植被混凝土生态护坡基材初期强度特性研究

1、Vol.32 No.6 Jun. 2011第 32 卷第 6 期2011 年 6 月 岩土力学Rock and Soil Mechanics文章编号：10007598 (2011) 06171906植被混凝土生态护坡基材初期强度特性研究夏振尧 1, 2，许文年 1，王乐华 1（1. 三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002；2. 武汉大学 水利水电学院，武汉 430079） 摘 要：生态护坡基材初期强度对基材在边坡的自身稳定和物种发芽有重要影响。以植被混凝土基材为研究对象，以其 2 d龄期的无侧限抗压强度作为初期强度的代表值，对生态护坡基材初期强度特征进行研究。以水

2、泥掺量aw、有机质掺量aOM 和水灰比 w / c 为影响因素，分别设计单因素影响试验、正交试验。试验数据分析表明，水泥掺量、有机质掺量和水灰比 3 因素均对植被混凝土初期强度产生影响，影响程度依次为aw aOM w / c ； w / c 在 0.500.55 之间时植被混凝土基材初期强度最大。在水灰比及其他因素不变的条件下，以aw、aOM为自变量，建立了植被混凝土基材初期强度的多元非线性回归模型，验证试验表明该模型可较准确地预测植被混凝土基材的初期强度。在植被混凝土生态防护技术应用过程中，根据基材初期强度模型估计基材最小水泥掺量和最大有机质掺量，既可保证工程实施初期基材的自身稳定性，又有利

3、于边坡后期植被的恢复和持久生长。 关 键 词：植被混凝土基材；初期强度；影响因素；正交试验；回归模型 中图分类号：TU 443文献标识码：AResearch on characteristics of early strength of ecological slope-protected base material of vegetation-growing concreteXIA Zhen-yao1, 2,XU Wen-nian1,WANG Le-hua1(1. Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir A

4、rea of Ministry of Education, China Three Gorges University, Yichang, Hubei 443002, China; 2. School of Water Resources and Hydropower, Wuhan University, Wuhan 430072, China)Abstract: The early strength of ecological slope-protected base material has an important influence on stability of base mater

5、ial onto slope and seed germination. Taking the unconfined compressive strength at 2 days of vegetation-growing concrete base material (VCBM) as research object, the characteristics of early strength of ecological slope-protected base material are studied. Through single factor affecting tests and o

6、rthogonal tests, which take cement dosage, organic matter dosage and water-cement ratio as influence factor, the analysis of tests data indicate: the three factors all affect the early strength of VCBM; and the degree follows by: cement dosage organic matter dosage water-cement ratio. When water-cem

7、ent ratio is between 0.50 and 0.55, the early strength of VCBM reaches a maximum value. Regarding Cement dosage and organic matter dosage as independent variables on condition that water-cement ratio and other factors are constant, a multiple nonlinear regression model on the early strength of VCBM

8、is established. And the confirmatory tests testify that the model could predict the early strength of VCBM approximately. According the model to estimating the minimum cement dosage and maximum organic matter dosage in course of the application of VCBM ecological slope-protected technology, it can e

9、nsure the stability of base material during early stage of implementation as well as propitious to vegetation recovery and sustained growth on slope in late stage.Key words: vegetation-growing concrete base material; early strength; influence factor; orthogonal test; regression model土喷播技术5、厚层基材喷射护坡技

10、术6、植生袋技术7、挂网爬藤方法等，其中植被混凝土生态防护技术是机械化程度较高的全坡面喷植技术，具备劳动强度低、生产效率高的优点。植被混凝土基材8具有一定的强度和抗侵蚀性能，可直接作为边 1前言生态护坡具有 3 重功能，即保持边坡浅层稳定1、恢复边坡植被和生态2和坡面水土保持3。常见的生态方法有：植被混凝土生态防护技术4、客收稿日期：2010-03-02基金项目：国家自然科学基金资助项目（No. 50879043，No. 50909052）；国家科技支撑计划项目资助（No. 2006BAC10B04）。第一作者简介：夏振尧，男，1981 年生，博士研究生，从事边坡生态防护方面的研究。E-mai

