吳 忠，劉 瑾，何 勇，魏繼紅，宋澤卓，孫少銳

( 1.江蘇省太湖治理工程建設(shè)管理局，江蘇 常州 213000； 2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

砂土具有結(jié)構(gòu)松散、黏結(jié)力差、透水性強(qiáng)等特性，大量河道砂土岸坡在受到降雨以及河流波浪的沖刷時，常發(fā)生崩塌、沖蝕、塌陷、滑坡等破壞。目前常用的措施包括噴混凝土、漿砌片石護(hù)墻及錨噴護(hù)坡等[1-3]，這些硬性防護(hù)措施可有效保證邊坡的抗沖刷性，但不利于植被生長，無法滿足生態(tài)環(huán)保的要求。因而探索一種既能提高砂土邊坡抗沖刷性又能滿足環(huán)境友好要求的砂土坡面生態(tài)防護(hù)技術(shù)是當(dāng)前研究熱點。

目前常見的生態(tài)防護(hù)技術(shù)是植被防護(hù)措施，一方面是依靠植物根系對土體進(jìn)行纏繞加固，提高表層土的穩(wěn)定性[4-6]，另一方面是植被的覆蓋層能夠減緩雨滴對坡面的侵蝕，截留雨水防止地表徑流，對水流起到阻力作用，從而減少坡面的沖刷破壞[7-8]。戚國慶等[9]將傳統(tǒng)的邊坡加固技術(shù)與植被護(hù)坡技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮二者各自的優(yōu)點，既保證邊坡的安全穩(wěn)定，又實現(xiàn)坡面植被的快速恢復(fù)及生態(tài)環(huán)境保護(hù)。王桂堯等[10]研究草類根系對坡面土強(qiáng)度及崩解特性的影響，認(rèn)為土體強(qiáng)度與根含量呈線性關(guān)系，且草類根系能顯著提高根-土復(fù)合體的抗崩解特性。張偉偉等[11]研究了草本植物根系對沙質(zhì)土壤非飽和特性的影響，認(rèn)為草本植物根系沙土的進(jìn)氣值降低，持水性增強(qiáng)。趙清賀等[12]研究了河岸植被對坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙的阻控效果，研究成果表明，植被對累積泥沙量和徑流侵蝕力的阻控效果隨坡度和放水強(qiáng)度的增大而降低。然而，植被護(hù)坡雖然能夠在一定程度上提高岸坡表層土體穩(wěn)定性，且能滿足生態(tài)環(huán)保要求，但也具有局限性，對土體性質(zhì)、地質(zhì)條件等要求較高。所以選擇一種成本較低、生態(tài)環(huán)保且能改良土體性質(zhì)的生態(tài)防護(hù)方法是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點。

高分子材料作為一種新型環(huán)保的土體加固材料成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。Qi等[13-14]通過一系列室內(nèi)試驗測定了高分子聚合物改良前后土體的特性，并分析了濃度對改良土體強(qiáng)度和水理特性的影響；Mousavi等[15]研究了高分子聚合物乳液與砂性土抗侵蝕特性的關(guān)系，并對其加固機(jī)理進(jìn)行分析；Nohegar等[16]將高分子聚合物應(yīng)用于土體的抗沖刷和抗風(fēng)蝕研究中，發(fā)現(xiàn)其可利用聚合物電解質(zhì)改良土體性質(zhì)。提高土體的穩(wěn)定性高分子材料利用高聚物膠結(jié)包裹土顆粒形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而有效改良土體性質(zhì)，提高土體的強(qiáng)度、抗?jié)B和抗沖刷等性能[17-19]，還具有成本低廉、施工簡便、易于降解的優(yōu)良特性，并且可以滿足生態(tài)環(huán)保的護(hù)坡理念，從而逐漸被應(yīng)用到岸坡生態(tài)防護(hù)中。汪勇等[20]將高分子固化劑應(yīng)用于土質(zhì)邊坡的加固中，并對其穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。李崇清等[21]對SH固化劑復(fù)配無機(jī)材料加固黃土抗侵蝕進(jìn)行了試驗研究，研究成果表明復(fù)合材料可以彌補(bǔ)單一固化劑的缺點,全面有效地提高黃土邊坡的抗侵蝕能力。單志杰等[22-23]研究了EN-1固化劑對加固后土壤抗蝕性以及抗崩解性的影響。

