秸稈排水板室內降解試驗及現場應用

袁 威 鄧永鋒 陳小兵 蘇銀強 李建東 楊 倩

(1東南大學交通學院, 南京 211189)

(2珠海鶴港高速公路有限公司, 珠海 519000)

“十四五”規劃指出國家將繼續加大對基礎設施的投資,這給軟土工程的發展帶來了新機遇.越來越多的房屋建筑、高速公路、鐵路、機場、市政設施等大型工程項目將會建在軟土地基上[1-3],因而對真空預壓工程的發展提出了更高標準.在真空預壓加固工程中,排水板被插入到軟土地基中,在真空壓力作用下地基土中水沿排水板流出,加速土體的固結[4-5].我國生產的排水板多是復合型塑料排水板,內芯板由布滿排水通道的聚乙烯或聚丙烯塑料骨架組成;外部濾膜通常由細密的熱熔型無紡土工布構成.此種復合型塑料排水板在預壓階段可滿足工程需要,但在預壓期結束之后,存在于土體內的排水板會繼續保持土體的排水通道,導致工后沉降速率過快;并且施工結束后,巨量的塑料排水板被遺留在加固地基內,容易造成環境污染[6-7].因此,在真空-堆載預壓工程中,考慮除塑料排水板之外的可降解排水板是滿足地基加固效果和環境保護的最佳選擇.

自Lee等[8]首次在堆載預壓工程中引入天然材料預制排水體以來,國內外眾多學者針對排水板的降解特性以及固結特性進行了大量的研究,特別是在南亞和東南亞地區,許多現場試驗表明天然材料參與制作的排水系統具有良好的工程特性、滲透性以及抗變形性[9-10].Miura等[11]研究表明埋在Ariake黏土中的黃麻纖維排水管嚴重退化,僅126 d后,排水管就失去了78%的抗拉強度.Nguyen等[12]對黃麻和椰殼制成的可降解排水板進行了實驗室固結試驗,結果顯示天然土工織物材料加固高含水率軟土有良好的效果.Chao等[13]使用麥秸稈輥作為豎向排水體,進行了真空預壓排水試驗,通過對試驗中沉降量、出水量和孔隙壓力的分析,發現麥秸稈輥有良好的排水效果.然而,秸稈排水體在真空和堆載預壓條件下,排水體孔隙被壓縮,透水性能快速降低,后期加固效果不好.Liu等[14]用稻草秸稈制成秸稈草繩,對草繩物理力學性能和降解性能進行了研究,得到秸稈的滲透系數滿足排水需求,且滲透系數與秸稈密度、豎向應力呈對數關系,均隨其值的增大而減小,具有良好的適用性.

然而,這些天然纖維排水體主要是使用黃麻、椰殼、秸稈等天然纖維通過編織制成,利用天然纖維間的孔隙排水,通水量遠遠小于塑料排水板,有必要將其進行改進為通水量更大的天然纖維排水體.此外,目前的研究大多是基于惰性土壤環境,該環境下排水板的工程特性損失較小,因生物降解特性所引發的工程特性影響沒有得到重視.但在含有纖維素降解微生物的土壤環境下,植物纖維材料的腐爛非常嚴重,迫切需要評估這些排水體的耐久性.現有的對于可降解排水板的研究,主要對比了不同形式可降解材料的通水性能、抗拉強度、淤堵等特性[15-16],但是對可降解排水板的芯材選取、降解性能、排水性能、地基固結影響等方面仍不明確.

本文采用新型秸稈排水板進行實驗室降解試驗,將不同降解時間的秸稈排水板進行通水量、抗拉強度測試,同時對土中微生物進行測序,探究秸稈排水板微生物降解的機理.將秸稈排水板代替塑料排水板進行現場真空預壓試驗,詳細介紹了試驗區的現場條件、試驗方案及監測內容,對工程施工過程中深層土體的側向位移和沉降以及孔隙水壓力的變化進行了監測和分析,驗證了秸稈排水板用于工程實踐的可行性.