11、l: xzy_1720岩土力学2011 年坡的防护材料，同时具有与土壤相似的多孔结构和环境条件，有利于植被的生长发育。植被混凝土生态基材是把水泥、土、有机质物质、植被混凝土绿化添加剂9、混合植绿种子、水按一定的组成比例均匀混合而成，其强度除各类游离氧化物的胶结作用外，起主要作用的是水泥水化反应产生的凝胶， 相关研究表明10，植被混凝土基材的强度与水泥掺量、龄期相关。在植被混凝土生态防护技术的实际应用中，基材滑塌最容易发生在实施初期（实施后72 h 以内），因此，对植被混凝土基材初期强度特征进行研究具有重要的意义。本文将植被混凝土基材2 d 龄期的无侧限抗压强度作为其初期强度的

12、代表值，通过室内多组试验，对其初期强度特征进行研究。 第 1 组，考察植被混凝土基材在 3 种单影响因素下初期抗压强度的变化规律，每个影响因素 5 个配比，每个配比 4 个平行试验。第 2 组，选取水泥掺量、有机质掺量和水灰比 3 个因素，每个因素 5 个水平，每个配比 4 个平行试验，设计正交试验。第 3 组试验用来检验前两组试验结果建立的初期强度模型的合理性，试验内容见表 2。 表 2 植被混凝土基材初期强度试验内容Table 2 The contents of the test 分组aw/%aOM %w / c681012888888888846810125799995555357911

13、55555357911777680.400.450.500.550.600.400.450.500.550.602第 1 组试验材料、方法和内容 试验材料有土、水泥、有机质、植被混凝土绿化添加剂和水。土取自三峡大学翠亭山某位置表土，其物理力学指标见表 1。水泥为 P.0.325 普通硅酸盐水泥，干密度为 3.10 g/cm3；有机质采用锯末，烘干后天然密度为 0.43 g/cm3。植被混凝土绿化添 第 2 组加剂为三峡大学绿野环保工程生产的专利产品9LY-2 型混凝土绿化添加剂，水为自来水。 表 1

14、土样的物理力学指标Physico-mechanical indices of soil sample第 3 组Table 1天然含水率/%天然密度/(g/cm3)干密度 /(g/cm3)黏聚力/kPa内摩擦角/()241.782.6422.118.73结果与分析先将土样烘干，磨碎，过筛，制成干粉土，然后按设计的配比称取干粉土、水泥、有机质和植被混凝土绿化添加剂，注水搅拌至均匀，分 3 次装入模具中击实成型，制成直径为 3.91 cm、高 8 cm 的圆柱体试样。静置 24 h 后脱模，脱模后用塑料袋密封装好，放入标准养护室养护至 2 d 龄期。无侧限抗压强度试验使用CMT4000-10 微控电

15、子万能试验机，为应变控制式，试样加载速率恒定为 0.6 1.2 mm/min。试验分 3 组进行，见表 2，其中水泥掺量aw 为水泥质量占干土质量的百分比(%)；龄期为 T(d)；有机质掺量aOM 为有机质质量占干土质量的百分比(%)；水灰比 w / c 为植被混凝土基材中水质量与水泥质量之比。植被混凝土绿化添加剂可改善基材生物化学特性，其掺量为按水泥掺量的 50%恒定配置。 3.1植被混凝土基材初期强度的影响因素根据第 1 组试验结果，植被混凝土基材初期强度与水泥掺量a 、有机质掺量a、水灰比 w / c 的w关系如图 1 所示。 3.1.1 水泥掺量 OM随着水泥掺量的增大，基材强度增加，

