劉瑾+亓孝輝+張達+汪勇+馮巧+王芊+肖敏慧??

摘要：針對聚氨酯型固化劑（簡稱“OH固化劑”）改良表層砂土抗?jié)B透特性，采用TST70型常水頭滲透儀和自制多孔滲透儀，將OH固化劑噴灑在砂土表層，在不同含量OH固化劑和不同養(yǎng)護時間條件下，對相同厚度砂土層和不同厚度砂土層的出水時間、出水量和滲透性進行室內試驗，并對其抗?jié)B機理進行探討。結果表明：噴灑不同含量OH固化劑后，在土體表層形成不同厚度的固化層，從而增強砂土抗?jié)B透性能；在相同養(yǎng)護時間下，隨著OH固化劑含量的增加，固化層厚度變大，出水時間變長，出水量減少；在相同OH固化劑含量下，隨著養(yǎng)護時間變長，出水時間變長，出水量減少；在砂土表層加OH固化劑，不影響土體整體的滲透性，對植物的正常生長不產(chǎn)生影響；出水量隨土層深度的降低而減少；含量為7%和9%的OH固化劑在養(yǎng)護60 h以后出現(xiàn)不出水現(xiàn)象，達到很好的防滲效果。

關鍵詞：地質工程；砂土；高分子固化劑；滲透試驗；成膜試驗；抗?jié)B機理；固化層

中圖分類號：P642文獻標志碼：A

Abstract： In order to find the penetration resistance of surface sandy soils stabilized by polyurethane soil stabilizers， based on TST70 constant head permeameter and selfmade multihole permeameter， the stabilizers with different contents were sprayed on the surface sandy soils with different curing time， and the effluent time， effluent yield and permeability were measured under the conditions of sandy soils with the same or different thicknesses. And the mechanism of penetration resistance of the stabilizer was discussed. The results show that after spraying the stabilizers with different contents， the curing layers with different thicknesses are formed on the surface， and the penetration resistance increases； because the contents of the stabilizers increase， the curing layers are thickened， and the effluent time is longer， and the effluent yields reduce under the condition of the same curing time； because the curing time increases， the effluent time is longer， and the effluent yields reduce under the condition of the same contents of the stabilizers； the addition of the stabilizers on the surface sandy soils has no influence on the permeability of soil and the growth of plant； the effluent yields reduce with the decrease of soil depth； the soil， which is stabilized by 7% and 9% contents of the stabilizers， has a good property of antiseepage after the curing time of 60 h.

Key words： geological engineering； sandy soil； polymeric stabilizer； penetration test； membrane forming test； impermeability mechanism； curing layer

0引言

公路、鐵路、水利、電力等工程在修建過程中由于開挖會形成大量裸露、極易被風化的土質邊坡。隨著降雨、風、生物的風化作用，這些邊坡表面會形成大量沖溝，造成水土流失，形成很多地質災害易發(fā)點，影響邊坡穩(wěn)定性，對建設工程和人類活動造成了極大的隱患，尤其是砂性土質邊坡[15]。為了減少土質坡面侵蝕，工程領域主要采用噴混凝土、格構、鋪草皮等方法。高分子固化劑作為一種新型的土體加固方法，已在國內外引起廣泛關注：單志杰介紹了EN1離子固化劑加固黃土邊坡機理[6]；

張偉鋒等采用HEC固化劑加固黃土[7]；張麗萍研究了CONAID、LUKANG、EN1和SSA土壤固化劑對黃土坡面穩(wěn)定抗沖刷性的防護效果[8]；劉瑾等研究了有機高分子固化劑對土體及邊坡的穩(wěn)定處理[912]。上述研究表明，高分子固化劑作為一種加固材料，能夠在很大程度上改良坡面表層土的工程性質，從而起到生態(tài)護坡的作用。