1 室內降解試驗

秸稈排水板由可降解芯板和包裹在芯板外圍的透水無紡布組成,排水通道設置在芯板內[17].可降解芯板是排水板的骨架和排水通道,其斷面呈并聯丁字形.生產工藝與塑料排水板相似.可降解芯板是由農業廢棄物如稻草、玉米秸稈、小麥秸稈等,經過物理改性、化學改性以及偶聯改性進行預處理,經粉碎、剪切、擠出,并在高溫高壓環境中與基礎樹脂熱熔形成的排水板材料,是排水板的骨架和排水通道.生產的秸稈排水板為棕黃色,外觀上與塑料排水板相比沒有區別,如圖1所示.將生產的秸稈排水板進行抗拉強度和通水量測試,具體性能要求如表1所示.滿足普通塑料排水板的性能要求,可用于工程運用.

(a) 橫截面

(b) 側面

表1 排水板材料性能要求

本文采取原地取樣,室內掩埋排水板.土樣取自珠海市鶴港高速公路項目現場,取樣深度6 m,土樣較為均勻,為灰黑色淤泥,含少量貝殼和云母類物質,屬于濱海相沉積軟土.分別采用秸稈排水板C型和塑料排水板C型進行降解試驗.C型排水板的寬度和厚度分別為100和40 mm.試驗在昏暗的房間內進行,室內溫度相對濕度隨時間保持恒定在22 ℃和88%,并且在每個樣品中都是相同的.將長度1 m的排水板插入土中,經過一段時間(5、10、15、30、60、90、120、150、180、210、240 d),樣品被移除,然后進行拉伸、失重率以及排水性能測試,以確定排水板的降解程度.排水性能的測試分別施加圍壓50、175、350 kPa,對不同圍壓所代表的土體深度進行排水性能測試.試樣分為秸稈排水板和塑料排水板2組試驗同步進行.

試驗按照《土工合成材料測試規程》[18]對秸稈排水板和塑料排水板進行縱向通水量測試.將排水板外包裹乳膠膜,分別依次施加50、175、350 kPa的圍壓,水力梯度取0.5, 試件長度均為40 cm.圖2為通水量測試儀.測試在穩定的側壓力和水力梯度下滲流 1 h后進行,每小時測試 1 次,直到前后兩次通水量差小于前次通水量的 5%為止,以最后一次測試結果作為最終的通水量.通水量可按下式計算:

圖2 通水量測試儀

式中,q為通水量,cm3/s;Q為測量時間內水流量,cm3;l為塑料排水板有效長度,cm;t為測試時間,s;Δh為水頭差,cm;ηr/η20為水動力黏滯系數比,根據試驗時的水溫確定.進行復合體干態下拉伸試驗來測試排水板的抗拉強度,試樣長度100 mm,采用應變控制試驗機分別對2種排水板進行測試.如圖3所示,拉伸速率25 mm/min.當排水板延伸率小于4%時,抗拉強度和延伸率指標應判為不合格;當延伸率在 4%～10%時,測試值應取斷裂時的峰值強度;當延伸率大于10%時,測試值應取延伸率為10%時所對應的強度.通過Illumina PE 250測序實驗對土壤中微生物的DNA進行了測序.首先,通過質量分數為1%的瓊脂糖凝膠電泳從土壤中提取微生物.然后,對提取的溶液進行聚合酶鏈式反應(PCR)技術,以進行鑒定和擴增.最后,使用Quanti Fluor-ST藍色熒光定量系統(Promega)對PCR產物進行定量,收集熒光信號并計數以獲得DNA片段.

