黃安國， 何 稼， 邵應(yīng)峰

（河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098）

在公路工程中，路基邊坡沿線分布范圍甚廣，其坡面的穩(wěn)定性直接或間接地影響到公路的使用功能與使用壽命. 每年由于降雨侵蝕導(dǎo)致的路基邊坡坍塌、損毀現(xiàn)象時有發(fā)生，造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大. 路基邊坡坡面沖刷是指降雨形成的坡面水流破壞路基邊坡坡面，并沖走坡面表層土體的現(xiàn)象，是公路邊坡最為常見的一種病害，在我國南方雨量充沛、氣候溫暖潮濕、巖體風(fēng)化較嚴(yán)重的地區(qū)以及北方降雨集中、場降雨量大的半干旱地區(qū)廣泛發(fā)育［1］. 邊坡受到的水力侵蝕通常是由表及里，因此工程上主要對淺表層坡面進(jìn)行防護(hù)，這樣既能起到有效防護(hù)的作用，又能節(jié)約成本. 目前用于防護(hù)公路路基邊坡沖刷侵蝕的措施主要有植物防護(hù)和工程防護(hù)，工程防護(hù)一般包括水泥砂漿抹面、噴漿、混凝土護(hù)面等措施，保水劑和固化劑等土壤改良劑也常被用于工程防護(hù)中［2］；植物防護(hù)包括種草、鋪草皮和植樹等措施. 但是工程防護(hù)存在著破壞生態(tài)環(huán)境、材料易老化、造價較高等問題，植物防護(hù)則存在著植物的生長對生存環(huán)境要求較高，在不適宜植物生長的地區(qū)植物會無法存活等問題. 因此，找到一種成本低廉、環(huán)境友好、施工簡便、適用范圍廣，并能持續(xù)穩(wěn)定抵抗水力侵蝕的加固土體邊坡的方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

近年來，生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積技術(shù)作為一種新型的土體加固方法受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注. 該技術(shù)目前主要包括微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積［3］（Microbial Induced Carbonate Precipitation，MICP）和酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉積［4-6］（Enzyme Induced Carbonate Precipitation，EICP）兩種. MICP和EICP的共同之處在于：兩者都是利用脲酶催化水解尿素生成銨根離子和碳酸根離子，碳酸根離子再與游離的鈣離子相結(jié)合生成碳酸鈣晶體，其反應(yīng)方程式如式（1）和式（2）所示. 碳酸鈣晶體在土顆粒間起到填充和持續(xù)膠結(jié)的作用，大大改善了土壤的力學(xué)性能.

MICP和EICP 的不同之處在于：MICP是利用產(chǎn)脲酶的活性微生物生成脲酶水解尿素［7］，EICP 則是事先從含脲酶的活性微生物或某些植物種子如大豆［8］、刀豆［9］、西瓜種子［10］中提取脲酶水解尿素. 相比于MICP技術(shù)，EICP技術(shù)的操作更簡單、反應(yīng)速率更快、成本更低、環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)更小，且脲酶來源可以為植物［11-12］，更加容易獲得. Gao等［13］采用機(jī)械研磨法成功從大豆中獲得了粗脲酶，并將其應(yīng)用于現(xiàn)場防風(fēng)固沙研究，取得了良好的效果，這表明EICP技術(shù)有應(yīng)用于大規(guī)模工程的潛力.

經(jīng)過生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積技術(shù)加固的砂土的強(qiáng)度雖然有很大程度的提升，但土體脆性過高，一經(jīng)破壞容易發(fā)生脆性開裂. 有研究表明，在土體中拌入纖維作為加筋材料，既可以提高土體強(qiáng)度，也可以提高土體韌性［14］，這為解決經(jīng)生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積技術(shù)加固的砂土土體脆性過高、破壞后易崩裂的問題提供了新思路. 近年來，國內(nèi)外學(xué)者基于生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積技術(shù)所做的抵抗水力侵蝕的研究大部分都是關(guān)于MICP技術(shù)的應(yīng)用與改進(jìn)［15-18］，而關(guān)于提高經(jīng)EICP處理過的砂土邊坡在強(qiáng)降雨條件下的抗侵蝕能力的研究相對較少.

