水溶性聚氨酯改良砒砂岩的水理性能试验研究

[目的]研究水溶性聚氨酯(W-OH)对砒砂岩水理性能的影响,为砒砂岩高边坡防护提供指导。[方法]通过W-OH改良砒砂岩水稳定性和抗冲刷性的室内试验,初步分析其改良砒砂岩机理。[结果]W-OH在低浓度下即可明显提高砒砂岩团聚体的水稳定性和抗蚀能力,且团聚体水稳定性K值随团聚体粒径的减小而增大;W-OH喷洒在砒砂岩表面后,明显降低了坡面的产沙速率和产沙量。[结论]通过胶结沙粒,W-OH在砒砂岩表面形成固结层,减少了水土流失,对砒砂岩的坡面稳定起到了明显防护效果。     

干湿循环对崩岗不同层次土体无侧限抗压强度的影响

针对发育于花岗岩出露区的崩岗土体易受干湿循环影响导致大量崩壁失稳等问题,通过开展一系列室内无侧限抗压强度试验,研究崩岗不同层次土体在干湿循环作用下无侧限抗压强度的变化规律,并且建立了在崩岗不同层次土体深度比和干湿循环次数共同影响下的无侧限抗压强度模型。结果表明:表土层、红土层、斑纹层、碎屑层在第1次干湿循环后无侧限抗压强度衰减幅度最大,分别为26%,15%,40%和49%;在第2~4次干湿循环后无侧限抗压强度衰减幅度逐渐减小;在第5次干湿循环后无侧限抗压强度基本保持不变;随着干湿循环次数的增加,崩岗不同层次土体无侧限抗压强度总体表现为表土层红土层斑纹层碎屑层;在不同干湿循环次数下,崩岗不同层次土体的应力—应变曲线总体上呈应变软化型且应变为2%时达到峰值,但红土层在3次干湿循环时的应力—应变关系曲线局部波动性较强;无侧限抗压强度模型中预测值与实测值之间具有显著(R2=0.91)的相关关系,该模型在预测干湿循环对通城地区崩岗不同层次土体无侧限抗压强度影响中具有较高的应用价值。     

多因素影响下砒砂岩的融沉特性试验研究

[目的]探究融沉作用对砒砂岩结构改变,揭示砒砂岩冻融侵蚀机理。[方法]使用高低温交变湿热试验箱H/GDWJS-100L对砒砂岩进行不同含水率、不同冻结温度、不同干密度下的冻融试验。[结果]含水率低于11%的砒砂岩,冻胀量随着含水率的变化较小,含水率大于11%后冻胀量随着含水率的增加变化显著;在融化的过程中,砒砂岩存在起始融沉含水率在13%附近,当含水率大于起始融沉含水率发生融沉,否则发生融胀;砒砂岩融化时最大位移变化量与干密度有关,干密度1.80g/cm3对应试件的最大位移变化量最小;相同含水率、干密度条件下的砒砂岩融化时的最大位移变化量,随着冻结温度的降低而增大。[结论]冻融过程中砒砂岩的位移变化引起颗粒间的重新排列,使其孔隙特征发生变化,从而导致砒砂岩结构的改变。     

碱激发对砒砂岩地聚物水泥复合土强度及微观结构的影响机理

为防治水土流失,提高以砒砂岩为基础原料水泥土的力学性能,实现大量松散砒砂岩在实际工程的有效利用,通过无侧限抗压强度试验和压汞、X衍射物相分析、扫描电镜、傅里叶变换红外光谱等方法,探究碱激发对砒砂岩地聚物水泥复合土强度及微观结构的影响机理。结果表明:N-A-S-H(水化硅铝酸钠)凝胶含量是影响复合土强度的主要因素,其含量受碱激发温度及碱当量的影响。碱当量的增大及碱激发温度的提高,可促使砒砂岩中的蒙脱石、石英以及偏高岭土发生溶蚀,促进N-A-S-H凝胶的产生,但当温度超过80℃后会促进N-A-S-H凝胶向钾A型沸石晶体转化。碱当量增加使得强度增长速率先增加后减缓,在碱激发温度为80℃、碱当量为2%时,砒砂岩地聚物水泥复合土配比达到最优,此时复合土中生成N-A-S-H凝胶产物最多,10 nm孔径占比最大(11.67%),孔隙率最低(23.47%),强度最高(8.23 MPa)。该研究可为砒砂岩地聚物水泥复合土在实际工程中的应用提供理论依据。     