16、 a w为4%、6%、8%、10%和 12%的基材初期平均强度分别为 151.0、225.2、340.0、366.7、424.2 kPa。在其他因素固定的情况下，aw 与基材初期强度相关系数r = 0.942，显著性水平为 0，相关性十分显著。图1(a)中用一元线性回归表示两者关系： qu,pri = 32.9aw+ 44.29（1）常数项 T-检验对应的置信水平为 0.073，认为常数项显著，不等于 0。自变量系数 T-检验对应的置信水平为 0，该系数为极为显著。 第 6 期夏振尧等：植被混凝土生态护坡基材初期强度特性研究17213.1.3 水灰比 植被混凝土基材初期抗压强度起先随着 w /

17、 c 的增加而增长，当 w / c 处在 0.500.55 之间某值时抗压强度达到最大值，以后则随着水灰比的增加而下降；当 w / c = 0.400.45 时，强度增长较快；w/ c = 0.450.50，强度增长缓慢；w / c 0.55 后，强度随水灰比的增加而下降。因此，要使植被混凝土基材初期强度较高， 工程实施时控制喷枪水灰比在0 . 50 0. 55 之间。 3.2植被混凝土基材初期强度的影响因素按表 2 第 2 组设定的水平因素安排正交试验，通过直观分析及方差分析，可分辨影响植被混凝土基材初期强度各因子的主次，正交试验得出的植被混凝土基材 2 d 无测限抗压强度的均值见表 3。

18、600500T = 2 daom = 5%w/c = 0.5040030020010000246aw/%(a)81012450T = 2 daw = 8%w/c = 0.50400350300250表 3 正交试验结果及极差分析Table 3 The results of orthogonal test and range analysis20015024681012 试验号aw /%aOM /%w / c2 d 强度/kPa a OM/%123456789101112131415161718192021222324254444466666888881010101010121212121235

19、79113579113579113579113579110.400.450.500.550.600.450.500.550.600.400.500.550.600.400.450.550.600.400.450.500.600.400.450.500.55128.8138.2138.4106.482.4243.3255.2221.5161.6140.1354.1325.2267.8204.0214.4373.9335.1275.1251.8252.6403.6323.7352.7318.4283.9(b)450400350300250200150T = 2 daw = 8%aom =5%0.3

20、5 0.4 0.450.5w/c0.550.60.65(c)图 1植被混凝土基材初期强度与各因素的关系 Fig.1 The early strength of VCBM related to each factor3.1.2 有机质掺量 随着有机质掺量的增大，植被混凝土基材初期强度减小。aOM 有 3%5%、5%7%、7%9%、9%11%四个增加阶段，强度分别减小 4.0%、 8.4%、19.6%、13.8%。 分别用 2 次多项式方程、对数方程、3 次多项式方程及 S 型曲线 4 种模型对有机质掺量与基材初期强度进行回归分析，4 模型的置信水平均为 0，即4 个方程都是显著的。拟合 2 次方

21、和 3 次方的 r 分别为 0.939 和 0.944，远大于其他两个方程的 r 值，考虑到回归模型的简洁性和模型拟合的优度，选用 K1 平均K2 平均K3 平均K4 平均K5 平均118.84204.34273.10297.70336.46300.74275.48251.10213.10194.68214.34240.08263.74262.18250.10 极差 R217.62106.0649.40= 106.06，各因素的极差为：Ra = 216.22，Rawom2 次多项式模型表示aOM 与基材初期强度的关系： Rw/c =49.40，因此各因素对植被混凝土基材 2 d 无 qu,pr

22、i = -1.318a 2+ 0.145a+ 368.468侧限抗压强度的贡献大小依次为： a a （2）wOMOMOMqu/kPaqu/kPaqu/kPa1722岩土力学2011 年w / c 。aw 的优水平为水平 5，aOM 的优水平为水平表 4 正交试验结果的方差分析Table 4 ANOVA of the orthogonal test1， w / c 的优水平为水平 3，即当a = 12%、a=wOM变异来源3类平方差 自由度均方FP3%、 w / c = 0.5 时，植被混凝土基材的初期强度达到最大。 图 2 为正交试验结果的直观图。从图可以看出，植被混凝土基材 2 d 强度随a