降雨入滲是邊坡失穩(wěn)破壞的主要誘發(fā)因素之一[1321]。童龍云等研究了考慮降雨入滲過程的非飽和邊坡穩(wěn)定性[13]；顏斌等對黃土邊坡降水入滲規(guī)律及其穩(wěn)定性進行了研究[15]；陳濤等研究了HEC固化劑對土壤滲透性的影響[16]。因此，在邊坡加固過程中，研究坡面表層土的抗?jié)B透性是研究加固機理的重要工作之一。本文針對聚氨酯型固化劑在砂土邊坡生態(tài)防護中改良表層砂土的抗?jié)B透特性，采用TST70型常水頭滲透儀和自制多孔滲透儀，進行了一系列室內試驗研究，并對其抗?jié)B機理進行了分析，以期對高分子固化劑生態(tài)護坡機理研究及其進一步推廣應用提供參考。

1試驗材料

聚氨酯型固化劑的主要成分是一種改性親水性聚氨酯樹脂，簡稱為OH固化劑，呈淡黃色乃至褐色油狀體，以水為固化劑，與水反應生成具有良好力學性能的彈性凝膠體，具有高度安全性。OH固化劑在現(xiàn)有親水性聚氨酯材料的基礎上融合納米改性、組成結構改變及功能材料復合技術，使改性后的復合材料具有耐久性強、可自然降解、生態(tài)環(huán)保等特征。OH固化劑密度為118 g·cm-3，20 ℃黏度為650～700 mPa·s，固化劑含量（質量分數(shù)，下同）為85%，凝固時間為30～1 800 s，保水量超過40倍。

試驗砂土樣取自江蘇省南京市江寧區(qū)砂土。砂土的風干含水率（質量比）為2%，顆粒粒徑為0075～0100 mm的含量為21%，顆粒粒徑為010～025 mm的含量為317%，顆粒粒徑為025～050 mm的含量為489%，顆粒粒徑為05～10 mm的含量為171%，顆粒粒徑為1～2 mm的含量為02%。粒徑分布見圖1。

2試驗方案與結果分析

針對OH固化劑改良表層砂土的抗?jié)B透特性，開展了成膜試驗、單孔滲透試驗和多孔滲透試驗。

2.1成膜試驗

2.1.1試驗方案

成膜試驗取風干砂土樣500 g，將砂土放置塑料容器中，該塑料容器的口徑為10 cm，深度為6 cm。將不同含量的OH固化劑噴灑到砂土樣中，形成不同厚度的固化層，測量不同OH固化劑含量和不同養(yǎng)護時間下固化層厚度，為進行單孔滲透試驗和多孔滲透試驗進行準備。測試內容包括：①準備8個試樣，噴灑50 mL含量為5%的OH固化劑，觀察00、01、05、10、30、60、120、240 h后固化層厚度；②將每個試樣分別噴灑50 mL含量分別為0%、1%、3%、5%、7%、9%的OH固化劑，240 h后觀察固化層厚度和硬度。

2.1.2結果分析

含量為5%的OH固化劑養(yǎng)護00、01、05、10、30、60、120、240 h后會形成厚度分別為00、03、07、12、20、25、25、25 cm的固化層，其中養(yǎng)護60、120、240 h后的固化層厚度一樣且表層較硬（圖2）。從圖3可知，含量為0%、1%、3%、5%、7%、9%的OH固化劑養(yǎng)護240 h后形成的固化層厚度分別為00、00、20、25、30、35 cm，其中含量為5%、7%、9%的OH固化劑形成的固化層較硬。

2.2單孔滲透試驗

2.2.1試驗方案

單孔滲透試驗儀器采用TST70型常水頭滲透儀（圖4）。該滲透儀是標準土工試驗采用的儀器，也是工程普遍常用的儀器，適用于砂類土及含少量礫石的無凝聚性土。先取代表性風干砂土樣3 250 g，共分為13層，每層約250 g，稱取質量精確至1 g，每層砂土厚約222 cm，裝入滲透儀內，然后用木錘擊實至干密度為144 g·cm-3，再進行分層飽和，其中最后4 cm砂土不進行飽和，噴灑50 mL含量分別為0%、1%、3%、5%、7%、9%的OH固化劑，在表層加密封膠，防止水從滲透儀側壁滲漏。在室溫下分別養(yǎng)護00（參照樣）、30、60、120、240 h，打開供水管向滲透儀供水，使水面始終保持在同一液面高度。測試內容包括：①將底部出水孔接5 cm水管，出水孔出水后，記錄不同含量OH固化劑在不同養(yǎng)護時間下，出水孔的初次出水時間和出水量，其中出水孔出水后，每隔3 min接一次水，共記錄5次；②按照標準土工試驗，待出水量穩(wěn)定后，測定砂土的滲透系數(shù)。