本文結(jié)合植被與高分子固化劑改良砂土邊坡的優(yōu)點，研究這兩種方法復(fù)合改良砂土邊坡的抗沖刷特性。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗中所采用的高分子固化劑為聚氨酯型固化劑，淺黃色(圖1(a))，為黏稠狀透明液體，可以與水以任意比例互溶，與水混合后形成乳白色溶液(圖1(b))，高分子固化劑的物理化學(xué)性質(zhì)如下:密度為1.18 g/cm3，黏度為650～700 MPa/s，固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%，凝固時間為30～1 800 s。高分子固化劑溶液隨著水分揮發(fā)能夠形成具有一定強(qiáng)度的彈性膠狀體，對環(huán)境無污染，具有高度安全環(huán)保性。

圖1 高分子固化劑溶液

試驗中所使用的砂土取自于江蘇省南京市江寧區(qū)，砂土的級配曲線如圖2所示。砂土的物理參數(shù)如下：孔隙率為0.59～0.97,干密度為1.35～1.69 g/cm3，相對密度為2.65,不均勻系數(shù)為2.27，曲率系數(shù)為1.13。試驗使用的黏土為南京下蜀土，其物理性質(zhì)如下:天然含水率為20%～27%，相對密度為2.71，塑限為22%，液限為36.7%，塑性指數(shù)為14.7。試驗材料還包括草種、肥料(用于培育草皮)以及聚丙烯纖維。

圖2 砂土粒徑曲線分布

1.2 試驗方案

本次沖刷試驗所采用是自主研發(fā)的沖刷模型?？箾_刷模型長為71 cm,寬為45.5 cm,高為18 cm，坡度為20°。為研究高分子固化劑對植被生長的影響以及兩種復(fù)合護(hù)坡方式對砂土邊坡的抗沖刷特性，設(shè)計5組試樣。第1組為砂土加黏土參照樣，第2組加入5%固化劑溶液，第3組加入5%固化劑溶液和0.5%聚丙烯纖維，第4組加入10%固化劑溶液和0.5%聚丙烯纖維，第5組加入10%固化劑溶液，各試樣初始形態(tài)見圖3。為使植物能夠更好生長，在砂土中摻入黏土，砂土和黏土的質(zhì)量分別為30 kg、2 kg，比例為15∶1，密度控制為 1.40 g/cm3，保持試樣含水率為15%。加入聚丙烯纖維的作用是為了驗證纖維的加入能否為種子萌發(fā)提供空間和空氣。噴灑固化劑溶液1.00 L，播撒120 g有機(jī)肥和40 g復(fù)合肥，并稱取植物種子狗牙根20 g、高羊茅20 g、黑麥草20 g,均勻播撒在試樣表面。對于空白對照樣，則噴灑1.00 L水，將試樣盒放置在設(shè)計好的框架上，定期澆水(周期5～7 d)，拍照記錄植物生長情況。

圖3 抗沖刷試驗各試樣初始形態(tài)

本次沖刷試驗分為2個階段。首先是預(yù)沖刷試驗，將流量控制為1.8 L/min，若20 min后模型表面沒有破壞，增大流量為7.2 L/min。試驗過程中記錄初次產(chǎn)生沖刷的時間和沖刷量，并每隔1 min記錄1次水流量，試驗進(jìn)行30～70 min，沖刷完畢后將塑料桶接得的水過濾并用電子秤稱取飽和砂土的質(zhì)量，作為沖刷量。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 植物生長情況

種子播撒3 d后，第1組空白參照樣首先發(fā)芽；6 d后，第3組試樣(5%固化劑和0.5%聚丙烯纖維)、第2組(5%固化劑)、第4組(10%固化劑和0.5%聚丙烯纖維)依次零星發(fā)芽；8 d后，第5組(10%固化劑)開始發(fā)芽。種子發(fā)芽順序依次為第1組、第3組、第2組、第4組、第5組。

圖4為10 d后種子生長情況。從圖4可以看出第1組未加入任何添加物情況下種子發(fā)芽最早，這是由于種子在土體中萌發(fā)不受任何阻礙能夠順利發(fā)芽。而加入一定量的固化劑后，由于高分子與土顆粒發(fā)生物理-化學(xué)反應(yīng)，固化劑能夠填補(bǔ)砂土和黏土間的孔隙，土顆粒間聯(lián)系較緊密，當(dāng)種子萌發(fā)時所需空間受到阻礙，從而發(fā)芽時間相對較晚，且固化劑添加越多，砂土之間聯(lián)合越緊密，種子萌發(fā)時間越晚。當(dāng)土體在添加固化劑和聚丙烯纖維情況下，聚丙烯纖維能夠在土體和固化劑間創(chuàng)造間隙，提供種子萌發(fā)所需要的空間，并使得土體的空氣流動，因此在土體加入一定量的固化劑情況下，聚丙烯纖維能夠促進(jìn)種子的萌發(fā)。