鑒于此，本研究首先將EICP 技術(shù)與不同纖維相結(jié)合用來改進(jìn)EICP 技術(shù)，并用改進(jìn)后的EICP 技術(shù)對淺表層砂土邊坡進(jìn)行加固處理，然后利用人工模擬降雨系統(tǒng)對經(jīng)不同技術(shù)處理的淺表層砂土邊坡開展短時強(qiáng)降雨邊坡模擬沖刷試驗(yàn)，并對沖刷后的試樣進(jìn)行表面貫入強(qiáng)度測試、含水率測試、碳酸鈣含量測試、侵蝕深度測試，同時觀測了經(jīng)不同技術(shù)加固后的邊坡土體的微觀結(jié)構(gòu)，綜合對比分析了經(jīng)EICP聯(lián)合不同纖維技術(shù)處理的淺表層砂土邊坡的抗侵蝕能力.

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)用砂

試驗(yàn)用砂來自福建廈門，是中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于96%. 試驗(yàn)用砂的粒徑分布曲線如圖1所示，該砂的粒徑主要分布在0.075～0.5 mm之間，中砂和細(xì)砂含量較多，不均勻系數(shù)Cu=2.82，曲率系數(shù)Cc=0.89，根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50145—2007）的規(guī)定，試驗(yàn)用砂級配不良. 試驗(yàn)用砂的比重為2.65，最大干密度為1.89 g/cm3，最小干密度為1.58 g/cm3，自然狀態(tài)下的含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%.

圖1 試驗(yàn)用砂的粒徑分布曲線Fig.1 Grain-size distribution curve of sand used in the test

1.1.2 處理溶液

試驗(yàn)所用的處理溶液為大豆脲酶膠結(jié)液，主要由大豆脲酶粗提取液和膠結(jié)液兩部分組成. 其中大豆脲酶粗提取液的制備方法為：①將烘干的大豆放入研磨機(jī)中打磨成豆粉，然后將豆粉過直徑為0.25 mm的篩子，將過篩后的豆粉放入4 ℃的冰箱中冷藏備用；②將豆粉和去離子水按照質(zhì)量比為1∶20的比例進(jìn)行混合，并將其放在磁力攪拌器上攪拌30 min 后靜置，直至豆渣沉淀；③用紗布過濾懸浮液至離心瓶中，將盛有懸浮液的離心瓶放入離心機(jī)中于4 ℃、3000 r/min 的條件下離心15 min；④將離心后的上清液用紗布再次過濾后，便得到大豆脲酶粗提取液. 經(jīng)電導(dǎo)率儀（雷磁DDB-303A型）測定，本試驗(yàn)所用的大豆脲酶粗提取液在25 ℃環(huán)境下水解尿素的活性約為4.4 mmol/（L·min）.試驗(yàn)所用的膠結(jié)液為尿素-氯化鈣溶液，將大豆脲酶粗提取液與膠結(jié)液按照質(zhì)量比1∶1的比例混合，使得其中的膠結(jié)液濃度為0.5 mol/L，混合后的溶液即為大豆脲酶膠結(jié)液.

1.1.3 纖維

試驗(yàn)選用鋼纖維、玻璃纖維和聚丙烯纖維這3種工程中常見的纖維作為加筋材料，3種纖維的基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示.

表1 3種纖維的基本物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Basic physical and mechanical parameters of the three fibers