砒砂岩中植物促生芽孢杆菌的筛选及其对土壤的改良作用

[目的]筛选砒砂岩土壤中植物促生芽孢杆菌,为微生物强化植物改良砒砂岩土壤的科学设想提供资源和技术基础。[方法]以产生植物激素IAA(indole acetic acid)、铁载体和生物膜为筛选指标,从内蒙古砒砂岩区土壤和植物样品中筛选植物促生芽孢杆菌,采用盆栽试验探究植物促生芽孢杆菌改良砒砂岩土壤特性和促进苜蓿和黑麦草生长的作用。[结果]筛选到的12株芽孢杆菌产生IAA、铁载体和生物膜的能力不同,分别属于Bacillus halotolerans,B.atrophaeus,B.siamensis和B.zhangzhouensis种群。与对照相比,B.halotolerans P75能够显著增加砒砂岩土壤的有机质含量(24.7%)、速效磷含量(11.9%)和速效钾含量(21.0%)等养分指标,每1 g土壤可培养细菌达到7.4 lg CFU,土壤蔗糖酶活性显著增强(58.8%)。接种B.halotolerans P75后,在砒砂岩土壤中生长的苜蓿和黑麦草干重增加22.3%～81.5%,[结论]从生长于砒砂岩土壤的苜蓿根内筛选到B.halotolerans P75,可提高砒砂岩土壤肥力,促进苜蓿和黑麦草生长,具有强化植物改良砒砂岩土壤的潜力。     

晋陕蒙地区土壤质地重构对土壤水力性质的影响

[目的] 探究晋陕蒙地区土壤质地重构对土壤水力性质的影响,评价砒砂岩不同添加量对砂黄土的改良效果,为该区沙化土地修复工作提供理论依据。[方法] 将砒砂岩与砂黄土按照不同配比进行重构,研究其饱和导水率、土壤水分特征曲线、土壤有效持水量等指标。[结果] ①随着砒砂岩比例的增加(0%～100%),重构土中砂粒(0.05～2 mm)含量下降8.1%～33.5%,粉粒(0.002～0.05 mm)和黏粒(＜0.002 mm)含量分别增加5.2%～21.0%,2.9%～12.5%。当砒砂岩与砂黄土比例达到75∶25时,重构土壤质地由砂壤土转变为壤土;当砒砂岩与砂黄土按照25∶75比例混合时,该处理在10 ℃时的K_s为4.07×10^-6 m/s,与黄土高原地区典型的黄绵土田间自然状态下的K_s值相近; ②砒砂岩添加量对土壤水分特征曲线的影响主要在高吸力段,当砒砂岩与砂黄土的比例为25∶75时,土壤水分有效性相对较高; ③随着砒砂岩含量增加土壤保水性能呈现上升趋势,砒砂岩的添加比例越高,重构土壤饱和含水量(θ_s)和残余含水量(θ_r)越大。[结论] 砒砂岩与砂黄土按25∶75比例重构(土壤容重1.41 g/cm³)土壤有效持水量显著高于其他处理,是晋陕蒙地区土壤改良的有效方法。     