圖3 應變控制試驗機

2 試驗結果

2.1 通水量

圖4為2種排水板在不同圍壓(75、150、350 kPa)下的通水量隨時間的變化.由圖可知,秸稈排水板的通水量要小于傳統的塑料排水板,2種排水板的通水量均隨圍壓的增加而降低,原因是在圍壓的作用下,排水板內部排水通道受到擠壓,導致通水量降低,此時排水板的生物降解效果還不明顯.在降解試驗開始前(t=0), 傳統的塑料排水板通水量隨著圍壓的增大而顯著降低,通水量從157 cm3/s降低到89 cm3/s,然而秸稈排水板受圍壓的影響較小,通水量減少20 cm3/s,但都滿足《水運工程塑料排水板應用技術規程》[19]中C型板通水量大于40 cm3/s 的要求.試驗中75、150、350 kPa分別模擬了大約在3、9、18 m處排水板的通水能力,塑料排水板的通水量受圍壓影響較大,所以深度越深,排水能力越差.

圖4 2種排水板在不同圍壓下的通水量隨時間的變化

秸稈排水板在土中會被微生物降解,必然會影響秸稈排水板的通水能力.圖4還表明2種排水板的通水量均隨時間的增加而降低,在0～240 d內,塑料排水板的通水量隨時間略微減小.然而,秸稈排水板的通水量隨時間退化分為3個階段.第1階段(0～30 d),在圍壓作用下,排水板的排水通道受到擠壓而導致通水量顯著降低,此時受到微生物的影響還比較小;第2階段(30～180 d),此階段通水量基本保持不變,略有降低;第3階段(180 d后),通水量隨時間有明顯加快的趨勢.在圍壓為150和350 kPa時尤為明顯,這正滿足了秸稈排水板的設計要求,即在施工前期秸稈排水板要有良好的排水性能,保證排水通道暢通,使地基土中水快速排出.隨著施工時間的推進,排水板被逐漸降解,在施工后期,芯板被快速降解,排水能力喪失,相比塑料排水板能有效地減小地基的工后沉降速率,同時能減少對環境的污染.

2.2 抗拉強度

圖5顯示了秸稈排水板和塑料排水板的抗拉強度隨時間的變化.由圖可見,塑料排水板的抗拉強度要高于秸稈排水板.在0～60 d內,塑料排水板的抗拉強度隨時間逐漸減小,60 d以后抗拉強度基本不變.秸稈排水板在0～60 d內抗拉強度變化趨勢基本和塑料排水板一致,60 d后抗拉強度的退化開始加快,尤其是在180 d后,抗拉強度的退化更加顯著,180～240 d內秸稈排水板的強度損失了13.6%.分析其原因主要是排水板在受到拉力后,拉力主要由板芯和濾膜承擔,隨著降解時間的推移,秸稈排水板和塑料排水板的濾膜受到溫度和濕度的影響,還有土中微生物、化學物質的侵蝕,強度逐漸損失,這將導致芯材與土體接觸,加速可降解排水板芯材的降解,隨著時間的增加,秸稈排水板的芯材和濾膜抗拉強度同時降低.而對于塑料排水板,其一般用聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯等制成,其性質穩定,不容易被降解,降解后期抗拉強度基本保持不變.