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)?zāi)＞呒霸嚇拥闹苽?/p>

試驗(yàn)所用的模具如圖2 所示，主要由水泵、軟管、支撐臺、儲水箱、集土槽和邊坡模擬試驗(yàn)箱組成，支撐臺、儲水箱、集土槽和邊坡模擬試驗(yàn)箱均采用透明有機(jī)玻璃制作. 其中，邊坡模擬試驗(yàn)箱如圖2（b）所示，主要用來模擬坡面徑流，其尺寸為40 cm×20 cm×4 cm，其左右兩側(cè)均設(shè)置有高8 cm的擋板以防止流水從兩側(cè)溢出，其底部設(shè)置有兩道凹槽，用以插入不同高度的橫板以便調(diào)節(jié)邊坡坡度. 邊坡模擬試驗(yàn)箱的頂部設(shè)置有儲水倉，儲水倉前端與進(jìn)水口連接. 為使水流均勻溢出，儲水倉的內(nèi)部設(shè)置有隔板，且其后端設(shè)置有一排出水口. 邊坡模擬試驗(yàn)箱中的盛土槽長35 cm、寬20 cm、高4 cm，用來盛放砂土試樣，其底部設(shè)置有一排直徑為5 mm的圓孔，以便收集沖刷物.

圖2 試驗(yàn)?zāi)＞呤疽鈭DFig.2 Schematic diagram of testing mold

試驗(yàn)共制備5組試樣，試樣分組情況如表2所示. 其中U表示空白組試樣，是指未經(jīng)加固處理的試樣，即用純?nèi)ルx子水處理的試樣，T1、T2、T3、T4分別表示不同處理組試樣，即分別用EICP技術(shù)、EICP聯(lián)合鋼纖維技術(shù)、EICP聯(lián)合玻璃纖維技術(shù)和EICP聯(lián)合聚丙烯纖維技術(shù)加固處理的試樣. 制備試樣時，需提前在盛土槽底部有孔一側(cè)固定濾布，以便收集沖刷物，同時也可防止漏砂. 將自然狀態(tài)下的試驗(yàn)用砂分5層均勻裝填至盛土槽中，并在第1層和第2層之間埋設(shè)土壤溫濕度傳感器，以觀測試驗(yàn)過程中土壤濕度的變化情況，填筑完成時，控制試樣高度約為38 mm，并將試樣表面整平. 對于用EICP聯(lián)合不同纖維技術(shù)處理的試樣，每鋪設(shè)一層土樣，便將分散后的纖維與土樣混合均勻. 制樣完成后，基于石英砂的自然休止角［19］，在邊坡模擬試驗(yàn)箱下面插入橫板，控制邊坡坡度為30°，并靜置12 h使得其內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，以便模擬邊坡的真實(shí)狀態(tài). 然后將配制好的大豆脲酶膠結(jié)液按照4 L/m2的用量通過手持式可霧化噴壺均勻地噴灑至試樣表面，以便對試樣進(jìn)行加固處理. 為使反應(yīng)完全，試樣每處理完一遍后，需在常溫下靜置24 h，然后再進(jìn)行下一遍處理，按照上述方法共處理4遍，待試樣自然風(fēng)干后，即可進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn).

表2 試樣分組情況Tab.2 Grouping of samples

1.2.2 短時強(qiáng)降雨邊坡模擬沖刷試驗(yàn)

為研究短時強(qiáng)降雨條件下邊坡的抗侵蝕能力，首先搭建了人工模擬降雨系統(tǒng). 人工模擬降雨系統(tǒng)由儲水裝置、輸水裝置、降雨裝置3部分組成，如圖3所示. 模擬短時強(qiáng)降雨時，通過變頻恒壓水泵和進(jìn)水口處的流量計(jì)控制水流量，降雨量由雨量器測得. 在參考文獻(xiàn)［20-21］的基礎(chǔ)上，本研究設(shè)置的降雨強(qiáng)度為300 mm/h，降雨高度為2 m，水泵流量為3.6 L/min，沖刷時長為15 min. 在進(jìn)行短時強(qiáng)降雨邊坡模擬沖刷試驗(yàn)時，每間隔1 min收集一次沖刷后的沖刷物，并用攝像機(jī)記錄試驗(yàn)過程中試樣的破壞情況. 試驗(yàn)結(jié)束后，先將收集到的沖刷物沉淀一段時間，然后將沉淀后的沖刷物放在烘箱中烘干至恒重，稱重后即可獲得不同組試樣的沖刷量，同時用直尺和游標(biāo)卡尺測量沖刷后各組試樣的最大侵蝕深度.

