聚丙烯纤维_粘性矿粉复合料边坡加固时效劣化评估研究_束金誉.pdf

工程技术优化2023 年 2 月第 50 卷第 2 期doi:10.3969/j.issn.1001-5922.2023.02.039Vol.50 No.02，Feb.2023收稿日期:2022-01-04;修回日期:2023-02-10作者简介:束金誉(1964-)，男，高级工程师，主要从事地基处理等研究;E-mail:jinshu6429163 com。引文格式:束金誉，宗梦繁 聚丙烯纤维/粘性矿粉复合料边坡加固时效劣化评估研究 J 粘接，2023，50(2):167-171聚丙烯纤维/粘性矿粉复合料边坡加固时效劣化评估研究束金誉1，宗梦繁2(1 江苏省地质矿产局 第六地质大队，江苏 连云港222023;2 江苏海洋大学，江苏 连云港222005)摘要:生态材料在黄土边坡防护中的应用日益增多，材料的时效劣化是评价其防护效果的重要标准。以聚丙烯纤维有机材料和矿渣粉无机材料为例，对黄土高原典型边坡进行了这 2 种生态材料的防护试验。基于激光雷达的方法量化了侵蚀劣化，综合评价了 2 种生态材料的劣化过程。结果表明:2 种材料均能对试验边坡产生较好的防护效果，矿渣粉混合土在初始阶段略优于聚丙烯纤维加筋土。随着固化时间的增加，这 2 种材料发生了不同的劣化。冲刷侵蚀主要在聚丙烯纤维混合土中观察到。2 个边坡的侵蚀量也沿边坡向下逐步增长。此外，随着时间的推移，矿渣粉的保护优势正在逐渐下降。实验室干湿循环试验表明，聚丙烯纤维混合土抗崩解性和抗剪强度参数的快速衰减是导致材料劣化的主要原因。关键词:聚丙烯纤维;矿渣粉;边坡;时效劣化中图分类号:TQ342+34文献标志码:A文章编号:1001-5922(2023)02-0167-05Study on aging deterioration of slope strengthenedwith polypropylene fiber and slag powderSHU Jinyu1，ZONG Mengfan2(1 The Sixth Geological Brigade of Jiangsu Bureau of Geology and Mineral Resources，Lianyungang 222023，Jiangsu China;2 Jiangsu Ocean University，Lianyungang 222005，Jiangsu China)Abstract:The application of ecological materials in loess slope protection is increasing day by day，and the agingdeterioration of materials is an important criterion to evaluate its protection effect Taking polypropylene fiber organicmaterial and slag powder inorganic material as examples，the protection tests of these two ecological materials ontypical bare cut slopes in the Loess Plateau were carried out Based on the lidar method，the erosion deteriorationwas quantified，and the deterioration process of two ecological materials was comprehensively evaluated The resultsshow that the two materials can produce good protection effect on the test slope，and the slag powder mixed soil isslightly better than the polypropylene fiber reinforced soil at the initial stage With the increase of curing time，thetwo materials have different deterioration Erosion erosion is mainly observed in polypropylene fiber mixed soil Theerosion amount of the two slopes also increases gradually along the slope In addition，with the passage of time，theprotection advantage of slag powder is gradually declining The laboratory dry wet cycle test shows that the degrada-tion of polypropylene fiber reinforced soil is mainly caused by the rapid decline of anti disintegration and shear761工程技术优化strength parameters This study is of great significance to reveal the deterioration mechanism of slope protection ma-terials and promote the continuous improvement of slope protection materialsKey words:polypropylene fiber;slag powder;slope;aged deterioration我国黄土高原上的工程活动产生了大量裸露边坡。