2.2.2結果分析

不同含量OH固化劑養(yǎng)護00、30、60、120、240 h對應出水時間和出水量見表1～5。OH固化劑含量越高，出水時間越長。當OH固化劑含量〖CM（22〗為5%及更大時，OH固化劑對出水時間影響較大；

隨著養(yǎng)護時間的增長，出水時間變長，含量為7%、9%的OH固化劑在養(yǎng)護60 h后基本不透水。以養(yǎng)護60 h的OH固化劑為例，出水量在3 min以后逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)。從9～12 min出水量可以看出：在相同養(yǎng)護時間內，出水量隨著OH固化劑含量的升高而減少；在相同OH固化劑含量條件下，養(yǎng)護60 h后出水量達到穩(wěn)定狀態(tài)。

本次試驗測定砂土滲透系數(shù)采用標準土工試驗的滲透系數(shù)計算公式

式中：k為試樣的滲透系數(shù)；ΔQ為Δt時段內通過試樣的滲流量；A為試樣橫截面積；L為兩相鄰測壓管間距離，取10 cm；h為相鄰測壓管間平均水頭差，h=05（H1-H3），其中H1、H3分別為測壓管1、3的水位高度。

根據(jù)式（1）計算得到含量為0%、1%、3%、5%、7%的OH固化劑滲透系數(shù)分別為260、256、252、273、270 cm·s-1。

當出水穩(wěn)定后，在滲透儀中土表層噴灑不同含量的OH固化劑并不影響整個土體的滲透系數(shù)，但會增強土體的抗?jié)B透能力。圖5是含量分別為1%、3%、5%、7%、9%的OH固化劑滲透反應后表層固化層的狀態(tài)。含量為1%的OH固化劑形成的固化層基本呈松散狀態(tài)，含量為3%的OH固化劑形成的固化層完整性與硬度均較差，含量為5%～9%的OH固化劑形成的固化層完整性較好，硬度隨著OH固化劑含量的升高而增大。

2.3多孔滲透試驗

2.3.1試驗方案

多孔滲透試驗儀器采用自主研發(fā)的多孔滲透儀（圖6）。該儀器內徑為20 cm，高度為1 m，滲透儀一側共有10個孔，各孔間隔10 cm，最上部孔為溢水孔（圖6中孔1），距離滲透儀頂端為5 cm，其余下部孔為出水孔，各出水孔深度代表對應土層深度。其中，孔10代表土層深度為90 cm，孔9代表土層深度為80 cm，依次遞減。首先，一共加土40.70 kg，稱取質量精確至

1 g，分9層加土，每層加砂土452 kg，擊實至干密度為144 g·cm-3；然后，分層從底部依次向上飽和砂土，飽和至留有上部干砂土4 cm；接著，打開各出水孔排水并靜置240 h之后，噴灑200 mL含量分別為0%、1%、3%、5%的OH固化劑并噴密封膠；養(yǎng)護240 h后，打開供水管向滲透儀供水，使水面始終保持在同一液面高度。

測試內容包括：記錄不同含量OH固化劑下，深度為90 cm土層的初次出水時間和各土層深度出水量；測某一深度的出水量時，關閉其余各孔，依次向上，每次只測一個孔的數(shù)據(jù)，各出水孔出水后，每隔3 min接一次水，共記錄5次。