圖3 人工模擬降雨系統(tǒng)的示意圖及實(shí)拍圖Fig.3 Schematic diagram and real shot of artificial simulated rainfall system

1.2.3 表面貫入強(qiáng)度試驗(yàn)

為評定沖刷后不同組試樣的表面固化效果，使用數(shù)顯式推拉力計(jì)對沖刷后自然風(fēng)干的各組試樣進(jìn)行表面貫入強(qiáng)度測試. 數(shù)顯式推拉力計(jì)的探頭為直徑5.63 mm 的扁平頭，圓形截面，可以設(shè)置峰值力模式. 測試時，首先將各組試樣的表面平均劃分為9 個區(qū)域，如圖4 所示；然后轉(zhuǎn)動推拉力計(jì)手輪以2 mm/s 的速度勻速貫入這9 個區(qū)域，分別測量不同區(qū)域的峰值貫入力和峰值貫入強(qiáng)度，其中峰值貫入強(qiáng)度=峰值貫入力/探頭面積；最后將各組試樣頂部、中部、底部中的3個區(qū)域的峰值貫入強(qiáng)度分別取平均值，即可得到各組試樣頂部、中部、底部的峰值貫入強(qiáng)度.

圖4 試樣區(qū)域劃分圖Fig.4 Diagram of sample area division

1.2.4 碳酸鈣含量測定

為評價纖維的加入對處理試樣碳酸鈣生成的影響，分別對沖刷后各組試樣9個區(qū)域的表面硬殼層取樣，然后按國家標(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì)鈣的測定EDTA 滴定法》（GB/T 7476—1987）［22］分別測定各組試樣中的碳酸鈣含量，取平均值換算后得到各組試樣表面的碳酸鈣生成量，并根據(jù)反應(yīng)前后碳酸鈣的生成量計(jì)算鈣離子轉(zhuǎn)化率.

1.2.5 微觀觀測

取沖刷后各組試樣的表面硬殼層，用去離子水將硬殼層未反應(yīng)的雜質(zhì)輕輕沖洗后，將其放入60 ℃左右的烘箱中烘干后取出，并用鑷子夾取表面中心薄片進(jìn)行數(shù)碼顯微鏡觀測和掃描電子顯微鏡觀測，以便從微觀角度觀測各組試樣表層土顆粒之間的膠結(jié)情況和連接形式.

2 結(jié)果與討論

2.1 抗侵蝕特性

進(jìn)行短時強(qiáng)降雨邊坡模擬沖刷試驗(yàn)后，分別收集5組試樣的沖刷物，烘干后稱重，即可得出各組試樣的沖刷量，如圖5所示. 空白組試樣U的沖刷量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其余4組試樣，說明未經(jīng)固化處理的試樣的抗侵蝕能力較差. 用EICP聯(lián)合不同纖維處理后的試樣T2、T3和T4的沖刷量都小于僅用EICP處理過的試樣T1，其中試樣T2、T3、T4的沖刷量比試樣T1的沖刷量分別減少了7.15%、23.85%、14.58%，這說明用EICP聯(lián)合不同纖維處理的試樣比僅用EICP處理的試樣的抗侵蝕能力強(qiáng)，且經(jīng)EICP聯(lián)合玻璃纖維處理的試樣的抗侵蝕能力最強(qiáng).

