秸秆排水板室内降解试验及现场应用.pdf

第 卷第 期 年 月东 南 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().:./.秸秆排水板室内降解试验及现场应用袁 威邓永锋陈小兵苏银强李建东杨 倩(东南大学交通学院 南京)(珠海鹤港高速公路有限公司 珠海)摘要:为了探究秸秆排水板在软土地基处理中使用的可行性分别对秸秆排水板和塑料排水板进行了室内降解试验、现场试验和经济性分析对 种排水板进行了纵向通水量测试、抗拉强度测试、细菌种群测序、现场地基沉降和孔隙水压力监测.试验结果表明:秸秆排水板的通水量小于传统的塑料排水板 种排水板的通水量均随围压和时间的增加而降低但都满足规范要求珠海海相软土中富含、和 等细菌这些细菌是主要的纤维降解细菌为秸秆排水板的降解提供了有利环境秸秆排水板与塑料排水板真空预压现场试验中具有大致相同的加固效果但成本低于塑料排水板.因此秸秆排水板不仅具有良好的工程性能还可以节约成本保护环境满足低碳、绿色、节能、环保的建设理念需求.关键词:可降解排水板真空预压地基处理沉降中图分类号:文献标志码:文章编号:()()(.):.“”.:收稿日期:.作者简介:袁威()男博士生邓永锋(联系人)男博士教授博士生导师.基金项目:国家自然科学基金资助项目().引用本文:袁威邓永锋陈小兵等.秸秆排水板室内降解试验及现场应用.东南大学学报(自然科学版)():.:./.“十四五”规划指出国家将继续加大对基础设施的投资这给软土工程的发展带来了新机遇.越来越多的房屋建筑、高速公路、铁路、机场、市政设施等大型工程项目将会建在软土地基上 因而对真空预压工程的发展提出了更高标准.在真空预压加固工程中排水板被插入到软土地基中在真:/.空压力作用下地基土中水沿排水板流出加速土体的固结.我国生产的排水板多是复合型塑料排水板内芯板由布满排水通道的聚乙烯或聚丙烯塑料骨架组成外部滤膜通常由细密的热熔型无纺土工布构成.此种复合型塑料排水板在预压阶段可满足工程需要但在预压期结束之后存在于土体内的排水板会继续保持土体的排水通道导致工后沉降速率过快并且施工结束后巨量的塑料排水板被遗留在加固地基内容易造成环境污染.因此在真空 堆载预压工程中考虑除塑料排水板之外的可降解排水板是满足地基加固效果和环境保护的最佳选择.自 等首次在堆载预压工程中引入天然材料预制排水体以来国内外众多学者针对排水板的降解特性以及固结特性进行了大量的研究特别是在南亚和东南亚地区许多现场试验表明天然材料参与制作的排水系统具有良好的工程特性、渗透性以及抗变形性.等研究表明埋在 黏土中的黄麻纤维排水管严重退化仅 后排水管就失去了 的抗拉强度.等对黄麻和椰壳制成的可降解排水板进行了实验室固结试验结果显示天然土工织物材料加固高含水率软土有良好的效果.等使用麦秸秆辊作为竖向排水体进行了真空预压排水试验通过对试验中沉降量、出水量和孔隙压力的分析发现麦秸秆辊有良好的排水效果.然而秸秆排水体在真空和堆载预压条件下排水体孔隙被压缩透水性能快速降低后期加固效果不好.等用稻草秸秆制成秸秆草绳对草绳物理力学性能和降解性能进行了研究得到秸秆的渗透系数满足排水需求且渗透系数与秸秆密度、竖向应力呈对数关系均随其值的增大而减小具有良好的适用性.然而这些天然纤维排水体主要是使用黄麻、椰壳、秸秆等天然纤维通过编织制成利用天然纤维间的孔隙排水通水量远远小于塑料排水板有必要将其进行改进为通水量更大的天然纤维排水体.此外目前的研究大多是基于惰性土壤环境该环境下排水板的工程特性损失较小因生物降解特性所引发的工程特性影响没有得到重视.