23、w 的增大而增加，Corrected model Intercept水泥掺量 有机质掺量水灰比 ErrorTotalCorrected Total193 071.931a1 516 198.196145 489.41039 451.7268 130.7942 536.3031 711 806.430195 608.23412144412252416 089.328151636 372.3539 862.9322 032.699211.35976.1237.174103172.08846.6649.61700000.001随着a的增大而减小，而 w / c 小于峰值 0.50OM0.55 时，强

24、度随 w / c 的增大而增加；w / c 大于峰值时，强度随着 w / c 的增大而减小，与 3.1 中结果一致。 注：*表示量值为0.987 (调整R2 = 0.974)。4 植被混凝土基材初期强度回归模型 4.1 模型的建立植被混凝土基材初期强度的影响因素中，w / c 存在一个最优值，本次试验中其值处于 0.500.55 之间，考虑 w / c 及其他因素（土的成分、温度、湿度等）不变的条件下，植被混凝土基材初期强度可以简单地由aw 、aOM 等主要影响因素回归得到。根据 3.1 的结果，植被混凝土基材初期强度可表示为 3503002502001501005004681012a /%w

25、(a) 水泥掺量 q= (a a+ a a+ a )(a a + a )2（3）350300250200150100500u,pri1OM2 OM34 w5展开整理，可得q= k aa + k a+ k aa +22u,pri1OM w2OM3 OM w（4）k a+ k a + k4 OM5 w6式中： ki (i = l，2，6)为合并同类项后的系数， 由试验中第1 组和第2 组实测55 个数据逐步回归法357911进行回归分析， a 2a 与a 进入模型，模型系数 a /%OMOM ww及方差分析分别见表 5、6。 (b) 有机质掺量 350300250200150100500表 5 植

26、被混凝土基材初期强度回归模型系数Table 5 The coefficients f regression model回归系数标准化系数Beta模型tP系数标准误差49.65637.239-0.14516.4412.1180.0143.02017.586-10.4340.00400常数项aw0.966-.573a2aOM w0.40.450.5w/c0.550.6表 6 回归模型的方差分析Table 6 ANOVA of regression model(c) 水灰比 图 2 正交试验各因素对强度影响的直观分析图Fig.2 The visual analysis diagrams of eac

27、h factor impacting on early strength in orthogonal testFP模型离差平方和自由度均方Regression ResidualTotal302 437.99647 866.716350 304.71225254151 218.998 164.277920.5140表 4 为正交试验结果的方差分析。由表可以看出， aw 、aOM 对强度的影响极其显著， w / c 对强度的影响显著。各因素对基材 2 d 强度的贡献大小根据计算结果，可得回归模型为q= -0.145a 2a + 37.239a + 49.656 （5） 为a a w / c ，与直

28、观分析一致。 u,priOM wwwOMqu/kPaqu/kPaqu/kPa第 6 期夏振尧等：植被混凝土生态护坡基材初期强度特性研究17234.2模型的试验验证将第 3 组试验配比数值代入式（5），可得植被混凝土基材初期强度的预测值。实测值与预测值的成对样本 T 检验结果见表 7。 计算的预测值与实测值差值的统计量 t = 1.29， 对应的临界置信水平为 0.2100.05，表明实测值与回归模型得到的预测值没有差异。图 3 为不同水泥掺量和有机质掺量下植被混凝土基材的预测值与实 测值的比较，可见二者吻合较好。 在一处于 0.500.55 之间的优值，使植被混凝土基材初期强度最大。 （2）

29、不考虑土的成分、温度、湿度等因素影响，通过文中建立的以水泥掺量和有机质掺量为自变量的回归模型，可较准确的预测植被混凝土基材的初期强度。 （3） 工程实际应用中水泥掺量的减小利于基材 pH 值降低，有机质掺量的增加可提高基材的孔隙率，这都有利于植被在基材中的生长和发育。因此，在植被混凝土生态防护的工程实践中，应根据边坡情况及实施条件，计算植被混凝土基材保持自身稳定所必须的最小初期强度，再根据预测模型估计基材最小水泥掺量和最大有机质掺量，既可保证工程实施初期基材的自身稳定性，又有利于边坡后期植被的恢复和持久生长。 表 7 回归模型的预测值与实测值的成对样本 T 检测结果Table 7 The re

