河床基底重構復合土控滲試驗研究

高金花，李 明，陳 卓，魏 俊，黃森軍，趙進勇

（1.長春工程學院 水利與環境工程學院，吉林 長春 130012； 2.吉林省水工程安全與災害防治工程實驗室，吉林 長春 130012； 3.中國電建集團 華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；4.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

我國北方大部分地區干旱缺水，季節性特征明顯，當河流滲漏嚴重、生態需水量得不到滿足時易引起生態環境惡化、生態系統受損等問題，在河流的生態修復與治理過程中，控滲技術對改善河床底質土壤性能、減少水資源浪費具有重要的意義。 近年來，控滲技術發展迅速，在工程中得到了廣泛應用并取得一定的效益［1－2］。 目前，河道、渠道的主要減滲措施可分為河道硬化處理減滲、復合土工膜減滲、黏土減滲、膨潤土防水毯減滲和復合土料減滲等［3－6］。 其中復合土料減滲是把各種材料配制成復合土進行減滲的方式，例如三合土減滲、水泥潛入土減滲、固化劑土減滲等［7－8］，該減滲方式配料以工程區素土為主，材料天然、生態效果好，但目前對于其摻料類型和配比還需進一步研究。

纖維加筋技術是改良土壤工程特性常采用的方法。 有良好力學性能的纖維在土體中隨機分布時，能以一種較為均勻的方式加固強化土壤［9－10］。 國內外學者圍繞纖維加筋技術開展了一系列研究并取得大量成果。 王亞軍等［11］在土壤中加入聚丙烯纖維材料，通過無側限抗壓試驗研究了纖維材料對固化土無側限抗壓強度的提高程度。 常志璐等［12］對植物加筋固化土進行了抗壓強度和滲透正交試驗。 曹雅嫻等［13］在硅粉水泥土中摻加聚丙烯纖維，研究水泥土改良后的力學性能。 Kumar 等［14］根據軟黏土性質選擇摻加聚酯纖維對土體進行改良，有效提高了其無側限抗壓強度。Yetimoglu 等［15］通過對比試驗探索了纖維摻量對土壤殘余剪切強度的影響規律。 Ramkrishnan 等［16］通過試驗研究了劍麻纖維對黏土和沙壤土強度增強的特性。已有研究表明纖維的摻入可以對土壤膨脹特性、固結特性和力學性能起到改善效果，纖維作為一種工程性質良好且天然易獲取的加筋混摻材料已得到很多關注［17］。

目前，國內外復合土控滲技術研究主要集中在減滲性能上，針對其力學性能的研究較少。 筆者利用膨潤土和植物纖維材料對土壤進行配比重構得到減滲復合土，探究了復合土的滲透系數、無側限抗壓強度隨各材料變化的規律。

1 試驗材料與研究方法

1.1 試驗材料

1.1.1 土壤材料

土樣取自濟南市創新谷河流漫灘區，取土深度20～100 cm。 土壤質地均勻，含少量植物根系、孔洞和砂礫，主要為含砂粉質黏土，呈黃褐色，屬級配不良土體，力學性能較差，其基本物理指標見表1，顆粒級配曲線見圖1。1.1.2 膨潤土材料

表1 土樣的基本物理指標

試驗選取鈣基膨潤土、人工納基膨潤土和天然納基膨潤土3 種類型的膨潤土作為主要摻加材料。 膨潤土是以蒙脫石為主要礦物成分的非金屬礦物材料，蒙脫石含量為70%～95%，物理化學性質主要取決于蒙脫石含量與類型，基本性能參數見表2。

表2 膨潤土材料的基本性能參數

3 種類型膨潤土主要化學成分見表3。 人工鈉基膨潤土是由鈣基膨潤土通過物理化學手段添加大量鈉離子形成，因此二者主要化學成分含量相近。

1.1.3 植物纖維材料

試驗采用椰殼纖維和劍麻纖維兩種類型植物纖維作為纖維加筋材料，這兩種纖維易獲取，具有優良的耐久性、耐濕性和力學性能，基本性能參數見表4。

表4 纖維材料的基本性能參數

1.2 試驗方法

1.2.1 變水頭滲透試驗

試驗采用五聯變水頭滲透裝置進行，試樣按照《土工試驗規程》（SL 237—1999）擾動土預備程序制作，以1.6 g／cm3的干密度進行配比混摻，標準試樣尺寸為6.18 cm×4.00 cm（直徑×高），同一配比試樣制備2 塊，確保不同試樣的密度、含水率差在1%之內，外觀無明顯差異。 試樣制作完畢后置入滲透儀，在浸泡箱進行土壤水飽和處理，預飽和后放入滲透裝置，并調試供水設備進行試驗。 滲透儀出水穩定后開始記錄數據，根據滲透速度每隔15 min 或1 h 測記一次數據，重復測量5～6 次。 當同樣間隔時間內水分入滲速率穩定時結束試驗。