圖4 10 d后植被生長情況

在植被生長初期，試樣1中植物生長情況最好，試樣3次之，試樣2和試樣4的植物生長情況相似，試樣5的相對較差。同時試樣2、3、4、5的發(fā)芽率也在逐步增加，大約20 d后植物生長狀態(tài)趨于穩(wěn)定，如圖5所示。隨著時間的增加，試樣1發(fā)芽率變化較小，試樣3、試樣2和試樣4植物發(fā)芽率變化較大，大約10 d時生長率有了較大增長，而試樣5發(fā)芽率依然較低。在對植被根系的牢固程度進(jìn)行測試時，可以發(fā)現(xiàn)未加固化劑與纖維的砂土試樣，植被可以被輕易拔出。而其他幾組中植物根系的牢固程度依次為試樣2、試樣4、試樣3和試樣1。由此可知，雖然未加固化劑和纖維的試樣植被生長情況較好，但植被的牢固程度較低，不能夠很好起到穩(wěn)定坡面抵抗水流沖刷的作用。圖6為試驗進(jìn)行58 d后的植被生長情況。從圖6可以看出，試樣1中植被的根部出現(xiàn)發(fā)黃現(xiàn)象，而其他幾組加入固化劑和纖維的試樣，植被生長愈加茂盛，而只加入較多固化劑試樣中植被的發(fā)芽率較低。這是由于固化劑的加入，土體變得比較密實，對種子萌發(fā)會提供一種阻礙力作用，固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，阻礙力越強(qiáng)，植物發(fā)芽率越低，聚丙烯纖維的加入可以緩解阻礙力的產(chǎn)生，固化劑提供種子萌發(fā)阻礙力的同時，可以將植根系牢牢植入土體中。較少固化劑的加入對植物的正常生長產(chǎn)生影響較小，當(dāng)植物開始發(fā)芽時，會稍微起阻礙作用，但并不影響植物的發(fā)芽率，當(dāng)固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時，在砂土坡面形成的固化層較厚，植被種子很難穿過固化層，從而影響植物的正常。

圖5 20 d后植被生長情況

圖6 58 d后植被生長情況

2.2 抗沖刷能力試驗

通過自主設(shè)計的室內(nèi)沖刷模型，分別對加入不同濃度固化劑和纖維的試樣進(jìn)行模擬降雨沖刷試驗，來評價不同試驗方案下改良砂土的抗沖刷特性。

圖7為5組試樣在各時間段內(nèi)所產(chǎn)生的沖刷量。在進(jìn)行沖刷試驗的過程中，對試樣1共進(jìn)行了30 min的沖刷試驗，流量控制為1.8 L/min。在試驗開始的1 min后，試樣1便有沖刷量的產(chǎn)生，并隨著時間的增加，沖刷量逐漸增多，在試驗進(jìn)行到5 min時，沖刷量達(dá)到峰值25.53 g，之后沖刷量逐漸減少并漸漸趨于穩(wěn)定，保持在10～12 g之間；而對試樣2、試樣3、試樣4和試樣5進(jìn)行沖刷試驗時，前20 min采用的流量為1.8 L/min，坡面始終沒有發(fā)生破壞。從而調(diào)整沖刷強(qiáng)度，將流量增加到7.2 L/min，隨著沖刷強(qiáng)度的增加，試樣表面開始出現(xiàn)沖刷量，沖刷量在1 g左右，相比較未加固化劑和纖維的試樣沖刷量有明顯的減少。加入固化劑和聚丙烯纖維后，試樣表面的植物根系能夠與固化劑一起發(fā)揮作用，固化劑利用其自身的水溶性特點與植物根系牢牢加固原本松散的土體，且植被也能夠截留一部分水流，減緩水流對坡面的沖擊作用。

圖7 不同試樣在各時間段形成的沖刷量

圖8為沖刷試驗結(jié)束后，植物生長狀態(tài)及破壞形式。從圖8可以看出，試樣1中的植物受水流沖刷順著水流的方向傾倒，且植物邊坡坡面完整性遭到嚴(yán)重破壞，在坡面左右兩側(cè)形成明顯的沖溝，左側(cè)沖溝長為20 cm、寬為6 cm，右側(cè)沖溝長為25 cm、寬為6 cm，模型上部也有一條長為21 cm、寬為7 cm的沖溝，坡面到坡面下面一定深度用手摸上去比較濕；試樣3在試驗過程中，左側(cè)出現(xiàn)空洞，底部砂被沖走堆積在底部，右側(cè)底部沖砂嚴(yán)重程度高于左側(cè)；試樣4在試驗過程中，整個坡面完整，沖刷量很少；試樣5在試驗過程中出口處砂被掏空，坡面完整性仍較高。

