑可以調節(jié)在自然環(huán)境下的降解時間。

2 試驗目的、內容、結果與分析

為了深入了解高分子穩(wěn)定劑改良效果和改性機理，對其改性土強度、抗沖刷性和植被生長等進行室內試驗評價。室內試驗所用的土樣均取自江蘇省南京市浦口區(qū)的下蜀土，其液限為53.6%，塑性指數為19.7，相對密度為2.72，最佳含水率（質量比，下同）為15.6%，最大干密度為1.74 g·cm-3。

2.1 強度試驗

2.1.1 試驗目的

通過無側限抗壓強度試驗和抗剪切強度試驗，測出不同高分子穩(wěn)定劑含量的改性土試樣強度，并計算內聚力和內摩擦角變化。

2.1.2 試驗內容

首先，將從現場取來的土樣在自然狀態(tài)下風干，破碎并過2 mm標準篩。試樣制備前將高分子穩(wěn)定劑稀釋成5種不同含量（體積分數，下同）（0%（參照樣）、5%、10%、20%和30%）的稀釋液，然后與土樣拌合。試驗設計含水率為17.8%，干密度為1.7 g·cm-3。土樣拌合均勻后采用靜力壓實法壓實制成相應的土樣，在室溫下分別養(yǎng)護48 h后進行無側限抗壓強度試驗和抗剪切強度試驗。試樣尺寸分別為39.1 mm（直徑）×800 mm（高）和61.8 mm（直徑）×200 mm（高）。無側限抗壓強度試驗所采用的儀器是南京土壤儀器廠有限公司生產的YYW-2 型應變控制式無側限壓力儀，其升降板的速率控制在24 mm·min-1?？辜羟袕姸仍囼炈捎玫脑囼瀮x器是ZJ 輕便型應變控制式直剪儀，試驗過程中垂直施加的四級荷載分別為50、100、200、300 kPa，應變速率為0.8 mm·min-1。

2.1.3 試驗結果與分析

從高分子穩(wěn)定劑改性土的無側限抗壓強度和抗剪切強度參數（表1）可以看出：改性土試樣的無側限抗壓強度在經過48 h養(yǎng)護后均有明顯提高，其強度隨著高分子穩(wěn)定劑含量的增大而增大；改性土試樣的內聚力均有較明顯的提高，并隨著高分子穩(wěn)定劑含量的增加而增大，在含量為0%～10%時，試樣的內聚力上升最為明顯，在含量為10%～30%時，試樣的內聚力增加速度明顯降低；而對于內摩擦角，試樣在改良前后沒有明顯變化，同時改性土試樣的內摩擦角隨著高分子穩(wěn)定劑含量的增加而變化量很小。

2.2 抗沖刷性試驗

2.2.1 試驗目的

在模擬降雨條件下，觀察不同高分子穩(wěn)定劑含量的改性土試樣表面土顆粒從試樣中分離出來的數量情況及試驗的抗沖刷效果。

2.2.2 試驗內容

本試驗采用自主設計的沖刷試驗模擬裝置（圖1）對高分子穩(wěn)定劑坡面加固效果進行初步評價。試驗中先將土樣盒（16 cm×16 cm×3 cm）盛滿烘干土樣并壓實，稱重得到土樣盒質量（m0）與土樣質量之和（m1），將不同含量的高分子穩(wěn)定劑稀釋液均勻噴灑在試樣表面（噴灑量為3 L·m-2），在室溫條件下養(yǎng)護48 h。養(yǎng)護后，試樣放置于坡度為30°可調角支架上進行沖刷測試，收集沖刷下的土量。收集盒中的土放置在烘箱烘干24 h，得到其質量為m2，土樣的抗沖刷率R =（m1- m2）/（m1-m0 ）。土樣的抗沖刷率越小，則沖刷越嚴重，抗沖刷能力越弱。此試樣模擬降雨的強度為2.8 L·min-1， 降雨時間為30 min。