圖5 各組試樣的沖刷量Fig.5 Scour amount of each sample

分別對沖刷后各組試樣的邊緣和中部的最大侵蝕深度進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖6所示. 由于沖刷后空白組試樣U的絕大部分砂土都隨水流流失，因此其邊緣和中部的最大侵蝕深度為原有試樣高度. 只用EICP處理的試樣T1中部的最大侵蝕深度不足空白組試樣U中部的1/2，T1邊緣的最大侵蝕深度是空白組試樣U邊緣的3/5左右. 用EICP聯(lián)合不同纖維處理的試樣T2、T3和T4的最大侵蝕深度幾乎都小于試樣T1的最大侵蝕深度，其中試樣T2和T3的最大侵蝕深度相近，二者邊緣的最大侵蝕深度都不足試樣T1邊緣的1/2，二者中部的最大侵蝕深度均是試樣T1中部的2/3左右，試樣T4邊緣的最大侵蝕深度是試樣T1的4/5左右，試樣T4中部的最大侵蝕深度與試樣T1中部的最大侵蝕深度相近. 由此可見，經(jīng)EICP聯(lián)合鋼纖維處理的試樣和經(jīng)EICP聯(lián)合玻璃纖維處理的試樣的抗侵蝕能力相對更好，這可能是因?yàn)榧尤脘摾w維或玻璃纖維可對土顆粒有較好的約束作用，使得土顆粒難以被水流沖刷帶走，進(jìn)而可大大降低沖刷后試樣形成沖蝕溝和坑洼的概率. 由于各組試樣的邊緣均設(shè)置有擋板，使得沖刷時水流聚集在邊緣，因此各組試樣邊緣處的土壤會受到較大的水流沖擊力與剪切力，進(jìn)而會導(dǎo)致各組試樣邊緣處的土顆粒比中部的土顆粒更容易流失，使得邊緣處土體更容易形成侵蝕溝或發(fā)生局部破壞，故除了空白組試樣外，其余各組試樣邊緣處的最大侵蝕深度均要大于其中部的最大侵蝕深度.

圖6 各組試樣的最大侵蝕深度Fig.6 Maximum erosion depth of each sample

圖8 試樣T1的沖刷過程照片F(xiàn)ig.8 Photos of scour process of sample T1

圖9 試樣T2的沖刷過程照片F(xiàn)ig.9 Photos of scour process of sample T2

圖10 試樣T3的沖刷過程照片F(xiàn)ig.10 Photos of scour process of sample T3

圖11 試樣T4的沖刷過程照片F(xiàn)ig.11 Photos of scour process of sample T4

試驗(yàn)過程中還對各組試樣的破壞情況進(jìn)行了拍照記錄，如圖7～11所示. 未經(jīng)加固處理的試樣U在受到雨水濺蝕和坡面徑流作用后，短時間內(nèi)局部土體會迅速發(fā)生破壞，并形成沖蝕溝，隨著沖刷的繼續(xù)，水流沿著沖蝕溝和坑洼處繼續(xù)向下侵蝕，直至土體結(jié)構(gòu)被整體破壞. 僅用EICP處理的試樣T1在受到短時強(qiáng)降雨沖刷時，其邊緣會出現(xiàn)沖蝕溝及局部坑洼，并且由于僅用EICP加固處理的試樣脆性較高，因此試樣T1表面會出現(xiàn)裂縫，但試驗(yàn)結(jié)束后，其未發(fā)生整體破壞. 用EICP聯(lián)合不同纖維處理的試樣T2、T3和T4在受到短時強(qiáng)降雨沖刷后均未出現(xiàn)沖蝕溝，也均未發(fā)生整體破壞. 由于聚丙烯纖維的抗拉強(qiáng)度較低，因此短時強(qiáng)降雨邊坡模擬沖刷試驗(yàn)結(jié)束后，試樣T4的表面出現(xiàn)裂縫，而試樣T2和T3的整體性較好，均未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象. 以上結(jié)果表明，經(jīng)EICP 聯(lián)合不同纖維處理的試樣的抗拉強(qiáng)度和韌性均比僅用EICP處理的試樣好.