2.3.2結果分析

含量為0%、1%、3%、5%的OH固化劑養(yǎng)護240 h后，對應各土層深度出水時間和出水量見表6～9。隨著OH固化劑含量的升高，養(yǎng)護240 h之后，深度為90 cm的出水孔出水時間逐漸增大，含量為3%和5%的OH固化劑產(chǎn)生的作用比較明顯，出水時間在25 min之后。含量為3%的OH固化劑各土層深度出水量在3 min后基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。選取9～12 min出水量觀察不同含量OH固化劑對應各土層深度出水量情況：在相同土層深度下，出水量隨著OH固化劑含量的升高而減少，且出水量在相同OH固化劑含量下隨土層深度的減少而減小。試驗后固化層狀態(tài)見圖7。從圖7可以看出，含量為1%的OH固化劑形成的固化層基本呈松散狀態(tài)，含量為3%的OH固化劑形成的固化層較松散，不形成一個整體，含量為5%的OH固化劑形成的固化層較完整且硬度較高。

3機理分析

試驗結果表明，OH固化劑可以在很大程度上提高砂土的抗?jié)B透性能。隨著OH固化劑含量的升高和養(yǎng)護時間的增長，形成的固化層越穩(wěn)定，加固后的砂土具有很強的抗?jié)B透性能。

OH固化劑為一系列聚氨酯預聚體與表面活性劑的混合物[22]。預聚體端基帶有活性異氰酸基（—NCO），分子結構式見圖8。在應用過程中，預聚體加水稀釋攪拌后，發(fā)生化學反應轉變形成乳白色的聚脲，具體反應過程見圖9。

噴灑OH固化劑后，隨著水分的揮發(fā)散失，OH固化劑將快速在砂土表面以及內部形成空間網(wǎng)絡狀結構，填充砂土中孔隙及包裹砂土顆粒，從而在砂土顆粒和OH固化劑之間形成物理或化學聯(lián)系，同時高分子通過自身的空間網(wǎng)絡結構特點，與砂土顆粒表面基團發(fā)生物理或化學反應，將砂土顆粒粘結成網(wǎng)絡狀結構，從而在表面形成一定厚度的多孔質彈性且有植物生理性能的固化層。固化層的彈性和力學性能良好，具有橡膠的彈性伸縮，較高含量的OH固化劑能夠阻擋水下滲到土層，從而起到提高土層抗?jié)B能力。該固化層具有良好的抗風蝕、抗紫外線降解可控性，以及保水、保溫和保肥性，能促進植物生長。通常情況下，噴灑含量為2%～4%的OH固化劑14 d后植物便可發(fā)芽生長，當植物生長2～3個生命周期后，OH固化劑的固化層便可逐漸自然降解，從而過渡到后期的生物可持續(xù)固砂。噴灑OH固化劑前后的砂土顆粒內部結構見圖10。

在成膜試驗中，含量為5%的OH固化劑隨著養(yǎng)護時間的變長，砂土顆粒與OH固化劑粘結更為緊密，形成的固化層逐漸增厚，6 h后基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，形成2.5 cm厚的固化層；當養(yǎng)護時間相同時，OH固化劑隨著含量的增加，與砂土顆粒結合的量變多，形成的固化層也越來越厚。在單孔滲透試驗中，OH固化劑噴灑在砂土表面形成的固化層隨含量、養(yǎng)護時間的增加而變厚；在表層噴灑OH固化劑的情況下，水透過較低含量固化層滲透到下部土層，下部土層的滲透性不會因上部土層噴灑OH固化劑而發(fā)生變化。在多孔滲透試驗中，隨著OH固化劑含量的升高，固化層越來越厚，阻止水流下滲的能力增強，各土層的出水量也減少。

4結語

（1）OH固化劑含量達到3%就可以大幅度提高砂土的抗?jié)B透性能。工程邊坡表面噴灑相當量的OH固化劑可以在土體表層形成2 cm左右的固化層，該固化層抗?jié)B性能較好，可對邊坡起到抗沖刷作用，但不改變整體砂土層的滲透特性。若想繼續(xù)提高砂土的抗?jié)B能力，將OH固化劑含量提高至5%即可。若噴灑含量超過7%的OH固化劑可對砂土層起到隔水效果。