圖5 2種排水板的抗拉強度隨時間的變化

2.3 微生物群落分析

農作物秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質素組成,分別占秸稈質量的40%～50%、20%～30%、10%～25%,三者共占秸稈質量的80%以上[20].當秸稈排水板插入土壤中時,微生物產生的酶將大的纖維素聚合物降解為小分子化合物,最終降解為CO2和H2O[21-22].環境中存在超過200種木質纖維素降解微生物,主要由細菌和真菌組成.將取自地下2、6、12、20 m處的土樣進行土壤微生物分析.DNA測序顯示,從土壤樣品中共獲得491 856條16s DNA序列,包含18個門、24個目、51個科、81個屬.其中厚壁菌門(Firmicutes)為主要門類,約占42%～60%,擬桿菌門(Bacteroidota)為次要門類,約占34%～50%.這與Sun等[23]的研究結果一致,即擬桿菌門(Bacteroidota)和厚壁菌門(Firmicutes)是自然環境中的優勢門類.擬桿菌門(Bacteroidota)和厚壁菌門(Firmicutes)的豐度在沿著土樣深度范圍略有波動,因此該場地土體環境中細菌水平能保持空間上的穩定.對土壤樣品中微生物降解的研究主要集中在生物屬的層面,進一步分析可以得到具體的細菌種類.對原位細菌群落的分析表明Prevotella、Rikenella和Ruminococcus的相對豐度很高.Prevotella可以發酵酶和基因簇來降解淀粉、蛋白質、纖維素和半纖維素.Ruminococcus是主要的纖維降解細菌,是細菌群落中最豐富的.這些厭氧細菌可以發酵碳源,分解纖維狀物質,并將植物纖維轉化為揮發性脂肪酸.因此,秸稈排水板可以在珠海海洋軟土中被降解.

3 現場試驗

3.1 工程背景

珠海市鶴洲至高欄港高速公路二期工程,起訖里程為K31+736.76—K36+816.411, 線路長5.08 km.沿線地處沿海沖積平原區,地勢平坦開闊,全線地質構造被第四系地表覆蓋,表層覆0～3 m的人工填土,下部為海陸交互相沉積的淤泥、淤泥質土、粉質黏土等,厚30～60 m不等,各層土的物理力學性質如表2所示.區域水系發達,干流水道與支流河溝縱橫交織,排泄、灌溉溝渠四通八達,形成典型的濱海平原水網區域,地表以果園、養殖塘為主.為了驗證秸稈排水板的工程性能,將秸稈排水板用于珠海市鶴洲至高欄港高速公路二期工程進行現場試驗,軟基路段主線K34+030—K34+130采用秸稈排水板真空-堆載聯合預壓處理方案,總處理長度100 m,面積5 230 m2.其余軟基路段采用塑料排水板,平面如圖6所示.為進行對比分析,軟基路段主線K34+130—K34+230采用塑料排水板真空-堆載聯合預壓處理方案,試驗過程中對地基沉降和孔隙水壓力進行監測,并對2種排水板的加固效果進行對比.

表2 土的物理力學性質指標

圖6 現場平面圖

排水板按正方形布置,間距1 m, 插打深度24 m.將沉降板安裝在路基中心以測量地表沉降.孔壓儀分別安裝在地下8、16、24 m來監測不同深度的地基孔隙水壓力.真空載荷和堆載高度隨時間的變化如圖7所示.通過真空泵施加85 kPa的真空壓力.這種情況下,密封膜中的真空壓力可以在5 d內達到85 kPa,將85 kPa真空壓力持續330 d.然后,分階段卸載真空壓力:330～340 d先降至60 kPa,350～353 d降至20 kPa,363 d降至0.此外,路堤堆載是在真空預壓109 d后施加的.為了確保預壓過程中的邊坡安全,填筑施工分為3個階段,如圖7所示.第1次填筑高度為1.28 m,填筑時間為3 d,地基加固時間為11 d.第2階段包括3層填筑,填筑高度分別為0.6、0.6、0.4 m.第3階段的填筑高度為1.8 m,填筑時間為6 d,最終填土高度約為4.8 m.填土容重為14.9 kN/m3,因此總堆載約為70 kPa.

圖7 真空預壓-堆載曲線

3.2 監測結果

3.2.1 沉降

天然地基在真空壓力與堆載的作用下,由豎向排水體與砂墊層傳遞真空壓力,使豎向排水體中的真空度迅速提高,并向土中傳遞.自真空開始加載,孔隙水排出,地表沉降在真空作用下發展,并在堆載之后地表沉降迅速增加,沉降曲線較陡,沉降速率較大;到施工后期,地表沉降速率逐漸減緩,地表沉降趨于穩定.秸稈排水板與塑料排水板真空預壓試驗段的沉降變化如圖8所示.圖8(a)表明用秸稈排水板和塑料排水板處理的地基平均總沉降量分別為 3.737和3.931 m, 塑料排水板真空預壓區比秸稈排水板真空預壓區的總沉降量大4.94%, 相差不大.圖8(b)為2種排水板區的沉降速率.從圖中可以看出,在初始階段,采用塑料排水板處理的地基沉降速率比秸稈排水板快,只是由于塑料排水板有更大的初始通水量.在后期,2種排水板處理的地基沉降速率基本相等.因此,秸稈排水板處理軟土地基與塑料排水板相比具有大致相同的效果.