2.2.3 試驗結果與分析

試樣在不同含量（0%、5%、10%、20%和30%）的高分子穩(wěn)定劑稀釋液作用下，測試所得的抗沖刷率分別為298%、788%、870%、945%和989%。高分子穩(wěn)定劑改性土試樣在模擬降雨條件下，表面土顆粒從試樣中分離出來的數量有明顯的降低。改性土的抗沖刷能力有了很大程度的提高，并隨著高分子穩(wěn)定劑含量的增加而不斷加強。未改性土試樣在經過沖刷后，表面具有較為明顯的沖刷破壞現象，抗沖刷率只有298%，而改性土試樣沖刷后土體基本保持完整結構，當高分子穩(wěn)定劑含量達到20%和30%時，試樣的抗沖刷率分別高達945%和989%，達到很好的抗沖刷效果。

2.3 植被生長試驗

2.3.1 試驗目的

觀察噴灑不同含量高分子穩(wěn)定劑對土體結構影響和表面破壞情況及對植被生長的影響。

2.3.2 試驗內容

為了了解高分子穩(wěn)定劑對植被生長的影響，通過植被的種子發(fā)芽和生長對比情況進行評價。本試驗選用的植被為百喜草，先將草種撒在裝有土樣的土樣盒（16 cm×16 cm×3 cm）中，在其表面噴灑水及含量為5%、10%、20%、30%的高分子穩(wěn)定劑稀釋液，放置于人工模擬氣候箱中進行養(yǎng)護，氣候箱的溫度設置為28 ℃，觀察草種的發(fā)芽和生長情況以及土樣表面土顆粒的破壞情況。

2.3.3 試驗結果與分析

從高分子穩(wěn)定劑對植被生長的影響結果（表2）可知，高分子穩(wěn)定劑對植被生長無任何不良影響。高分子穩(wěn)定劑改性土中的草種生長和發(fā)育均較好，其中高分子穩(wěn)定劑含量為30%的土樣中草種發(fā)芽提前一天，且發(fā)芽率高。改性土表面土顆粒結構完整性好，產生的裂隙量也明顯減少。此結果主要是由于高分子穩(wěn)定劑改性后的土顆粒水穩(wěn)定性得到較大程度的提高，土體結構及其物理性質（如孔隙度、通氣性、透水性等）得到明顯改善，為植被提供了良好的生長環(huán)境，促進了植被生長。

3 生態(tài)護坡機理分析

高分子穩(wěn)定劑生態(tài)護坡的機理見圖2。高分子穩(wěn)定劑噴灑到土質坡面后，高分子鏈上的內部高分子長鏈逐漸展開，高分子鏈上的親水基團醋酸基（-OOCCH3）、羧基（-COOH）和羥基（-OH）通過氫鍵及陽離子交換作用與土顆粒形成緊密的連接結構（圖3）。而主鏈上具有疏水性的C—C長鏈通過擴散、滲透和纏繞在土顆粒表面及空隙內形成網狀膜結構，增強土顆粒間的連接，最終在坡面形成一定厚度的彈性網狀膜土體結構（圖4）。在護坡的植被還沒有生長前，通過高分子穩(wěn)定劑的化學、物理和網狀膜結構的作用，可以在根本上增強土體強度，提高邊坡抗沖刷性，防止在坡面產生大量的沖溝及水土流失，還可以提高土體的保溫性和透氣性，有利于植被的生長和發(fā)育，減緩表面徑流和雨水的沖刷。而根系發(fā)達的植物根系力學效應可視為三維加筋纖維分布，通過水平根系的加筋作用和垂直根系的黏結型錨桿加固作用來提高坡面土體的附加“內聚力”和承載能力，從而在高分子穩(wěn)定劑和植被的共同作用下達到良好的生態(tài)護坡效果。

邊坡表層土在高分子穩(wěn)定劑所形成的膜結構作用下，土顆粒表層結合水的變化速度大幅度降低。在降雨時，土顆粒表層結合水緩慢地吸收增加，在干燥條件下，減少的速度也十分緩慢，同時高分子鏈上的親水基團也具有較強的保水性，這樣在一定條件下可以較好地調節(jié)邊坡表層土的含水率，促進植被生長，同時防止土體表面開裂。

4 工程實例

為了進一步了解高分子穩(wěn)定劑的生態(tài)護坡效果，筆者進行了現場試驗研究。試驗場地選擇在江蘇省南京市浦口區(qū)，試驗段土質為弱—中等脹縮性下蜀土， 在坡面未處理前， 坡面沖刷十分嚴重， 植被無法生長（圖5）。