基于灰色关联分析的砒砂岩区不同林龄沙棘的改土效应

[目的]探究不同林龄沙棘对其下土壤的改良效果,为砒砂岩区人工沙棘林生态建设、恢复和重建提供理论依据。[方法]以内蒙古达拉特旗典型砒砂岩区不同林龄沙棘林为研究对象,利用灰色度关联分析法,对沟坡阳坡1～7 a沙棘林0—40 cm土层土壤物理性质(土壤含水量、土壤容重、土壤总孔隙度、土壤比重、土壤毛管孔隙度、土壤非毛管孔隙度、土壤饱和持水量、土壤最大毛管持水量)进行测定,并以周边荒坡作为对照(CK),对不同林龄沙棘林对砒砂岩土壤的改土效应进行分析。[结果]土壤含水量、土壤总孔隙度随沙棘林龄增加而增大,随土壤深度增加而减少,土壤容重与之相反;不同林龄沙棘能增强土壤持水能力,并且4～7 a沙棘持水能力大于1～3 a沙棘持水能力。[结论]在砒砂岩区营建人工沙棘林有利于土壤改良,不同林龄沙棘对土壤改良作用主要作用于0—10 cm和10—20 cm土层。     

干湿循环下崩岗土体裂隙发育对其渗透性能的影响

渗透是崩壁降雨重分布的关键且直接影响其重力侵蚀过程。试验设计6次干湿循环,通过进行崩壁4层土壤的饱和渗透试验并结合数字图像处理技术,研究了干湿循环效应下崩壁4层土的裂隙演化规律及其对各层土饱和渗透性能的影响。结果表明:(1)随干湿循环次数的增加,表土层和红土层裂隙发育明显,裂隙率逐渐增加后趋于稳定,过渡层和砂土层几乎没有产生裂隙;表土层在第3次循环后裂隙几乎发育完全,裂隙率达到3.50%,形态纤细且破碎,而红土层在第1次循环后裂隙骨架基本定型,随着干湿循环的进行,裂隙宽度不断增大至一定程度时不再发生变化;(2)4层土壤渗透系数大小为砂土层>过渡层>红土层>表土层,表土层和红土层渗透系数随干湿循环的进行逐渐增加后趋于稳定,过渡层一直比较稳定,砂土层逐渐减小后趋于稳定;(3)土壤裂隙率与渗透系数之间存在二次函数关系,裂隙发育对土壤渗透性能的影响先增大后减小。研究结果可为降雨入渗-重分布下崩壁失稳机理研究提供科学依据。     

不同干湿条件下中等膨胀土裂隙发展及作用机理分析

为深入研究膨胀土在干湿循环作用下的裂隙发展规律，该研究以宿连航道工程中富含的中等膨胀土为研究对象，按照不同温度、干燥方式、干湿范围进行干湿循环试验，基于图像处理技术并结合SEM扫描电镜微观形貌，定量分析了膨胀土裂隙发展的温度与干湿效应。结果表明：裂隙发展受温度影响显著，从自然风干条件到烘箱干燥50 ℃，随着温度增加，裂隙指标逐渐增长；高温条件下裂隙的发育模式为先增长后拓宽，裂隙长度更早趋于稳定，而裂隙平均宽度仍会继续增长，并在含水率低于15%后出现0.08～0.17 mm的下降趋势；干湿循环是土体内部结构逐渐劣化，微观损伤不断累积的过程。虽然干湿前期试样的裂隙平均宽度受体缩效应影响，随干湿范围扩大出现部分下降趋势，而裂隙长度彼此接近，但随着干湿次数增加，裂隙指标极大值对应的干湿范围将逐渐由22%～33%向9%～33%转移；各温度、干湿范围作用下，试样裂隙指标的增加主要集中在前5次干湿循环，裂隙率、裂隙长度与平均宽度相较于未经过干湿循环的土体，分别增加了2.63%～11.56%，210.32 mm～445.34 mm，0.39 mm～0.83 mm；单位宽度分形维数相较于整体分形维数简化了干湿范围对于整体裂隙发育的影响，高温及大的干湿范围作用下的试样干湿后期形成的裂隙几何形态与网络分布更加复杂繁琐。研究成果基于非饱和土土力学相关理论，分析了中等膨胀土在不同干湿循环条件下裂隙发展的潜在机理，可为极端天气条件下膨胀土胀缩裂隙研究与地质灾害预防提供参考依据。     