但在含有纤维素降解微生物的土壤环境下植物纤维材料的腐烂非常严重迫切需要评估这些排水体的耐久性.现有的对于可降解排水板的研究主要对比了不同形式可降解材料的通水性能、抗拉强度、淤堵等特性 但是对可降解排水板的芯材选取、降解性能、排水性能、地基固结影响等方面仍不明确.本文采用新型秸秆排水板进行实验室降解试验将不同降解时间的秸秆排水板进行通水量、抗拉强度测试同时对土中微生物进行测序探究秸秆排水板微生物降解的机理.将秸秆排水板代替塑料排水板进行现场真空预压试验详细介绍了试验区的现场条件、试验方案及监测内容对工程施工过程中深层土体的侧向位移和沉降以及孔隙水压力的变化进行了监测和分析验证了秸秆排水板用于工程实践的可行性.室内降解试验秸秆排水板由可降解芯板和包裹在芯板外围的透水无纺布组成排水通道设置在芯板内.可降解芯板是排水板的骨架和排水通道其断面呈并联丁字形.生产工艺与塑料排水板相似.可降解芯板是由农业废弃物如稻草、玉米秸秆、小麦秸秆等经过物理改性、化学改性以及偶联改性进行预处理经粉碎、剪切、挤出并在高温高压环境中与基础树脂热熔形成的排水板材料是排水板的骨架和排水通道.生产的秸秆排水板为棕黄色外观上与塑料排水板相比没有区别如图 所示.将生产的秸秆排水板进行抗拉强度和通水量测试具体性能要求如表 所示.满足普通塑料排水板的性能要求可用于工程运用.()横截面()侧面图 秸秆排水板第 期袁威等:秸秆排水板室内降解试验及现场应用:/.表 排水板材料性能要求参数秸秆排水板 型塑料排水板 型芯板秸秆纤维聚乙烯/聚丙烯滤布无纺土工布无纺土工布每米质量/排水板宽度 厚度/()排水通道长度 宽度/().滤布有效粒径/滤布渗透性/().抗拉强度/.初始通水量/().本文采取原地取样室内掩埋排水板.土样取自珠海市鹤港高速公路项目现场取样深度 土样较为均匀为灰黑色淤泥含少量贝壳和云母类物质属于滨海相沉积软土.分别采用秸秆排水板 型和塑料排水板 型进行降解试验.型排水板的宽度和厚度分别为 和 .试验在昏暗的房间内进行室内温度相对湿度随时间保持恒定在 和 并且在每个样品中都是相同的.将长度 的排水板插入土中经过一段时间(、)样品被移除然后进行拉伸、失重率以及排水性能测试以确定排水板的降解程度.排水性能的测试分别施加围压、对不同围压所代表的土体深度进行排水性能测试.试样分为秸秆排水板和塑料排水板 组试验同步进行.试验按照土工合成材料测试规程对秸秆排水板和塑料排水板进行纵向通水量测试.将排水板外包裹乳胶膜分别依次施加、的围压水力梯度取.试件长度均为 .图 为通水量测试仪.测试在稳定的侧压力和水力梯度下渗流 后进行每小时测试 次直到前后两次通水量差小于前次通水量的 为止以最后一次测试结果作为最终的通水量.通水量可按下式计算:式中 为通水量/为测量时间内水流量 为塑料排水板有效长度 为测试时间 为水头差/为水动力黏滞系数比根据试验时的水温确定.进行复合体干态下拉伸试验来测试排水板的抗拉强度试样长度 采用应变控制试验机分别对 种排水板进行测试.如图 所示拉伸速率 /.当排水板延伸率小于 时抗拉强度和延伸率指标应判为不合格当延伸率在 时测试值应取断裂时的峰值强度当延伸率大于 时测试值应取延伸率为时所对应的强度.通过 测序实验对土壤中微生物的 进行了测序.首先通过质量分数为 的琼脂糖凝胶电泳从土壤中提取微生物.然后对提取的溶液进行聚合酶链式反应()技术以进行鉴定和扩增.最后使用 蓝色荧光定量系统()对 产物进行定量收集荧光信号并计数以获得 片段.