（2）OH固化劑與水反應后短時間內可發(fā)生凝膠固化，60 h后固化層可達到穩(wěn)定狀態(tài)，起到抗雨抗?jié)B效果，在施工過程中可以起到節(jié)約時間的作用。為了工程穩(wěn)定性，施工養(yǎng)護時間建議在240 h以上，即給予240 h以上的晴天養(yǎng)護。

（3）在OH固化劑作用下，出水量隨土層深度的減少而減少，即在相同OH固化劑含量條件下，較淺地層在同一水流條件下滲水量比較深地層的少。隨著OH固化劑含量的增加，各深度土層出水量整體呈減少趨勢。

參考文獻：

References：

[1]李萍，張波，李同錄.黃土高原邊坡特征與破壞規(guī)律的分區(qū)研究[J].地球科學與環(huán)境學報，2012，34（3）：8998.

LI Ping，ZHANG Bo，LI Tonglu.Study on Regionalization for Characteristic and Destruction Rule of Slope in Loess Plateau [J].Journal of Earth Sciences and Environment，2012，34（3）：8998.

[2]張菊蓮，沈明榮.高速公路邊坡穩(wěn)定性評價新方法[J].巖土力學，2011，32（12）：36233629.

ZHANG Julian，SHEN Mingrong.A New Approach to Expressway Slope Stability Assessment[J].Rock and Soil Mechanics，2011，32（12）：36233629.

[3]胡厚田，王安福，劉涌江，等.花崗巖類土質高邊坡穩(wěn)定性研究[J].巖土工程學報，2009，31（6）：824828.

HU Houtian，WANG Anfu，LIU Yongjiang，et al.Stability of Granite Soil High Slopes[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2009，31（6）：824828.

[4]夏法，黃玉昆.廣東的地質災害與地質環(huán)境[J].自然災害學報，1995，4（3）：8391.

XIA Fa，HUANG Yukun.Geological Hazard and Geological Environment in Guangdong Province[J].Journal of Natural Disasters，1995，4（3）：8391.

[5]鄭健生，歐樹召，陳春林.水土流失地質災害危險性評估探討[J].中國地質災害與防治學報，2006，17（3）：137140.

ZHENG Jiansheng，OU Shuzhao，CHEN Chunlin.Preliminary Assessment of Soil Erosion Hazard [J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2006，17（3）：137140.

[6]單志杰.EN1離子固化劑加固黃土邊坡機理研究[D].北京：中國科學院研究生院，2010.

SHAN Zhijie.Mechanism Study on the Reinforcement of EN1 Ionic Soil Stabilizer to the Loess Slope[D].Beijing：Graduate University of Chinese Academy of Sciences，2010.

[7]張偉鋒，劉清秉，蔡松桃.用HEC固化劑加固黃土的試驗研究[J].人民長江，2009，40（3）：5659.

ZHANG Weifeng，LIU Qingbing，CAI Songtao.Experimental Research of Solidifying Agent HEC on Loess[J].Yangtze River，2009，40（3）：5659.

[8]張麗萍.黃土邊坡坡面穩(wěn)定及防治技術研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2009.

ZHANG Liping.Researches on Loess Slope Stability and Prevention Strategies[D].Yangling：Northwest A&F University，2009.

[9]劉瑾，張達，汪勇，等.高分子穩(wěn)定劑生態(tài)護坡機理及其應用[J].地球科學與環(huán)境學報，2016，38（3）：420426.

LIU Jin，ZHANG Da，WANG Yong，et al.Reinforcement Mechanism of Soil Slope Surface with Polymer Soil Stabilizer and Its Application[J].Journal of Earth Sciences and Environment，2016，38（3）：420426.

[10] LIU J，SHI B，JIANG H T，et al.Research on the Stabilization Treatment of Clay Slope Topsoil by Organic Polymer Soil Stabilizer[J].Engineering Geology，2011，117（1/2）：114120.