圖7 試樣U的沖刷過程照片F(xiàn)ig.7 Photos of scour process of sample U

2.2 抗?jié)B性

沖刷時各組試樣土體中的含水率隨時間的變化可由土壤溫濕度傳感器測得，結(jié)果如圖12 所示. 為保證各組試樣的初始條件一致，沖刷前控制各組試樣土體中的初始含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)都在10%左右. 由圖12 可知，空白組試樣U 土體中的含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在短時間內(nèi)便迅速升高至100%，這是由于在沖刷開始后1 min 之內(nèi)試樣U 便發(fā)生嚴(yán)重破壞，而大量的砂土流失導(dǎo)致水流迅速滲透到試樣U內(nèi)部，因此試樣U 土體中的含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在短時間內(nèi)迅速升高至100%. 在沖刷開始后4 min 左右時，水流開始滲入試樣T1 內(nèi)部，使得試樣T1 土體中的含水率從此時開始緩慢上升，沖刷結(jié)束后，試樣T1土體中的含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%. 與試樣T1相比，試樣T2、T3和T4土體中的含水率分別是從沖刷開始后7、9、10 min左右時開始緩慢上升，沖刷結(jié)束后試樣T2、T3和T4土體中的含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為33.7%、28.5%和20.4%. 由此可見，經(jīng)EICP聯(lián)合不同纖維處理的試樣的抗?jié)B性均比僅用EICP處理的試樣好，這可能是因?yàn)槔w維在試樣內(nèi)部交織成網(wǎng)，與EICP方法相結(jié)合后可以在土體內(nèi)部形成防滲層，大大提高土體的抗?jié)B性. 其中，由于聚丙烯纖維在土體內(nèi)部的分散性較好，纖維單絲直徑較小，占據(jù)了較多的土體孔隙，因此試樣T4的抗?jié)B性最優(yōu).

圖12 沖刷時各組試樣土體中的含水率隨時間的變化曲線Fig.12 Variation curve of moisture content in soil of each sample with time during scour

2.3 表面強(qiáng)度特性

沖刷后各組試樣頂部、中部、底部的峰值貫入強(qiáng)度如圖13 所示. 與空白組試樣U 相比，僅用EICP 處理的試樣和用EICP 聯(lián)合不同纖維處理的試樣的表面強(qiáng)度均明顯提高. 只用EICP處理的試樣T1頂部和中部的峰值貫入強(qiáng)度分別是空白組試樣U頂部和中部的3 倍左右，底部的峰值貫入強(qiáng)度分別是空白組試樣U底部的2 倍左右. 用EICP 聯(lián)合不同纖維處理的試樣的表面強(qiáng)度都高于只用EICP 處理的試樣. 試樣T2、T3、T4 頂部的峰值貫入強(qiáng)度分別約是試樣T1 頂部的1.9 倍、1.6 倍、1.4 倍，試樣T2、T3、T4 中部的峰值貫入強(qiáng)度分別約是試樣T1 中部的2.3 倍、1.6 倍、1.5 倍，試樣T2、T3、T4底部的峰值貫入強(qiáng)度分別約是試樣T1底部的3.1倍、2.2倍、2.1倍. 以上結(jié)果說明，經(jīng)EICP聯(lián)合不同纖維處理的試樣的表面強(qiáng)度均比僅用EICP處理的試樣好，分析原因可能是，纖維能夠與EICP處理過的砂土膠結(jié)在一起，交織成網(wǎng)，構(gòu)成緊密結(jié)構(gòu)，當(dāng)土體受到外力作用時，纖維可以通過其良好的抗拉能力和與土顆粒間的界面摩擦力提高土體的整體強(qiáng)度. 由于3種纖維中，鋼纖維的抗拉強(qiáng)度最高，與土顆粒膠結(jié)程度較好，因此試樣T2的峰值貫入強(qiáng)度最高.

圖13 沖刷后各組試樣的峰值貫入強(qiáng)度Fig.13 Peak penetration strength of each sample after scour

為模擬真實(shí)邊坡狀態(tài)，各組試樣都是傾斜放置的，使得噴灑處理溶液時，處理溶液會在底部堆積，溶液排出較慢，導(dǎo)致各組試樣底部的土體更容易達(dá)到飽和狀態(tài)，從而對生成的碳酸鈣晶型和碳酸鈣在土顆粒間的分布有負(fù)面影響［23］，因此除了空白組試樣外，其余各組試樣頂部和中部的峰值貫入強(qiáng)度都高于其底部的峰值貫入強(qiáng)度.