針對本試驗坡段的土質特點及氣候因素，結合綠化效果及護坡效果，本次現場試驗選用了百喜草、狗牙根和白三葉等3種植物，并按等份均勻混合。這3種植物對生長環(huán)境要求較低，根系發(fā)達，是極好的水土保持植物品種，非常適于邊坡防護工程，可以起到較好的生態(tài)護坡作用。

4.1 施工程序

（1）坡面整平階段：在道路施工過程中，由于路塹邊坡多為機械開挖，往往造成坡面平整度較低，出現低洼不平，造成邊坡整體視覺及感觀上的不足，也給施工帶來很多不便。因此，對坡面必須要進行人工整平。

（2）施肥播種階段：為了使綠化植被能有更好的生長環(huán)境，施以有機肥及其他復合肥料，同時播撒用于邊坡綠化的草種。如果有合適的噴播機械，這一階段的工作可合并到高分子穩(wěn)定劑噴灑階段，即將肥料和草籽與高分子穩(wěn)定劑混合后一起噴灑到坡面上。

（3）高分子穩(wěn)定劑稀釋階段：高分子穩(wěn)定劑黏度較大，在使用過程中一般都要將其稀釋到一定含量后再噴灑，本次試驗稀釋含量為20%。

（4）高分子穩(wěn)定劑噴灑階段：將高分子穩(wěn)定劑稀釋液按一定單位面積噴灑量均勻噴灑在撒過草種及肥料的邊坡表面，噴灑采用的方式為高壓機泵噴灑。如果具備有種籽、肥料和高分子穩(wěn)定劑混噴的機械泵，則施肥播種階段可省略。

（5）邊坡養(yǎng)護階段：由于種子發(fā)芽需要一定的溫度、水分和陽光等自然環(huán)境，所以在種子發(fā)芽和生長過程中，要定期對邊坡進行灑水養(yǎng)護。

（6）生態(tài)護坡效果評估階段：對現場試驗坡段的抗沖刷性、坡面破壞程度、植被生長情況等定期觀察，對護坡效果進行綜合評價[27]。

4.2 生態(tài)護坡效果分析

試驗段施工期為4月下旬，白天氣溫為18 ℃～30 ℃，噴灑施工期間天氣晴朗，有利于高分子穩(wěn)定劑在坡面成膜，滿足高分子穩(wěn)定劑的施工天氣要求。為了更好地對比高分子穩(wěn)定劑的護坡效果，試驗過程中留了小面積沒有噴灑穩(wěn)定劑的坡面進行效果對比。施工后，定期對試驗段邊坡進行現場評估。從現場試驗區(qū)的植被發(fā)育和坡面情況可知，施工45 d以后，經過幾次暴雨的沖刷，高分子穩(wěn)定劑噴灑后的坡面基本上沒有被沖刷的跡象，坡面植被生長良好，而比對坡面有了較為明顯的沖溝，植被破壞較為嚴重。120 d以后，經過炎熱的夏季和雨水的沖刷，改良后的坡面（圖6）已被植被完全覆蓋，得到充分的保護；而對比坡面（圖7）沖刷嚴重，溝痕變寬變深，水土流失十分嚴重，仍無植被發(fā)育。從上述現場護坡效果可以得出，高分子穩(wěn)定劑可以提高土體的抗沖刷性，具有較好的生態(tài)護坡效果。

5 結 語

（1）自主研制的高分子穩(wěn)定劑可以在較大程度上提高土體的強度和抗沖刷性，同時可以促進植被的生長。

（2）高分子穩(wěn)定劑生態(tài)護坡機理是通過包裹土質邊坡坡面的土顆粒形成網狀膜結構，提高土體的強度和抗沖刷性等性能，給坡面植被提供良好的生長環(huán)境，從而達到生態(tài)護坡的效果。

（3）工程實例進一步驗證了高分子穩(wěn)定劑應用于土質邊坡生態(tài)護坡的可行性，為土質邊坡坡面治理提供了一條有效的解決途徑。

參考文獻：

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