图 通水量测试仪图 应变控制试验机 试验结果.通水量图 为 种排水板在不同围压(、)下的通水量随时间的变化.由图可知秸秆排水板的通水量要小于传统的塑料排水板 种排水板的通水量均随围压的增加而降低原因是在围压的作用下排水板内部排水通道受到挤压导致通水量降低此时排水板的生物降解效果还不明显.在降解试验开始前()传统的塑料排水板通水量随着围压的增大而显著降低通水量从/降低到 /然而秸秆排水板受围压的东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.影响较小通水量减少 /但都满足水运工程塑料排水板应用技术规程中 型板通水量大于 /的要求.试验中、分别模拟了大约在、处排水板的通水能力塑料排水板的通水量受围压影响较大所以深度越深排水能力越差.图 种排水板在不同围压下的通水量随时间的变化秸秆排水板在土中会被微生物降解必然会影响秸秆排水板的通水能力.图 还表明 种排水板的通水量均随时间的增加而降低在 内塑料排水板的通水量随时间略微减小.然而秸秆排水板的通水量随时间退化分为 个阶段.第 阶段()在围压作用下排水板的排水通道受到挤压而导致通水量显著降低此时受到微生物的影响还比较小第 阶段()此阶段通水量基本保持不变略有降低第 阶段(后)通水量随时间有明显加快的趋势.在围压为 和 时尤为明显这正满足了秸秆排水板的设计要求即在施工前期秸秆排水板要有良好的排水性能保证排水通道畅通使地基土中水快速排出.随着施工时间的推进排水板被逐渐降解在施工后期芯板被快速降解排水能力丧失相比塑料排水板能有效地减小地基的工后沉降速率同时能减少对环境的污染.抗拉强度图 显示了秸秆排水板和塑料排水板的抗拉强度随时间的变化.由图可见塑料排水板的抗拉强度要高于秸秆排水板.在 内塑料排水板的抗拉强度随时间逐渐减小 以后抗拉强度基本不变.秸秆排水板在 内抗拉强度变化趋势基本和塑料排水板一致 后抗拉强度的退化开始加快尤其是在 后抗拉强度的退化更加显著 内秸秆排水板的强度损失了.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滤膜承担随着降解时间的推移秸秆排水板和塑料排水板的滤膜受到温度和湿度的影响还有土中微生物、化学物质的侵蚀强度逐渐损失这将导致芯材与土体接触加速可降解排水板芯材的降解随着时间的增加秸秆排水板的芯材和滤膜抗拉强度同时降低.而对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质稳定不容易被降解降解后期抗拉强度基本保持不变.图 种排水板的抗拉强度随时间的变化.微生物群落分析农作物秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素组成分别占秸秆质量的 、三者共占秸秆质量的 以上.当秸秆排水板插入土壤中时微生物产生的酶将大的纤维素聚合物降解为小分子化合物最终降解为 和 .环境中存在超过 种木质纤维素降解微生物主要由细菌和真菌组成.将取自地下、处的土样进行土壤微生物分析.测序显示从土壤样品中共获得 条 序列包含 个门、个目、个科、个属.其中厚壁菌门()为主要门类约占 拟杆菌门()为次要门类约占 .这与 等的 研 究 结 果 一 致 即 拟 杆 菌 门()和厚壁菌门()是自然环境中的优势门类.拟杆菌门()和厚壁菌门()的丰度在沿着土样深度范围略有波动因此该场地土体环境中细菌水平能保持空间上的稳定.对土壤样品中微生物降解的研究主要集中在生物属的层面进一步分析可以得到具体的细菌种类.