[11]劉瑾，施斌，顧凱，等.聚氨酯型固沙劑改性土室內試驗研究[J].防災減災工程學報，2013，33（1）：2934.

LIU Jin，SHI Bin，GU Kai，et al.Laboratory Study on Soil Modified by Polyurethane Sandfixing Agents[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，2013，33（1）：2934.

[12]LIU J，SHI B，LU Y，et al.Effectiveness of a New Organic Polymer Sandfixing Agent on Sand Fixation[J].Environmental Earth Sciences，2012，65（3）：589595.

[13]童龍云，簡文星.考慮降雨入滲過程的非飽和邊坡穩(wěn)定性分析[J].武漢理工大學學報，2012，34（11）：7883.

TONG Longyun，JIAN Wenxing.Stability Analysis of Unsaturated Slope Considering Rainfall Infiltration Process [J].Journal of Wuhan University of Technology，2012，34（11）：7883.

[14]夏元友，張亮亮.考慮降雨入滲影響的邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].公路交通科技，2009，26（10）：2732.

XIA Yuanyou，ZHANG Liangliang.Numerical Analysis on Highway Slope Stability Considering Rainfall Infiltration[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development，2009，26（10）：2732.

[15]顏斌，倪萬魁，劉海松.黃土邊坡降水入滲規(guī)律及其穩(wěn)定性研究[J].水文地質工程地質，2009，36（3）：7781.

YAN Bin，NI Wankui，LIU Haisong.Research on Rainfall Infiltration Law and Stability of Loess Slope[J].Hydrogeology and Engineering Geology，2009，36（3）：7781.

[16]陳濤，周俊榮，孫明星.HEC固化劑對土壤滲透性的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2004，22（4）：192194.

CHEN Tao，ZHOU Junrong，SUN Mingxing.Influence of Solidfying Agent HEC on Loess Permeability[J].Agricultural Research in the Arid Areas，2004，22（4）：192194.

[17]張麗娟，汪益敏，陳頁開，等.ISS土壤固化劑在渠道防滲中的試驗研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2004（6）：1821.

ZHANG Lijuan，WANG Yimin，CHEN Yekai，et al.Experimental Study on the Application of Soil Stabilizer ISS in Canal Seepage Control[J].China Rural Water and Hydropower，2004（6）：1821.

[18]CHENG L，CORDRUWISCH R，SHAHIN M A，et al.Cementation of Sand Soil by Microbially Induced Calcite Precipitation at Various Degrees of Saturation[J].Canadian Geotechnical Journal，2013，50（1）：8190.

[19]鄧通發(fā)，桂勇，羅嗣海，等.降雨條件下花崗巖殘坡積土路塹邊坡穩(wěn)定性研究[J].地球科學與環(huán)境學報，2012，34（4）：8894.

DENG Tongfa，GUI Yong，LUO Sihai，et al.Study on Slope Stability of Granite Residual Soil Cutting Excavation with Rainfall[J].Journal of Earth Sciences and Environment，2012，34（4）：8894.

[20] ZEZIN A B，MIKHEIKIN S V，ROGACHEVA V B，et al.Polymeric Stabilizers for Protection of Soil and Ground Against Wind and Water Erosion[J].Advances in Colloid and Interface Science，2012，226：1723.

[21]BUCHMANN C，BENTZ J，SCHAUMANN G E.Intrinsic and Model Polymer Hydrogelinduced Soil Structural Stability of a Silty Sand Soil as Affected by Soil Moisture Dynamics[J].Soil and Tillage Research，2015，154：2232.

[22]劉瑾.新型高分子土壤穩(wěn)定劑的研制及其應用研究[D].南京：南京大學，2011.

LIU Jin.Experimental Study on Development and Application of Polymer Soil Stabilizers[D].Nanjing：Nanjing University，2011.

收稿日期：20160727

基金項目：國家自然科學基金項目（41472241，41202208）；江蘇省自然科學基金項目（BK20141415）

作者簡介：劉瑾（1983），女，福建漳州人，教授，工學博士，Email：jinliu920@163.com。

文章編號：16726561（2017）01012609