以“山体开挖和城市建设”和“冲沟土地整理”的大型建设项目为例，新产生的边坡通常会发生浅层破坏，其中浅层滑动、细沟侵蚀、剥落和片蚀是典型代表。这些破坏现象不仅会加剧水土流失，其进一步发展还会导致边坡发生灾难性变化，威胁生命和财产安全1-3。因此，对裸露边坡进行表面保护对于区域生态改善和边坡稳定具有重要意义。对边坡保护方法的研究从未中断，其中传统的保护方法主要包括框架保护、植物基保护、支撑结构保护等4。近年来，随着生态保护的发展，有机材料纤维和无机材料等新材料被应用于坡面防护5。其中，聚丙烯纤维和矿渣粉分别作为代表性的纤维加筋材料和无机材料，因其良好的保护效果、生态友好性和低成本而吸引了大量关注。与土壤混合的聚丙烯纤维可以形成土壤增强复合材料，其中纤维和土壤颗粒界面之间的摩擦使土壤更具韧性，并进一步提高土壤的抗剪强度、抗压强度和峰值轴向应变 6。此外，聚丙烯纤维可以有效防止裂缝的发展，从而限制土壤变形。而矿渣粉往往表现出较高的粘性，可以有效填充土壤孔隙并结合颗粒 7。一些研究人员表明，矿渣粉可以有效提高土壤的抗剪强度和抗侵蚀性，防止边坡的浅层破坏 8。由此可见，聚丙烯纤维和矿渣粉在黄土边坡上具有一定的应用前景。坡面保护材料的有效性将随着时间的推移而恶化(时效劣化)，特别是在恶劣的环境条件下。降雨入渗和冲刷、干湿循环、高温和冻融循环是导致退化的主要因素9。根据先前的研究，降雨渗透和冲刷可能导致材料水解和结构破坏，进一步导致材料的抗拉强度和抗剪强度下降10。而干湿循环可能有助于孔隙和材料界面的水分吸收和扩散。在干湿循环的影响下，孔隙的膨胀会使保护材料从土壤中松动，从而阻碍保护材料和土壤颗粒之间的应力传递。上述影响可能会恶化护坡材料的渗透性、抗剪性和抗崩解性11。但目前，较少学者研究有机材料聚丙烯纤维与无机材料矿渣粉加固边坡的时效劣化研究，对护坡材料的劣化尚未涉及太多。基于此，本研究的目的是以聚丙烯纤维和矿渣粉为例，评估 2 种生态材料在典型黄土路堑边坡防护试验中的防护效果。使用 LiDAR 方法对 2 种保护材料的劣化过程和时空特性进行了量化。进一步研究降雨情况与材料力学性能的劣化规律，以评估边坡长期性能。1材料和方法1 1防护试验材料配比本研究选用聚丙烯纤维有机材料和矿渣粉无机材料对黄土边坡进行护坡，在施工前分别与黄土混合12，分别命名为聚丙烯纤维加筋土(PFS)和矿渣粉混合土(GGS)。聚丙烯纤维长 15 毫米，直径0048 毫米。用于试验的黄土直接取自试验现场。用于护坡材料的质量比分别设置为干燥黄土:聚丙烯纤维=10003 和干燥黄土:矿渣粉=1 0 0098。混合时，含水量控制在 15%，并用小型电动搅拌器将混合物料定速搅拌 10 min，直至聚丙烯纤维/矿渣粉均匀分布。然后将护坡材料密封并放入养护室养化48 h。1 2护坡材料室内干湿循环试验在降雨和蒸发的影响下，护坡材料由于干湿交替而劣化。在本研究中，采用干湿循环试验研究了2 种护坡材料(即 PFS 和 GGS)的力学参数演变过程。根据试验边坡土壤含水量的波动范围，干湿循环试验的土壤含水量上限值和下限值分别为 20%和 10%。根据与 LiDAR 扫描数据相对应的有效降雨事件的累积时间(10 mm/d)，样品的干湿循环次数分别设置为 0、2、4、6、9、14 和 16。试样分别通过烘箱干燥法和水膜转移法进行干燥和加湿。干燥加湿后，将土壤样品密封并固化24 h，以确保水在样品中均匀分布。干 湿循环试验后 PFS 和 GGS 的劣化结果，具体如图 1 所示。(a)聚丙烯纤维加筋土(PFS)(b)矿渣粉混合土(GGS)图 1 干湿循环劣化图像Fig 1Deterioration image of dry wet cycle干湿循环处理后，分别进行剪切试验、拉伸试验和崩解试验，设定护坡材料试样的含水量分别调整为 10%、15%和 20%，试验的试样尺寸分别为61 8 mm 20mm、61 8mm 80mm、61 8 mm 40 mm，使用 ZLB 1 应变控制 3 组合直接剪切仪确定试样的剪切强度;法向应力设置为100、200 和 400 kPa，剪切速率设置为 0 8 mm/min，直到试样损坏或达到 6 mm 的最大水平位移;使用自制单轴拉伸试验机测定试样的拉伸强度。样品用861工程技术优化薄保鲜膜包裹，主要用于保持试样的含水量。试验通过直接拉伸进行，样品的一端固定，另一端施加拉力，直到样品折断;记录施加的力并转换相应的拉伸应力。使用自制的崩解仪测定了试样的崩解特性，该仪器由 2 个气缸组成:外筒可以保持水位恒定;内筒用于悬挂样品的浮动筒。试验过程中，浸入水中的样品逐渐解体，内筒漂浮。因此，可以获得样品浮力的变化，并确定相应的样品崩解质量。2护坡时效劣化过程评估2 1护坡劣化过程的定量评价根据研究期间 7 次获得的激光雷达(LiDAR)数据，对 3 个试验边坡的侵蚀恶化过程和侵蚀质量进行了量化。图 2 和表 1 分别为不同时期不同边坡侵蚀质量的光栅图形和统计数据结果。a 空白测试斜坡(BTS);b 聚丙烯纤维加筋土边坡(SPFS);c 矿渣粉混合土边坡(SGGS)图 2不同时期边坡侵蚀质量的光栅图形Fig 2Raster graph of slope erosion qualityin different periods表 1不同时期边坡侵蚀质量Tab 1Slope erosion quality in different periods时期开始日期结束日期持续时间/d侵蚀质量/(gm2)BTSBTSBTST108/26/202112/20/2021116237 31137 5993 10T212/20/201806/07/2019169134 21101 3266 32T306/07/201907/07/201930448 9