有机质浸染砂水泥土的力学特性及本构关系

为研究海南省海湾地区分布的有机质浸染砂水泥土的力学特性,该文首先对有机质浸染砂水泥土和标准砂水泥土进行无侧限抗压强度对比试验(采用配合比均为熟石灰掺入比7.5%、水泥掺入比20%、水灰比0.45),定量分析养护龄期对其无侧限抗压强度及试样破坏形式的影响。然后对有机质浸染砂水泥土进行单轴抗压试验,获得了水泥土材料的应力-应变全过程曲线、刚度变化规律以及改进邓肯-张本构模型。结果表明:1)有机质浸染砂水泥土试样的破坏类型为塑性剪切破坏和脆性剪切破坏;2)有机质浸染砂水泥土抗压强度随着养护龄期的增加基本呈指数形式增长,但在养护龄期14 d后,增长速度逐渐降低并趋于稳定;3)随着养护龄期增长,水泥土刚度增加。在加载初期,水泥土切线模量随着轴向应变增加而增大,呈现刚度硬化现象;4)基于单轴抗压试验得到应力-应变全过程曲线,可分为2个阶段:塑性阶段、软化阶段;5)通过对应力-应变全曲线的描述,得到了修正的邓肯-张模型,确定模型参数后,与实测数据对比发现,该修正模型可以模拟有机质浸染砂水泥土的应力-应变关系。     

W-OH材料对砒砂岩坡面土壤剥蚀率和微结构的影响

砒砂岩区是我国水土流失问题最严重的区域之一。为研究砒砂岩坡面土壤剥蚀率的影响因素及W-OH材料对其的改良效果,以内蒙古自治区准格尔旗地区砒砂岩为研究对象,采用模拟冲刷试验方法研究了冲刷流量(2,3,4 L/min)、坡度(5°,7.5°,10°)以及W-OH喷洒浓度(1%,2%,3%)对砒砂岩坡面土壤剥蚀率和微结构的影响。结果表明:(1)砒砂岩坡面剥蚀率沿坡面方向逐渐减小,且随着冲刷流量和坡度的增大而增大;(2)在流量、坡度固定条件下,随着W-OH溶液浓度的提高,砒砂岩坡面土壤剥蚀率改善效果越明显,坡面的抗蚀性能提升越高,当浓度超过2%时,对坡面固结效果较为明显;(3)SEM试验结果说明W-OH溶液可以对砒砂岩颗粒进行有效地包裹,从而防止水分侵蚀,提高坡面抗蚀性,这与溶液浓度和喷洒量关系密切,也与坡度和冲刷流量有一定相关性。研究结果将对W-OH用于砒砂岩坡面治理提供一定的理论支撑。     

水泥固化锌污染红粘土强度与微观孔隙特征

污染场地开挖置换后的污染土经过固化处理（S/S法）,可作为浅层地基或护岸等非敏感区域的建筑材料,进行污染土的二次利用。针对该项技术,将一定量硝酸锌溶液与风干后红粘土混合,掺入适量水泥,并搅拌均匀、压实成型,标准养护7 d和28 d后依次进行无侧限抗压实验、压汞实验和含水率、体积等指标的测定,研究不同锌离子浓度、水泥掺量和养护龄期对锌污染红粘土水泥固化产物强度、微观孔隙和含水率等的影响。实验结果表明：水泥掺量在10%以内,锌离子浓度小于5000 mg·kg-1,固化物强度随龄期增长而增加;锌离子浓度大于5000 mg·kg-1,强度随龄期增长而先增加后减小。水泥掺量6%和8%时,固化物强度与锌离子浓度呈负相关;而水泥掺量10%时,锌离子浓度对强度的影响存在阈值,且阈值在1000 mg·kg-1附近。与不含锌离子的28 d固化物相比,锌离子浓度小于1000 mg·kg-1时,固化产物孔径小于10 nm的孔隙增加,孔径大于10μm的孔隙减少,强度提高;锌离子浓度在大于1000 mg·kg-1时,严重阻碍C-S-H凝胶物的生成,10μm以上的孔隙和总孔隙率均显著增加,并且生成大量孔径为0.1~10μm的无定型物,同时使红粘土出现亲水性,养护过程中吸收水分且体积增加,强度则大幅度降低。     