对原位细菌群落的分析表明、和 的相对丰度很高.可以发酵酶和基因簇来降解淀粉、蛋白质、纤维素和半纤维素.是主要的纤维降解细菌是细菌群落中最丰富的.第 期袁威等:秸秆排水板室内降解试验及现场应用:/.这些厌氧细菌可以发酵碳源分解纤维状物质并将植物纤维转化为挥发性脂肪酸.因此秸秆排水板可以在珠海海洋软土中被降解.现场试验.工程背景珠海市鹤洲至高栏港高速公路二期工程起讫里程为 .线路长.沿线地处沿海冲积平原区地势平坦开阔全线地质构造被第四系地表覆盖表层覆 的人工填土下部为海陆交互相沉积的淤泥、淤泥质土、粉质黏土等厚 不等各层土的物理力学性质如表 所示.区域水系发达干流水道与支流河沟纵横交织排泄、灌溉沟渠四通八达形成典型的滨海平原水网区域地表以果园、养殖塘为主.为了验证秸秆排水板的工程性能将秸秆排水板用于珠海市鹤洲至高栏港高速公路二期工程进行现场试验软基路段主线 采用秸秆排水板真空堆载联合预压处理方案总处理长度 面积 .其余软基路段采用塑料排水板平面如图 所示.为进行对比分析软基路段主线 采用塑料排水板真空 堆载联合预压处理方案试验过程中对地基沉降和孔隙水压力进行监测并对 种排水板的加固效果进行对比.表 土的物理力学性质指标土性指标深度/.天然含水率/.密度/().天然密度/().初始孔隙比.饱和度/.液限/.塑限/.塑性指数.压缩系数/.压缩模量/.黏聚力/.内摩擦角/().固结系数/().分类淤泥质土淤泥粉质黏土淤泥质土图 现场平面图 排水板按正方形布置间距 插打深度.将沉降板安装在路基中心以测量地表沉降.孔压仪分别安装在地下、来监测不同深度的地基孔隙水压力.真空载荷和堆载高度随时间的变化如图 所示.通过真空泵施加 的真空压力.这种情况下密封膜中的真空压力可以在 内达到 将 真空压力持续 .然后分阶段卸载真空压力:先降至 降至 降至.此外路堤堆载是在真空预压 后施加的.为了确保预压过程中的边坡安全填筑施工分为 个阶段如图 所示.第 次填筑高度为.填筑时间东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.为 地基加固时间为.第 阶段包括 层填筑填筑高度分别为.、.、.第 阶段的填筑高度为.填筑时间为 最终填土高度约为.填土容重为./因此总堆载约为 .图 真空预压 堆载曲线.监测结果.沉降天然地基在真空压力与堆载的作用下由竖向排水体与砂垫层传递真空压力使竖向排水体中的真空度迅速提高并向土中传递.自真空开始加载孔隙水排出地表沉降在真空作用下发展并在堆载之后地表沉降迅速增加沉降曲线较陡沉降速率较大到施工后期地表沉降速率逐渐减缓地表沉降趋于稳定.秸秆排水板与塑料排水板真空预压试验段的沉降变化如图 所示.图()表明用秸()地表沉降()沉降速率图 路基地表沉降观测曲线秆排水板和塑料排水板处理的地基平均总沉降量分别为.和.塑料排水板真空预压区比秸秆排水板真空预压区的总沉降量大.相差不大.图()为 种排水板区的沉降速率.从图中可以看出在初始阶段采用塑料排水板处理的地基沉降速率比秸秆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 种排水板处理的地基沉降速率基本相等.因此秸秆排水板处理软土地基与塑料排水板相比具有大致相同的效果.孔隙水压力图 显示了秸秆排水板和塑料排水板真空堆载预压加固地基的孔隙水压力随时间的变化.秸秆排水板区和塑料排水板区之间的孔隙水压力变化没有显著差异.起初孔隙水压力相等并随着真空压力的施加而逐渐降低.