以膨潤土類型和摻量作為影響因子，膨潤土類型分別為天然納基膨潤土、人工納基膨潤土、鈣基膨潤土，膨潤土摻量分別為3%、6%、9%、12%、15%、18%、21%，共制作42 塊試樣。

植物纖維材料配比方案見表5，以纖維類型、纖維長度和纖維摻量作為影響因子，共制作24 塊試樣。

表5 植物纖維配比方案

1.2.2 無側限抗壓強度試驗

土體的黏聚力和內摩擦角等與無側限抗壓強度有較強的相關關系，研究無側限抗壓強度可以判斷材料對復合土力學性能的影響。 試驗使用萬能壓力試驗機進行，采用三瓣輕型擊實儀制備試塊，以1.6 g／cm3的干密度進行配比制作，標準試樣尺寸為6.18 cm×12.50 cm（直徑×高），含水率控制在17%，天然納基膨潤土摻量為15%，纖維類型、長度、摻量配比同表5，對應4 個方案編號為A ～D，同一配比試樣制備2 塊，共制備試樣24 塊。 試樣制作完畢后放入標準恒溫恒濕養護箱（養護溫度20 ℃±2 ℃，濕度＞90%）養護至設計齡期7 d 后進行試驗，記錄破壞荷載并計算無側限抗壓強度。

2 試驗結果與分析

2.1 膨潤土對復合土滲透系數的影響

膨潤土摻量對滲透系數的影響見圖2。 由圖2 可知：3 種類型膨潤土都具備良好的減滲效果，等摻量的情況下，減滲效果強弱排序為天然納基膨潤土、人工納基膨潤土、鈣基膨潤土；當摻量達到21%時，天然納基膨潤土、人工納基膨潤土、鈣基膨潤土3 種類型復合土滲透系數分別為5.1×10－8、8×10－8、6.5×10－8cm／s。 當3 種膨潤土摻量為15%時，復合土滲透系數相對于素土可減小2～3 個數量級；摻入鈣基膨潤土和人工鈉基膨潤土時，土壤滲透系數隨摻量變化規律趨于一致，原因主要是二者化學成分相近；當摻量為3%～15%時，3種類型復合土滲透系數下降較快，當摻量高于15%時，滲透系數下降速率逐步降低，對于摻入同一種類型膨潤土的復合土，膨潤土摻量是影響滲透系數的主要因素，膨潤土摻量每提高3%，復合土的滲透系數都會在原有基礎上下降30%到60%。

當膨潤土摻量在3%～21%變化時，隨著摻量的提高，不同類型膨潤土的減滲效果差異呈現減小的趨勢。其主要原因是試樣土壤結構中的有效孔隙和水通道被膨潤土細粒遇水膨脹后形成的膠體顆粒逐步填充阻隔，當有效孔隙和水通道數量減少至一個較低水平時，增加膨潤土顆粒無法使剩余的有效孔隙和水通道數量進一步減少。

通過調節不同類型膨潤土的摻加量可以控制滲透系數，當天然納基膨潤土摻量達15%、人工納基膨潤土摻量達18%、鈣基膨潤土摻量達18%時，復合土滲透系數達1×10－7cm／s。

將3 種類型膨潤土滲透系數進行擬合（見圖3），擬合公式可為同類型工程膨潤土材料選擇提供參照。當膨潤土摻量小于15%時，膨潤土類型對滲透系數有一定影響；當摻量超過15%時，膨潤土類型對滲透系數影響較小。