30、sult of paired samples T-test between predictedvalue and measured value差异的95%可信区间P(双尾)T检验t自由度下限上限预测值-实测值 -2.751 91311.871 246 1.29023.210参 考 文 献400350300250200150100500实测值1扈萍, 宋修广, 吴登高. 高速公路边坡植草护坡的根固效应试验研究J. 岩土力学, 2008, 2(2): 442444.HU Ping, SONG Xiu-guang, WU Deng-gao. Expermental research on reinf

31、orcement mechanism of expresswayslope protection with greenswardJ. Rock and Soil02468aw/%1012Mechanics, 2008, 2(2): 442444.刘春霞. 高速公路裸露边坡植被恢复机理的研究博士论文 D. 北京: 北京林业大学, 2006.卓慕宁, 李定强, 郑煜基. 高速公路生态护坡技术的水土保持效应研究J. 水土保持学报, 2006, 20(1): 164 167.ZHUO Mu-ning, LI Ding-qiang, ZHENG Yu-ji. Study on soil and wate

32、r conservation effect of bioengineering techniques for slope protection in highwayJ. Journal ofSoil and Water Conservation, 2006, 20(1): 164167.2(a) aOM = 7%预测曲线450400350300250200150100503实测值024681012aOM/%(b) aw = 7%预测曲线 图 3 不同水泥掺量和有机质掺量预测值与实测值的比较Fig.3 The comparison of predicted value and measured

33、value by different cement dosage and organic matter dosage4许文年, 王铁桥, 李建林, 等. 岩石边坡护坡绿化技术应用研究J. 水利水电技术, 2002, 33(7): 3537.XU Wen-nian, WANG Tie-qiao, YE Jian-jun. Study on application of greening technology for rock slope protectionJ. Water Resources and HydropowerEngineering, 2002, 33(7): 3537.5结论（1）

34、植被混凝土基材初期强度受水泥掺量、有机质掺量、水灰比等因素影响，影响程度从大至小依次为水泥掺量大于有机质掺量大于水灰比；随着水泥掺量的增大，基材强度增加；随着有机质掺量的增大，植被混凝土基材初期强度减小；水灰比存5周颖, 曹映泓, 廖晓瑾, 等. 喷混植生技术在高速公路岩石边坡防护和绿化中的应用J. 岩土力学, 2001,22(3): 353356.ZHOU Ying, CAO Ying-hong, LIAO Xiao-jin, et al.qu/kPaqu/kPa1724岩土力学2011 年Planting on the rocky slope of freeway by spraying

35、combined materialsJ. Rock and Soil Mechanics, 2001,22(3): 353356.2007, 35(2): 69.许文年. 水电工程扰动区生态防护工程技术研究博士论文 D. 武汉: 武汉大学, 2007.许文年, 王铁桥. 混凝土绿化添加剂: 中国, ZL01138343. 7P. 2002-07-17.许文年, 夏振尧, 周宜红, 等. 植被混凝土无侧限抗压强度研究J. 水利水电技术, 2007, 38(4): 5154.XU Wen-nian, XIA Zhen-yao, ZHOU Yi-hong, et al. Experimental i

36、nvestigation of unconfined compression strength of vegetation-growing concreteJ. Water Resources and Hydropower Engineering, 2007, 38(4):5154.896 周德培, 张俊云. 植被护坡工程技术M. 北京: 人民 交通, 2003: 102108.107 赵晓玲, 田光胜, 田开清. 棉网状植生袋技术在宜昌页岩区植被恢复中的应用J. 湖北林业科技, 2007, 35(2): 69.ZHAO Xiao-ling, TIAN Guang-sheng, TIAN Kai-qing. Application in vegetative rehabilitation with technique of cotton net plant biological bag in Yichang ShaleRegionJ. Hubei F