(a) 地表沉降

3.2.2 孔隙水壓力

圖9顯示了秸稈排水板和塑料排水板真空堆載預壓加固地基的孔隙水壓力隨時間的變化.秸稈排水板區和塑料排水板區之間的孔隙水壓力變化沒有顯著差異.起初孔隙水壓力相等,并隨著真空壓力的施加而逐漸降低.然而,孔隙水壓力有2個顯著的上升過程,其原因是在109和198 d路堤填土導致的超孔隙水壓力.堆載完成后,超孔隙水壓力隨時間逐漸消散,最終趨向0,此時由于真空泵并未停止工作,所以地基中孔隙水壓力逐漸變為負值.此外,從圖中還可看出,在施加真空壓力后塑料排水板的超孔隙水壓力消散速率稍微快于秸稈排水板.對比分析地表沉降和孔隙水壓力的變化可得,秸稈排水板用于真空堆載預壓處理軟土地基的效果與塑料排水板大致相同,可替代塑料排水板在工程中使用.

4 經濟性分析

我國作為農業生產大國,每年產生大約8億t農業秸稈廢棄物,處理需求極大.大量秸稈被拋棄于田頭和露天焚燒,我國每年廢棄焚燒的秸稈總量高達約 2.15億t.秸稈焚燒引起的環境污染和社會安全問題日益突出,秸稈焚燒導致了大范圍的霧霾.推進秸稈的綜合利用,實現秸稈資源化、商品化,緩解秸稈焚燒引起的系列問題,已成為資源節約以及環境保護的重中之重.將秸稈作為材料來生產土工排水板是一種實現秸稈資源化利用的良好方法.上述研究已表明,秸稈排水板的生產工藝與塑料排水板并無區別,只是原材料有所不同.根據調查,市場上常用的塑料排水板主要是SPB-A、SPB-B、SPB-C、SPB-D型,價格大約1.25元/m.秸稈排水板的成本約為1元/m,便宜大約0.25元/m,因此秸稈排水板的使用不僅可以節約成本,還能節約資源,保護環境,滿足低碳、綠色、節能、環保的建設理念需求.

5 結論

1) 秸稈排水板的通水量要小于傳統的塑料排水板,2種排水板的通水量均隨圍壓的增加而降低,2種排水板的通水量和抗拉強度均隨時間的增加而降低,都滿足規范要求.

2) 珠海海相軟土中富含纖維素降解菌,其中厚壁菌門(Firmicutes)為主要門類,約占42%～60%,擬桿菌門(Bacteroidota)為次要門類,約占34%～50%,它們的豐度在沿著土樣深度范圍略有波動.這些細菌可以發酵碳源,分解纖維狀物質,珠海海相軟土為秸稈排水板的降解退化提供了條件.

3) 塑料排水板真空預壓區比秸稈排水板真空預壓區的總沉降量大4.94 %.在初始階段,采用塑料排水板處理的地基沉降速率比秸稈排水板快,在后期,2種排水板處理的地基沉降速率基本相等.塑料排水板的超孔隙水壓力消散速率稍微快于秸稈排水板.

4) 秸稈排水板的生產工藝與塑料排水板并無區別,只是原材料有所不同.常用的塑料排水板的成本比秸稈排水板便宜大約0.25元/m,與塑料排水板相比,秸稈排水板有著相當的性能和更優的性價比.