鈣基膨潤土摻量為3%～15%、15%～21%時，復合土滲透系數與摻量擬合關系式分別為

人工鈉基膨潤土摻量為3%～15%、15%～21%時，復合土滲透系數與摻量擬合關系式分別為

天然鈉基膨潤土摻量為3%～15%、15%～21%時，復合土滲透系數與摻量擬合關系式分別為

式中：y為滲透系數，cm／s；x為膨潤土材料摻量；R2為擬合優度。

可見，R2均大于0.95，說明關系式擬合度均較高。

2.2 不同類型植物纖維摻量對復合土滲透系數的影響

不同類型植物纖維摻量對復合土滲透系數的影響見圖4。 由圖4 可知：椰殼纖維和劍麻纖維能一定程度提高復合土的滲透系數，摻量在0.25%～0.75%范圍增加時，復合土滲透系數增大速率逐步減小；纖維摻量為0.25%時，復合土最大滲透系數為素土滲透系數的1.254 倍；纖維摻量為0.75%時，復合土最大滲透系數為素土滲透系數的1.534 倍。 當纖維摻量和纖維類型相同時，方案一和方案三增滲效果較好，說明1 cm 短纖維對滲透系數增大效果強于2 cm 長纖維的，這可能是長纖維與短纖維在土體中分布時形態差異引起的，纖維使滲透系數增大的主要原因是纖維與土壤的接觸面沿纖維軸向會形成一定量水分子運移通道，纖維與土壤混合并隨機分布于土體時，長纖維易產生更大彎曲量，在土壤中形成更多高彎曲度的纖維條，當水分子沿纖維軸向運移時，曲折的纖維降低了水分子在土壤中沿垂向滲透效率，增加了水分子沿其他方向的無效運移量。 當纖維摻量和纖維長度相同時，方案一和方案二增滲效果較好，說明椰殼纖維對滲透系數的增大效果強于劍麻纖維的，原因是兩種纖維束的寬度和表層粗糙度差異較大，椰殼纖維的單個纖維束的截面和表面粗糙度都大于劍麻纖維束的，這導致椰殼纖維束與土體顆粒接觸面更大，使椰殼纖維與土壤接觸面易形成更多的水分運移通道。

2.3 不同類型植物纖維摻量對復合土無側限抗壓強度的影響

不同類型植物纖維摻量對無側限抗壓強度的影響見圖5。 由圖5 可知，椰殼纖維和劍麻纖維都可以有效提高復合土的無側限抗壓強度，4 種方案摻量從0.25%到0.50%變化過程中無側限抗壓強度提高較多，摻量從0.50%到0.75%變化時提高較少。 當纖維摻量和纖維長度相同時，方案A 和方案B 無側限抗壓強度提高較多，說明椰殼纖維對復合土強度的提高效果強于劍麻纖維的，例如摻入量為0.25%時，方案A 對無側限抗壓強度的提高量是方案C 提高量的1.405倍；當纖維摻量和纖維類型相同時，方案B 和方案D無側限抗壓強度提高較多，說明2 cm 長纖維對土壤無側限抗壓強度的提高效果大于1 cm 短纖維的，例如摻量為0.25%時，方案D 對無側限抗壓強度的提高量是方案C 的1.213 倍。 兩種類型纖維對土壤無側限抗壓強度提高程度的不同可能是纖維束特征差異導致的，纖維提高復合土強度的重要原因是纖維與土料混摻后，兩者之間產生的摩擦阻力可以限制變形，即當土體產生相對位移或者破壞開裂時，纖維與土體會產生一定的摩擦力，起到加筋連固作用，減小形變或者形變趨勢。 而兩種纖維束的寬度和表面粗糙度差異較大，椰殼纖維的單個纖維束的寬度遠大于劍麻纖維束的，同時椰殼纖維束的表面粗糙度也大于劍麻纖維束的，這導致了椰殼纖維與土壤接觸面摩擦固定效果更強，更大幅度提高了無側限抗壓強度。 2 cm 長纖維對強度的提高效果強于1 cm 短纖維的，原因是長纖維在土體中隨機分布時更易形成相互交錯的結構網格，在纖維與土壤顆粒摩擦時提高纖維束多向受力程度，將更多土壤顆粒固結成為整體，從而提高土體的整體性和無側限抗壓強度。 植物纖維提高了復合土無側限抗壓強度，能改善耐久性并減少受外力影響時的破壞，有利于復合土控滲。

3 結 論

通過室內滲透試驗和無側限抗壓強度試驗，研究了不同配比復合土的控滲性能和力學性能，主要結論如下。

（1）3 種類型膨潤土都具備良好的減滲效果，等摻量的情況下，減滲效果強弱排序為天然納基膨潤土、人工納基膨潤土、鈣基膨潤土，通過調節不同類型膨潤土的摻量可使滲透系數下降2～3 個數量級。

（2）椰殼纖維和劍麻纖維具有一定的增滲效果，隨著纖維摻量的增大，復合土滲透系數會有所增大。同樣纖維摻量和纖維種類的情況下，1 cm 短纖維對滲透系數增大效果強于2 cm 長纖維的；同樣纖維長度和纖維摻量的情況下，椰殼纖維對復合土滲透系數增大效果強于劍麻纖維的。

（3）椰殼纖維和劍麻纖維可以有效提高復合土的無側限抗壓強度，改善其力學性能，復合土的無側限抗壓強度隨著纖維摻量的增大而增大。 同樣纖維摻量和纖維種類的情況下，2 cm 長纖維對復合土強度的提高效果強于1 cm 短纖維的；同樣纖維長度和摻量的情況下，椰殼纖維對復合土強度的提高效果強于劍麻纖維的。

（4）利用膨潤土和植物纖維材料對區域土壤配比重構形成的復合土有良好的控滲性能，材料天然、生態效果好；復合土控滲有助于解決河流持水能力差、水資源滲漏浪費的問題，在河道生態修復領域有一定的應用前景。 但本文試驗方案具有一定局限性，后續將針對不同類型土壤和其他力學性能開展進一步研究。