密度和含水率对固化土无侧限抗压强度的影响

 为给修建土壤固化剂集流面的施工工艺提供科学依据,采用正交设计方法,对密度和含水率影响固化土强度的规律性进行试验研究。试验分析结果表明:密度对固化土强度的影响大于含水率;随着密度的增大,固化土的强度呈直线上升;在同一密度下含水率在最优含水率的80%±5%范围内时,固化土的强度达到最大。在实际施工过程中,建议尽可能的增加固化土的密度,压实度控制至少超过0.94;混合料的含水率控制在最优含水率的80%～90%之间。     

砒砂岩区生态恢复的新途径——一种环境友好型抗蚀促生技术

[目的]对砒砂岩侵蚀岩性机理、抗蚀促生机理与技术,以及应用效果进行系统分析,并提出需要进一步研究的科学问题与关键技术,为砒砂岩区生态综合治理提供科技支撑。[方法]通过揭示砒砂岩侵蚀岩性机理,利用聚合改性方法,研发了用于砒砂岩区生态恢复的抗蚀促生新材料,进行了示范应用,并对需要进一步研究的科学问题与关键技术进行讨论。[结果]砒砂岩部分化学成分性质活跃、岩石结构不稳定及部分岩石成分遇水膨胀导致孔隙关闭为易蚀的机理所在;通过包裹—聚合改性,研发的抗蚀促生材料可以在砒砂岩表面通过物理化学作用,形成了具有包裹层的单体改性颗粒,起到了疏水保水及防胀作用,并具有促进植物生长的功能;抗蚀促生材料有着良好的力学性能和耐紫外线降解、耐风蚀抗冻融、耐水解等性能,且对土壤、水质不会形成污染。[结论]根据野外试验观测,应用抗蚀促生技术可以使全坡面径流试验区的产流量产沙量分别减少70%和90%以上,示范小流域的植被覆盖度由25%提高到75%以上,实现了抗蚀促生功能一体化,为砒砂岩区水土流失治理和生态恢复提供了新途径。     

固化剂对土壤中重金属的稳定作用及其在河岸固化护坡中的应用研究

为评估一种自主开发的固化剂（GSS-02）对土壤中重金属的稳定作用,探讨该固化剂用于河岸固化护坡工程的可行性,在实验室内分别采用普通硅酸盐水泥（OPC）和GSS-02对土壤实施固化处理,用USEPA的TCLP方法测定浸出毒性,评估添加剂对土壤Cu、Zn、Cr和Ni的稳定效果,测定固化体的无侧限抗压强度,初步评估土壤固化体的物理性能。结果表明,加入OPC或GSS-02在一定程度上提高了土壤浸出液的pH值,固化剂添加量与浸出液pH值存在显著的正相关关系;OPC和GSS-02对Cu、Zn和M有较好的稳定作用,能使浸出液中重金属浓度降低为对照样品的1／3～1,7,但能够活化Cr;加入OPC或GSS-02能提高固化体的无侧限抗压强度,与OPC相比,低剂量时GSS-02能显著提高无侧限抗压强度,而高剂量时则相反,这有利于土壤生物工程的实施。上海市南汇区某河岸固化工程应用表明,GSS-02能满足土壤重金属稳定和土壤生物生长恢复的需要,与OPC相比是一种良好的生态型固化剂。     

