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      凍融循環(huán)條件下植被混凝土滲透性試驗研究

      2019-10-21 07:43:41高賢鄧瑋瑋龍麗珺邵艷艷
      農(nóng)業(yè)與技術(shù) 2019年20期
      關(guān)鍵詞:滲透性凍融循環(huán)

      高賢 鄧瑋瑋 龍麗珺 邵艷艷

      摘 要:目前關(guān)于植被混凝土中裸露邊坡生態(tài)修復(fù)基材滲透性對凍融循環(huán)的響應(yīng)研究較少。本文通過室內(nèi)凍融循環(huán)模擬及滲透試驗,以植被混凝土生境基材為研究對象,研究了不同凍融循環(huán)次數(shù)和初始含水率條件下其滲透系數(shù)的變化情況。結(jié)果表明,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,同一初始含水率植被混凝土的滲透系數(shù)不斷增大,凍融初期增長速度較快,凍融后期趨于穩(wěn)定;在經(jīng)相同凍融次數(shù)后,不同初始含水率植被混凝土的滲透系數(shù)較凍融前均顯著增大。且植被混凝土初始含水率越高,初始滲透系數(shù)相對較高,經(jīng)凍融后植被混凝土滲透系數(shù)變化幅度越大。

      關(guān)鍵詞:凍融循環(huán);植被混凝土;滲透性

      中圖分類號:S-3文獻標識碼:ADOI:10.19754/j.nyyjs.20191030020

      近年來,隨著高寒地區(qū)國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力開展,工程所在區(qū)域生態(tài)環(huán)境不可避免地遭到了不同程度的破壞,導(dǎo)致大面積的無植被覆蓋的裸露邊坡急需修復(fù)。植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)作為裸露邊坡植被快速恢復(fù)常用方法之一,通過在種植土中加入水泥、有機物料、活化添加劑等材料,實現(xiàn)了傳統(tǒng)硬性加固措施與生態(tài)修復(fù)措施的有機結(jié)合,已在我國許多省市得到廣泛推廣和運用 。然而,在已有高寒地區(qū)邊坡修復(fù)工程實踐應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn),由于受到高海拔、低氣溫、長日照等極端條件的影響,植被混凝土在凍融條件下物理、力學(xué)和化學(xué)等性質(zhì)急劇變化,導(dǎo)致生境基材迅速劣化,致使高寒地區(qū)植被生態(tài)修復(fù)遭遇巨大困難土體的滲透性屬于土體物理力學(xué)性能的重要內(nèi)容,滲透系數(shù)是描述土體滲透性能差異的重要參數(shù)。國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),在凍融循環(huán)作用下土體的滲透性變化不僅與凍融的溫度模式、時間長短、凍融循環(huán)次數(shù)等因素密切有關(guān),還與土樣的初始狀態(tài)、密實程度等有關(guān)。范昊明等研究表明,隨凍融循環(huán)次數(shù)增加,土壤滲透系數(shù)增大較明顯,但增大幅度逐漸變小;王鐵行等研究表明,水平方向與豎直方向測得的黃土的滲透系數(shù)均隨凍融循環(huán)次數(shù)和試樣初始含水率增大而增大。

      目前,針對凍融循環(huán)作用下天然土和水泥土滲透特性的變化研究較多,而對植被混凝土此類生境基材的研究并不多,因此研究凍融循環(huán)條件下生境基材滲透性的變化規(guī)律,對高寒地區(qū)的植被生態(tài)修復(fù)具有重要的理論和工程意義。本文通過室內(nèi)凍融循環(huán)模擬及滲透試驗,研究不同凍融循環(huán)次數(shù)和初始含水率條件下植被混凝土生境基材滲透性的變化規(guī)律,旨在為植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)在高寒地區(qū)的應(yīng)用提供理論和實踐依據(jù)。

      1 材料與方法

      1.1 試驗材料

      本研究涉及的主要材料包括種植土、水泥、有機物料、活化添加劑和水。種植土取自三峽大學(xué)地學(xué)樓附近土壤,剔除石頭殘渣及枯枝等雜物,經(jīng)風(fēng)干后過1mm篩備用。水泥購自華新水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。有機物料購自俏牛兒肥業(yè)有限公司生產(chǎn)的植物莖葉,經(jīng)風(fēng)干、碾磨和過篩后備用。活化添加劑來自三峽大學(xué)專利成果轉(zhuǎn)讓產(chǎn)品(專利號:01138343.7)。