然而孔隙水压力有 个显著的上升过程其原因是在 和 路堤填土导致的超孔隙水压力.堆载完成后超孔隙水压力随时间逐渐消散最终趋向 此时由于真空泵并未停止工作所以地基中孔隙水压力逐渐变为负值.此外从图中还可看出在施加真空压力后塑料排水板的超孔隙水压力消散速率稍微快于秸秆排水板.对比分析地表沉降和孔隙水压力的变化可得秸秆排水板用于真空堆载预压处理软土地基的效果与塑料排水板大致相同可替代塑料排水板在工程中使用.图 路基中心超孔隙水压力观测曲线 经济性分析我国作为农业生产大国每年产生大约 亿 农业秸秆废弃物处理需求极大.大量秸秆被抛弃于田头和露天焚烧我国每年废弃焚烧的秸秆总量高达约.亿.秸秆焚烧引起的环境污染和社会安全问题日益突出秸秆焚烧导致了大范围的雾霾.推进秸秆的综合利用实现秸秆资源化、商品第 期袁威等:秸秆排水板室内降解试验及现场应用:/.化缓解秸秆焚烧引起的系列问题已成为资源节约以及环境保护的重中之重.将秸秆作为材料来生产土工排水板是一种实现秸秆资源化利用的良好方法.上述研究已表明秸秆排水板的生产工艺与塑料排水板并无区别只是原材料有所不同.根据调查市场上常用的塑料排水板主要是、型价格大约.元/.秸秆排水板的成本约为 元/便宜大约.元/因此秸秆排水板的使用不仅可以节约成本还能节约资源保护环境满足低碳、绿色、节能、环保的建设理念需求.结论)秸秆排水板的通水量要小于传统的塑料排水板 种排水板的通水量均随围压的增加而降低 种排水板的通水量和抗拉强度均随时间的增加而降低都满足规范要求.)珠海海相软土中富含纤维素降解菌其中厚壁菌门()为主要门类约占 拟杆菌门()为次要门类约占 它们的丰度在沿着土样深度范围略有波动.这些细菌可以发酵碳源分解纤维状物质珠海海相软土为秸秆排水板的降解退化提供了条件.)塑料排水板真空预压区比秸秆排水板真空预压区的总沉降量大.在初始阶段采用塑料排水板处理的地基沉降速率比秸秆排水板快在后期 种排水板处理的地基沉降速率基本相等.塑料排水板的超孔隙水压力消散速率稍微快于秸秆排水板.)秸秆排水板的生产工艺与塑料排水板并无区别只是原材料有所不同.常用的塑料排水板的成本比秸秆排水板便宜大约.元/与塑料排水板相比秸秆排水板有着相当的性能和更优的性价比.参考文献()刘健 周文皎 孙帅勤 等.吹填超软土直排式真空预压现场试验研究.铁道建筑 ():.:./.():.:./.().:.():.:./.():.:./.:./:.:././.蔡袁强.吹填淤泥真空预压固结机理与排水体防淤堵处理技术.岩土工程学报 ():.:./.():.:./.().(/):.:./().:.:./.(/):.:./().():.:./.():.:./()./.:.().东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.():.:./.():.():.:./.高会强.真空预压下塑料排水板有效影响范围的研究分析.广州:华南理工大学.:.()高会强 莫海鸿.考虑通水量影响的塑料排水板加固深度的理论研究 .岩石力学与工程学报():.:./.():.:./.()冯旭松 翁佳兴 宗珊 等.小麦秸秆在可降解排水板生产中的应用研究.南京工程学院学报(自然科学版)():.:./.()():.:./.()中华人民共和国水利部.土工合成材料测试规程:.北京:中国水利水电出版社.中华人民共和国交通运输部.水运工程塑料排水板应用技术规程:.北京:人民交通出版社.():.:./.():.:./.:.():.:./.:.:./.第 期袁威等:秸秆排水板室内降解试验及现场应用