圖8 沖刷后各試樣的破壞形式

植物邊坡模型土體中加入固化劑后，在坡面一定深度形成了一層固化層，使原本松散的土體結(jié)合成一個整體性較高的坡面。且當(dāng)在坡面種植植物后，隨著時間增加，植物能夠在坡面下面生根發(fā)芽，固化劑此時會與植物根系結(jié)合，坡面的土體在固化劑和植物根系作用下更加牢固，其穩(wěn)定性更高。試樣1只有植被作用，表面依舊保持松散狀態(tài)，因此受到?jīng)_刷作用時，會在表面形成沖溝，并且會有部分土體被水流帶走。固化劑的加入會使坡面的滲透性降低，因此能提高土體的抗沖刷能力。

3 機(jī)理分析

高分子固化劑主要成分是聚氨酯預(yù)聚體，表面帶有活性劑，且含有大量的高分子長鏈，高分子長鏈的端基帶有活性異氰酸(-NCO)，可與水以任意比例互溶。當(dāng)高分子固化劑溶液噴灑在砂土表面時，溶液滲入到砂土表層一定深度，高分子長鏈端基的活性異氰酸與砂土顆粒連接在一起；同時高分子溶液隨著水分揮發(fā)，形成的高分子固化膜包裹砂土顆粒，填充砂粒之間空隙，將表面松散的砂粒連接形成一種具有一定厚度的整體結(jié)構(gòu)。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的高分子固化劑改良砂土試樣掃描電鏡如圖9所示，從圖9可以明顯發(fā)現(xiàn)，高分子膜緊密地纏繞包裹砂粒，填充砂粒空隙，使得分散的砂土顆粒形成一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)將會增強(qiáng)砂土顆粒間的連接作用，減小砂土的孔隙度，提高土體的完整性，降低表面砂土層的滲透性能，從而增大砂土表面強(qiáng)度。隨著高分子固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，噴灑在砂土層表面的高分子固化劑溶液中的水分迅速揮發(fā)，并在砂土表面形成更厚的高分子固化膜，且高分子固化劑與砂土形成的整體結(jié)構(gòu)也更厚，砂粒之間的連接更加穩(wěn)固，從而使得砂土表層具有能夠抵抗較大水流量的沖刷侵蝕的能力。

圖9 微觀掃描電鏡

高分子固化劑溶液在砂土表面形成的具有一定強(qiáng)度的固化膜，使得砂土表層保存完整，具有較好的抗沖刷性能。高分子固化劑網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)的作用，可以本質(zhì)上提高土體強(qiáng)度，增強(qiáng)邊坡抗沖刷性，防止在砂土坡面產(chǎn)生大量沖溝。固化膜還可以起到保濕保肥作用，有利于植被的生長和發(fā)育，同時減緩表面徑流和雨水的沖刷，從而改善砂土抗蝕能力。另外，砂土坡面植物的莖葉，可以對降雨起到較好的截留作用，避免雨滴的動能直接作用到砂土邊坡表面，能夠使得快速降落的雨水在坡面形成徑流，植物根系在坡面也可以對水流動能起到減弱作用。植物根系在土體內(nèi)還可以起到加筋作用，不同方向的根系交錯相連，既可起到錨固作用又可以增強(qiáng)土體的整體性。圖10為表層砂土在固化劑和植被根系作用下形成的固化層。從圖10可以看出，固化劑溶液由于滲流作用，進(jìn)入到砂土表層一定深度，并在砂土中形成一定厚度的固化層，使得原來松散的砂粒成為一體，并且植物根系對土體也起到一定的包裹作用，從而使得砂土表層的固化膜更厚并且強(qiáng)度增大，能提高邊坡表面的抗蝕能力。在高分子固化劑和植被的共同作用下，砂土邊坡能夠達(dá)到良好的抗沖刷能力。

圖10 砂土表層固化劑-植被抗沖刷示意圖

4 工程實例

為進(jìn)一步研究高分子固化劑在邊坡生態(tài)加固中的應(yīng)用效果，在室內(nèi)試驗研究成果的基礎(chǔ)上，將高分子固化劑應(yīng)用于河道岸坡綠化加固當(dāng)中。試驗場地選取于江蘇省常州市武進(jìn)區(qū)新孟河向陽橋附近。針對該場地土質(zhì)性質(zhì)和邊坡形態(tài)特征，結(jié)合室內(nèi)試驗結(jié)果，現(xiàn)場試驗選用了狗牙根、高羊茅、苜蓿、馬刺、紫穗槐等多種混合植被種子均勻播撒在坡面，并選取固化劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為5%，3%，2%，1.5%，1%，0.5%，0%，噴灑量約為2.5～3 L/m2，對坡面進(jìn)行生態(tài)護(hù)坡。