      1.2 試驗設(shè)計

      植被混凝土制備嚴格按照現(xiàn)行國家能源行業(yè)標準《水電工程陡邊坡植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)規(guī)范》NB/T 35082-2016,具體配比見表1。為保證制樣過程中試樣的均勻性和一致性,試樣的干密度控制為1.3g/cm3。先進行干料拌合,然后按設(shè)定初始含水率(質(zhì)量含水率)加入定量水進行拌合。試驗共設(shè)4種初始含水率,分別為18%、20%、22%和24%,凍融循環(huán)頻次分別設(shè)置為0、1、2、4、8、16、32、64次。每個凍融梯度制作3個環(huán)刀試樣,總計制樣24個,用來測定植被混凝土的滲透系數(shù)。將制備好的環(huán)刀試樣用保鮮膜包裹住,然后放入養(yǎng)護室30d后進行凍融循環(huán)試驗。凍結(jié)溫度/融化溫度設(shè)置為±20℃。單次凍融循環(huán)周期設(shè)定為凍結(jié)12h,融化12h。每到設(shè)定的相應(yīng)凍融循環(huán)頻次,從凍融箱迅速取出環(huán)刀樣,經(jīng)真空抽氣飽和后,再進行滲透試驗。

      1.3 研究方法

      由于植被混凝土中摻入水泥,其滲透系數(shù)較小,故選用變水頭滲透實驗。植被混凝土試樣經(jīng)凍融后進行真空抽氣飽和(抽氣90min→進水飽和60min→浸泡12h以上)。然后將試樣裝入在滲透裝置中,按土工試驗規(guī)程標準進行試驗,最終計算得出凍融循環(huán)后植被混凝土的滲透系數(shù)。

      試驗結(jié)果按照土工試驗規(guī)程標準變水頭滲透試驗提供的滲透系數(shù)計算公式進行計算:

      k=2.3aLAtlgh1h2

      式中:2.3為In和1g的換算系數(shù);a為變水頭管截面積(cm2);L為試樣高度(cm); A為試樣截面積(cm2);t為時間(s);h1為開始時水頭(cm);h2為終止時水頭(cm)。

      1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

      使用Microsoft Excel 2013進行數(shù)據(jù)處理與圖表繪制;采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件,利用One-Way ANOVA進行單因素方差分析,顯著水平設(shè)為@ =0.05。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 不同凍融循環(huán)次數(shù)對植被混凝土滲透系數(shù)的影響

      植被混凝土滲透系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化情況如圖1所示。從圖中可以看出,同一初始含水率的植被混凝土滲透系數(shù)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大,但增幅逐漸變小,多次凍融后逐漸趨于動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。

      凍融后的植被混凝土滲透性較凍融前明顯增大。這主要是因為植被混凝土試樣中水分在低溫情況下會發(fā)生凍結(jié),孔隙水結(jié)晶導(dǎo)致土體內(nèi)部顆粒互相擠壓,顆粒之間的結(jié)合作用遭到破壞,使其內(nèi)部出現(xiàn)微裂縫。經(jīng)多次凍融循環(huán)作用下,試樣中水分經(jīng)歷反復(fù)的相變,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不斷遭到破壞,微裂縫逐漸變大,成為良好的水分遷移通道 ,其滲透系數(shù)不斷增大。此外,隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,植被混凝土試樣中水分出現(xiàn)反復(fù)的遷移,對土顆粒及孔隙產(chǎn)生作用力,以致大孔隙和小裂縫的出現(xiàn),并且孔隙內(nèi)壁的粗糙程度降低,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯減弱[11],致其滲透系數(shù)逐漸大。另外,植被混凝土經(jīng)多次凍融后,滲透性趨于穩(wěn)定狀態(tài)。原因在于當(dāng)植被混凝土經(jīng)過相當(dāng)多次數(shù)凍融循環(huán)后,孔隙處于穩(wěn)定狀態(tài),良好的滲流通道出現(xiàn),結(jié)構(gòu)性達到新的水平狀態(tài),其滲透性也達到新的動態(tài)平衡狀態(tài)[12]。