2.4 碳酸鈣含量

圖14給出了用大豆脲酶膠結(jié)液處理過的試樣的碳酸鈣含量及鈣離子轉(zhuǎn)化率. 由圖14可知，4組試樣的碳酸鈣質(zhì)量濃度由大到小分別為：T1（178.13 mg/L）＞T2（157.20 mg/L）＞T3（141.62 mg/L）＞T4（108.22 mg/L）.經(jīng)EICP聯(lián)合不同纖維處理的試樣的碳酸鈣含量都小于僅用EICP處理的試樣的碳酸鈣含量，且經(jīng)EICP聯(lián)合聚丙烯纖維處理的試樣的碳酸鈣含量最低，這是因?yàn)槔w維的加入占據(jù)了土體中原有的孔隙，導(dǎo)致土體的滲透性降低，處理溶液不能完全滲透到試樣內(nèi)部的各個區(qū)域，進(jìn)而使反應(yīng)空間減少，這對碳酸鈣的生成量產(chǎn)生了負(fù)面影響. 4組試樣的鈣離子轉(zhuǎn)化率均在80%～90%之間，相差不是很大，這說明鈣離子轉(zhuǎn)化率幾乎不受纖維摻入的影響，因此在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，纖維的加入不會抑制EICP反應(yīng)過程. 4組試樣中，盡管只用EICP處理的試樣T1的碳酸鈣含量最高，但是由圖13可知，試樣T1的峰值貫入強(qiáng)度卻比試樣T2、T3和T4的峰值貫入強(qiáng)度都低，這表明試樣的表面強(qiáng)度不僅與碳酸鈣的含量有關(guān)，還可能與土顆粒和纖維之間界面處的生物膠結(jié)的有益黏結(jié)效應(yīng)有關(guān)［24］.

圖14 試樣T1、T2、T3、T4的碳酸鈣質(zhì)量濃度及鈣離子轉(zhuǎn)化率Fig.14 Mass concentrations of calcium carbonate and calcium ion conversion rates of sample T1、T2、T3 and T4

2.5 微觀觀測

通過數(shù)碼顯微鏡和掃描電子顯微鏡對沖刷后各組試樣土體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，可以更直觀地觀測各組試樣土體內(nèi)部的膠結(jié)情況和纖維的連接情況. 由數(shù)碼顯微鏡在放大200倍的條件下觀測到的各組試樣的微觀結(jié)構(gòu)如圖15所示. 由圖15可以看出，空白組試樣U中的砂土顆粒間沒有膠結(jié)，結(jié)構(gòu)較為松散；試樣T1中的砂土顆粒膠結(jié)在一起，結(jié)構(gòu)較為緊密；試樣T2中的鋼纖維表面和砂土顆粒間在處理溶液作用下形成緊密結(jié)構(gòu)，鋼纖維與土體間的膠結(jié)性能較強(qiáng)；試樣T3和T4中的玻璃纖維和聚丙烯纖維對土體的增強(qiáng)作用體現(xiàn)在，玻璃纖維和聚丙烯纖維從不同方向穿插于砂土顆粒之間，交織成網(wǎng)，可以對外部荷載作用引起的砂土顆粒位移起到約束作用，從而可提高試樣的整體性和抗拉強(qiáng)度.

圖15 各組試樣的數(shù)碼顯微鏡照片（200×）Fig.15 Digital microscope photo of each sample（200×）

圖16展示了各組試樣放大600倍的掃描電子顯微鏡照片. 由圖16可知，除了空白組試樣U之外，其余各組試樣中都有碳酸鈣晶體生成. 其中，附著在鋼纖維表面的碳酸鈣晶體比附著在玻璃纖維和聚丙烯纖維表面的碳酸鈣晶體都要少，這可能是由于鋼纖維的直徑和密度比玻璃纖維和聚丙烯纖維大，因此在體積相同的條件下，與玻璃纖維和聚丙烯纖維相比，鋼纖維的比表面積較小，導(dǎo)致附著在鋼纖維表面的碳酸鈣晶體較少. 但由于鋼纖維與砂土顆粒連接處的生物膠結(jié)作用更強(qiáng)，因此含有鋼纖維的試樣T2的表面強(qiáng)度最好，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了纖維對提高經(jīng)EICP固化處理的土體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要在于土顆粒與纖維連接處生物膠結(jié)的有益黏結(jié)效應(yīng). 由上文所述可知，影響土體抗侵蝕能力的主要因素除了土體強(qiáng)度外，還有土體的抗?jié)B性和整體性. 由于鋼纖維和玻璃纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度，因此含有鋼纖維和玻璃纖維的試樣T2和T3的整體性較好，沖刷后未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象. 因?yàn)榫郾├w維的抗拉強(qiáng)度較低，所以沖刷后含有聚丙烯纖維的試樣T4中的部分聚丙烯纖維斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致土體發(fā)生開裂，但是，由于聚丙烯纖維的直徑較小，分散性較好，占據(jù)了更多的土體孔隙，因此加入聚丙烯纖維的試樣T4的抗?jié)B性更好.