添加砾石对崩岗岩土无侧限抗压强度的影响

崩岗是中国南方红壤地区常见的一种土壤侵蚀类型，该研究借鉴砾石影响降雨入渗、产流产沙和力学性质的研究成果，对砾石质量分数、形状和直径三因素进行正交设计，研究不同组合砾石对崩岗岩土无侧限抗压强度的影响。崩岗4层土体较好的处理分别为：淋溶层A：A3B1C1，质量分数15%，直径2～4 mm，圆砾；黏化层Bt：A3B2C1，质量分数15%，直径5～7 mm，圆砾；淀积层B：A3B2C1，质量分数15%，直径5～7 mm，圆砾；母质层C：A3B2C1，质量分数15%，直径5～7 mm，圆砾。4层土体的轴向应力随轴向应变均呈急剧上升、急剧下降、减速衰减和衰减稳定4个阶段，但砾石复合土高于未加砾石土。4层土体在较好处理下的无侧限抗压强度分别比未加砾石土提高59.56%、71.70%、49.51%和83.64%，且二者呈线性递增函数关系（R2＝0.99），添加砾石的土柱在受压时破坏程度较小。本研究将为崩岗侵蚀预防和分层治理提供一定的理论依据。     

不同固体微生物菌剂对砒砂岩土壤性质和紫花苜蓿生长的影响

为研制改良砒砂岩土壤、强化植物生长的微生物菌剂,该研究以嗜盐芽孢杆菌Bacillus halotolerans P75、苜蓿中华根瘤菌Sinorhizobium meliloti D10、巨大芽孢杆菌Bacillus megaterium H3和枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis HB01为原料,利用生物基材吸附混合,制备4种单一固体微生物菌剂和多种复合固体微生物菌剂。通过分析pH值、有机质含量、有效氮磷钾含量、酶活性和细菌数量等指标来研究添加微生物菌剂对砒砂岩土壤性质和紫花苜蓿幼苗生长的影响。结果表明,与不添加微生物菌剂的对照组相比,微生物菌剂能够使砒砂岩土壤pH值降到中性附近,促使土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量显著增加,提高了土壤蔗糖酶和脲酶活性,增加了土壤细菌数量,同时促进了紫花苜蓿幼苗生长,其中以含菌株P75、D10和H3以及含菌株P75、D10、H3和HB01的复合菌剂的效果最佳。该试验研究可以为微生物菌剂在砒砂岩区土壤改良和植被恢复方面的应用提供试验基础和参考。     

复合侵蚀作用下砒砂岩坡面产流产沙过程试验

通过模拟室内风力、水力、冻融条件,进行单一水蚀、冻融+水蚀、冻融+风蚀+水蚀3种营力组合试验,揭示了复合侵蚀条件下的砒砂岩产流产沙变化规律。结果表明:(1)相同降雨条件下,冻融+水蚀、冻融+风蚀+水蚀试验的径流量均为水蚀试验的1.2倍,产沙量分别为水蚀试验的2.4,2.8倍。冻融能够增大砒砂岩产流产沙量,风蚀对增加侵蚀产沙量的作用较小。(2)砒砂岩产流产沙过程的峰值及变幅随营力种类的增多而增大,单一水蚀的产流产沙过程相较于复合营力作用下的水沙过程具有显著的坦化特征。(3)复合侵蚀作用使初始入渗率增加,随着降雨的进行对入渗的影响逐渐减小。营力作用的增加使初始含水率更大,后期更小。(4)砒砂岩的累计产流量与累计产沙量呈幂函数关系。冻融作用对水沙关系的影响较大,风力作用的影响较小。此试验表明,复合侵蚀营力作用的增多会加剧砒砂岩坡面的侵蚀过程,从而使侵蚀产沙量增大。