      2.2 不同初始含水率對植被混凝土滲透系數(shù)的影響

      干密度相同、初始含水率不同的植被混凝土試樣滲透系數(shù)經(jīng)反復(fù)凍融64次的變化情況如圖1所示。不同初始含水率植被混凝土試樣在經(jīng)相同凍融次數(shù)后,滲透系數(shù)比未凍融時明顯變大。且隨著植被混凝土試樣初始含水率的增大,經(jīng)凍融循環(huán)之后其滲透系數(shù)顯著增大。原因在于,不同初始含水率的植被混凝土試樣滲透系數(shù)對凍融作用的響應(yīng)程度不同。當(dāng)植被混凝土試樣初始含水率較低時,因為土樣中水凍結(jié)后產(chǎn)生較小的凍脹力,而且土體自身良好的結(jié)構(gòu)對凍脹力有限制作用[13],所以土樣經(jīng)過凍融作用后孔隙率會增加,但變化不明顯,對其滲透性影響也相對較小。然而,隨著植被混凝土試樣初始含水率增加,凍脹力增大,嚴重破壞土顆粒聯(lián)結(jié)作用[5],土樣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到削弱,其滲透性變化顯著。

      注:不同大寫字母表示相同凍融循環(huán)次數(shù)不同初始含水率處理間的差異顯著(P<0.05 ) ,不同小寫字母表示同一初始含水率不同凍融循環(huán)次數(shù)處理間的差異顯著(P<0.05)

      3 討論

      土的滲透性是評價土體抗凍性能的重要指標,與土體的結(jié)構(gòu)、孔隙、顆粒狀態(tài)等密切相關(guān)[14]。在凍融過程中,植被混凝土結(jié)構(gòu)及孔隙特征發(fā)生改變,導(dǎo)致其滲透性能產(chǎn)生差異。在凍融循環(huán)過程中,隨著凍融溫度在±20℃上下波動,植被混凝土中水分發(fā)生相變和遷移。當(dāng)水由液相轉(zhuǎn)至固相時,冰晶形成,導(dǎo)致體積膨脹,四周土顆粒受到擠壓作用,使土顆粒產(chǎn)生位移與變形,同時也會使土體中的中、小孔隙合并而生成大孔隙,從而導(dǎo)致土中的大孔隙含量增加,最后致使土體結(jié)構(gòu)性的變化[13-15],從而使植被混凝土滲透性發(fā)生顯著變化。

      此外,植被混凝土經(jīng)多次凍融循環(huán)后,滲透性趨于穩(wěn)定狀態(tài)。土體的變形包含彈性變形和塑性變形[16]。彈性變形是土體變形后即可恢復(fù)的部分,經(jīng)反復(fù)凍融后,對植被混凝土孔隙和結(jié)構(gòu)的影響可忽略不計。而塑性變形為不可逆的,導(dǎo)致凍融后的土體變形無法恢復(fù)。經(jīng)過相當(dāng)多次凍融循環(huán)后,達到了植被混凝土的塑性變形極限值,則孔隙不再繼續(xù)擴大,滲透系數(shù)也不再變化,即其滲透性趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

      4 結(jié)論

      本文通過室內(nèi)凍融循環(huán)試驗和滲透性測試研究了不同凍融循環(huán)次數(shù)和初始含水率條件下植被混凝土滲透系數(shù)的變化規(guī)律,得出以下結(jié)論:

      植被混凝土滲透系數(shù)受凍融作用的影響明顯。植被混凝土滲透系數(shù)隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而變大。凍融前期增長速度快,凍融后期趨于動態(tài)平衡狀態(tài)。

      植被混凝土滲透性的變化與其初始含水率關(guān)系密切。在凍融循環(huán)過程中,植被混凝土初始含水率越高,初始滲透系數(shù)相對較高,且變化幅度越大。

      參考文獻

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      作者簡介:

      高賢(1993-),男,碩士。研究方向:邊坡防護與生態(tài)恢復(fù)。

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