4.1 現(xiàn)場施工過程

現(xiàn)場施工過程包括以下7個階段：①坡面整平階段：由于邊坡前期主要采用機(jī)械施工，造成坡面平整度低，存在高低不平現(xiàn)象，對會給施工帶來一定的難度，從而在施工前先對坡面進(jìn)行整平。②施肥撒種階段：為了給植被提供良好的生長環(huán)境，在坡面整平后進(jìn)行肥料和植被種子播撒。③坡面潤濕階段：初始狀態(tài)，邊坡表層土干燥堅硬，植被很難生長，因此在種子播撒完成后，需要在坡面先噴灑一定量的水，使得坡面保持潤濕狀態(tài)。④固化劑稀釋階段：固化劑初始狀態(tài)黏度較大，無法直接噴灑在坡面，因此在實際應(yīng)用當(dāng)中需對固化劑進(jìn)行稀釋，稀釋到設(shè)計濃度后進(jìn)行噴灑。⑤固化劑噴灑階段：將稀釋好的固化劑溶液按照設(shè)計噴灑量，均勻噴灑在坡面。⑥邊坡養(yǎng)護(hù)階段：為減少坡面的水分蒸發(fā)和降雨沖刷，在固化劑溶液噴灑完成后，采用遮陽網(wǎng)對坡面進(jìn)行覆蓋養(yǎng)護(hù)。⑦綠化加固評價階段：現(xiàn)場施工完成后，在對加固坡面養(yǎng)護(hù)一段時間后，對坡面植被生長情況以及抗沖刷性進(jìn)行觀察，對其加固效果進(jìn)行評價。

4.2 生態(tài)護(hù)坡效果評價

現(xiàn)場試驗期間為9月下旬，當(dāng)天氣溫為19～25℃，多云，天氣條件有利于固化劑的成膜，滿足固化劑護(hù)坡的施工條件要求。施工完成3周后，對邊坡進(jìn)行現(xiàn)場評估。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)固化劑加固后邊坡的植被生長以及坡面形態(tài)特征如圖11所示。施工結(jié)束后，經(jīng)歷了兩次大規(guī)模的降雨，從圖11可以看出，在經(jīng)歷較強(qiáng)降雨沖刷后，固化劑加固后的坡面幾乎保持完整狀態(tài)，幾乎沒有出現(xiàn)沖刷破壞的現(xiàn)象，且坡面植被生長狀態(tài)良好。隨著固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，植被生長狀況愈加良好。從圖11(g)中可以觀察到未經(jīng)固化劑加固后坡面的植被生長情況和坡面形態(tài)，與固化劑加固后的坡面相比，該坡面出現(xiàn)了明顯的沖溝，且植被的生長比較稀疏。從室內(nèi)試驗結(jié)果和機(jī)理分析中可知，這是因為固化劑具有良好的保水性，并且可以對土壤養(yǎng)分起到一定的保存效果，隨著固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，植被生長得更加茂盛。從上述現(xiàn)場試驗結(jié)果可以看出，固化劑能夠提高坡面的抗沖刷并對植被生長具有一定的促進(jìn)作用，達(dá)到了良好的生態(tài)護(hù)坡的效果。

圖11 不同固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)生態(tài)護(hù)坡效果

5 結(jié) 論

a.摻入高分子固化劑對植物的生長具有一定影響，隨著固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，種子發(fā)芽率降低，且加入聚丙烯纖維后，植物生長情況更好。

b.高分子固化劑與植物共同加固后的砂土坡面具有更好的抗沖刷能力，土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角均有明顯增大。

c.噴灑在砂土表層的高分子固化劑會迅速滲入土層一定深度，形成一定厚度的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，且在砂土表面形成的固化膜能夠有效阻礙水流下滲，使得加固后的砂土具有較好的抗沖刷能力。植物的莖葉能夠?qū)涤昶鸬浇亓糇饔?，避免水滴直接沖擊砂土表層，且植物根系起到加筋作用，有效增大土體強(qiáng)度，從而使通過高分子固化劑和植被共同加固后的砂土坡面具有更好的抗沖刷能力。

d.工程實例進(jìn)一步驗證了固化劑能夠有效增強(qiáng)坡面的抗沖刷性能并能對植被生長起到一定促進(jìn)作用，具有良好的生態(tài)護(hù)坡效果。