圖16 各組試樣的掃描電子顯微鏡照片（600×）Fig.16 SEM photo of each sample（600×）

3 結(jié)論

首先利用EICP技術(shù)、EICP聯(lián)合不同纖維技術(shù)對淺表層砂土邊坡進(jìn)行加固處理，然后利用人工模擬降雨系統(tǒng)對經(jīng)不同技術(shù)處理過的淺表層砂土邊坡開展短時強(qiáng)降雨邊坡模擬沖刷試驗(yàn)，綜合對比分析了經(jīng)不同技術(shù)處理的淺表層砂土邊坡的抗侵蝕能力. 主要得出以下結(jié)論：

1）用EICP處理后的砂土試樣表層可以形成一定強(qiáng)度的硬化層，碳酸鈣在土顆粒間起到填充和膠結(jié)的作用，從而可提高土體的力學(xué)強(qiáng)度和抗侵蝕性. 表面貫入強(qiáng)度試驗(yàn)表明，經(jīng)短時強(qiáng)降雨沖刷后，僅用EICP處理的砂土試樣的峰值貫入強(qiáng)度是未處理試樣的3倍左右，但其沖刷量卻不足未處理試樣的1/10. 試樣中的纖維可以通過其良好的抗拉能力和與土顆粒間的界面摩擦力提高土體的整體強(qiáng)度，經(jīng)EICP聯(lián)合不同纖維處理的砂土表面強(qiáng)度與纖維的抗拉強(qiáng)度成正比，其中經(jīng)EICP聯(lián)合鋼纖維處理的試樣的表面強(qiáng)度最好.

2）短時強(qiáng)降雨邊坡模擬沖刷試驗(yàn)表明，經(jīng)EICP聯(lián)合不同纖維處理的試樣的整體性和抗侵蝕能力均比僅用EICP處理得好，通過EICP 聯(lián)合不同纖維技術(shù)對淺表層砂土邊坡進(jìn)行加固處理，可有效解決EICP加固土體脆性過高的問題. 其中經(jīng)EICP聯(lián)合鋼纖維和EICP聯(lián)合玻璃纖維處理的試樣都表現(xiàn)出優(yōu)異的整體性和抗侵蝕性，經(jīng)短時強(qiáng)降雨沖刷后，這兩組試樣的表面都未出現(xiàn)裂縫.

3）纖維的加入對鈣離子的轉(zhuǎn)化率不會產(chǎn)生負(fù)面影響，不會抑制EICP 反應(yīng)過程. 在試樣中加入纖維可以延長水流開始侵蝕土體內(nèi)部的時間，同時纖維可以與EICP 共同作用，在土體內(nèi)部交織成網(wǎng)，形成防滲層，提高土體的抗?jié)B性. 其中，經(jīng)EICP 聯(lián)合聚丙烯纖維和EICP 聯(lián)合玻璃纖維處理的試樣的抗?jié)B性都相對更好.

4）綜合來看，經(jīng)EICP聯(lián)合不同纖維處理的試樣的力學(xué)強(qiáng)度、抗侵蝕性、整體性和抗?jié)B性均比僅用EICP技術(shù)處理的試樣有了進(jìn)一步的提升. 綜合考慮這3種纖維的性能認(rèn)為，用EICP聯(lián)合鋼纖維或EICP聯(lián)合玻璃纖維技術(shù)對淺表層砂土邊坡進(jìn)行加固處理，能更好地提升路基邊坡的抗侵蝕能力和整體性.