大规模的工程建设以及矿山开采等人为活动遗留了大量裸露的岩质边坡^[1]。这些岩质边坡在大气营力和降水作用下经历干湿循环，表面岩石容易发生风化剥落和崩塌，对周围建筑和人民群众的生产生活造成威胁。同时，这些裸露的岩质边坡往往坡高壁陡、基岩裸露，植被无法生长，水土流失严重，生态环境十分恶劣，对其周围环境造成影响。

目前，国内外用于岩质边坡生态修复的方法主要有草皮、植生袋、鱼鳞坑等^[2-4]。钟春欣等^[2]针对草皮护坡的坡面抗侵蚀性能进行了研究，发现草皮可以有效地提升边坡的抗侵蚀能力。杨翔等^[3]对植生袋护坡的技术特点及施工方法进行了论述，并确定了生态护坡效果。白丽华^[4]对鱼鳞坑技术在黄土高原边坡保护中的效果进行了研究，发现该技术可有效防止沟蚀和潜蚀的发生。

近年来客土护坡成为岩质边坡生态修复的主要方法，该方法能够在裸露岩质坡面、硬质土砂地等绿化困难地带为植被提供生长环境，不仅可以减少削坡工作量，而且能同时满足生态修复和护坡的双重要求^[5-7]。目前，客土护坡已成为国内外相关工作者研究的一个重要方向，并在边坡工程中得到广泛的推广和应用，积累了丰富的工程经验和研究成果^[8-11]。Li等^[12]将污泥作为一种新的客土基质组分，发现污泥可改善客土基质的化学物理性能并促进植被生长，并且在一定掺入量范围内，能够减少水土、种子流失。陈意昌等^[13]通过现场试验研究了日光照射对公路边坡植被生长的影响，建议公路边坡生态修复应充分考虑当地的地形和气候条件。但是由于这类岩质边坡的坡比大多在1∶0.75以上，客土层长期受雨水冲刷侵蚀，容易造成表土流失和种子滑落，致使坡面丧失适宜植被生长的条件。此外，客土层与岩质坡面的相互附着力差，客土层易沿坡面发生整体滑塌或剥离，不断削减坡面客土层的厚度，导致客土层保水、保肥能力下降，影响植被生长，难以满足高陡岩质边坡生态修复的需求。

高分子聚合物具有改善土体结构、提高土体力学机械性能、增强土体抗冲刷特性等优点，目前已在土体改良中得到广泛应用。有学者尝试将有机高分子聚合物应用于加固客土基材，以提高复合基材机械性能，增强抗冲刷特性、保水性等，并取得一批重要的研究成果^[14-21]。王银梅等^[18]对比了新型高分子材料（SH）与水泥对黄土力学性能的影响，结果表明SH改良后的黄土强度高、耐低温、水稳定性好。Liu等^[20]通过室内研究表明有机聚合物能够有效改善砂土的抗压、抗剪、抗拉强度特性。Yang等^[21]研究发现聚天冬氨酸改良后的砂土具有良好的抗压强度与耐久性能，并且易于生物降解，使用安全。上述研究成果为进一步研究有机高分子聚合物改良客土基质，生态修复高陡岩质边坡提供了良好的基础。

本文采用聚氨酯有机高分子材料与土体结合组成聚氨酯复合基材，通过室内试验对其强度、抗冲刷性以及影响植被生长情况进行研究，并选择典型岩质边坡进行了现场试验，对聚氨酯复合基材的有效性进行了验证。

1.   试验材料与方法

1.1   试验材料

试验所用土体为南京地区广泛分布的晚更新世下蜀土，土体经自然风干后过2 mm筛使用。土体整体呈黄褐色，其基本物理性质如表1所示。

表  1  下蜀土基本物理性质

Table  1.  Basic physical properties of the Xiashu soil

物理指标	比重	液限/%	塑限/%	塑性指数	最优含水率/%	最大干密度/（g·cm−3）	颗粒百分含量/%
							0.075～1.000 mm	0.005～0.075 mm	<0.005 mm
取值	2.71	37.1	20.5	18.2	19.5	1.72	7.7	68.5	23.8

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试验所用聚氨酯有机高分子材料为淡黄色油状液体，密度为1.8 g/cm³，其中聚氨酯的含量在85%左右。常温下该有机高分子材料的黏度为650～700 mPa·s，可以与水按照任意比例混合。遇水后，与水发生化学反应，由淡黄色转变为乳白色，整体呈乳液状。

1.2   试验方法

1.2.1   强度试验

为了研究聚氨酯有机高分子浓度对复合基材强度的影响，本文对不同浓度的复合基材进行了无侧限抗压试验。试验中，将试样的含水率和干密度分别控制为19.5%和1.72 g/cm³，将聚氨酯有机高分子的浓度分别调节为1%、2%、10%、20%，同时增加了未添加聚氨酯有机高分子的试样（0%）作为对照。试样采用静力压制法制备，土体与按设计比例稀释后的聚氨酯有机高分子混合后压制为直径39.1 mm、高80.0 mm的圆柱状试样。制备好的试样放入20 ℃恒温恒湿的养护箱中养护48 h。无侧限抗压试验采用南京南土仪器设备有限公司生产的YYW-2型无侧限土体压力仪，根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）要求^[22]，控制压力仪的速率为2.4 mm/min。为减少试验误差，各试样均设置了3个平行试样，采用3个试样的平均值作为结果进行分析。

1.2.2   抗冲刷试验

为了研究聚氨酯有机高分子浓度对复合基材抗冲刷性的影响，本文对不同浓度的复合基材进行了抗冲刷试验。试验中试样的具体参数和制备过程与强度试验相同。试验尺寸为19.5 cm×12 cm×2.5 cm。制备好的试样放入20 ℃恒温恒湿的养护箱中养护48 h。完成养护后，试样被放置于坡度为65°的冲刷架上进行抗冲刷试验。试验中，模拟实际降雨方式进行冲刷，降雨强度设置为2.5 L/min，冲刷时间为20 min。在试验过程中收集各试样每分钟的冲刷混合物，经沉淀与烘干后获得各试样表面每分钟流失土体的干重。试验结束后，用式（1）计算各试样的累计冲刷率：

式中：R——试样的累计冲刷率/%；

$ {\Delta m} $——试样表面每分钟流失土体干重的总和/g；

M——各试样的初始干重/g。

1.2.3   植被生长试验

在本试验中，试样分为上下两层进行制备。各试样中下层土体相同，均为未添加聚氨酯有机高分子的土体，其含水率和干密度分别为20%和1.7 g/cm³。土体混合后被置入相同的长方体植物培养盒中，并将其表面用刮刀进行粗糙化处理。上层土体中聚氨酯有机高分子的浓度分别为1%、2%、10%、20%，同时增加了未添加聚氨酯有机高分子的试样（0%）作为对照，其含水率和干密度分别为19.5%和1.72 g/cm³。土体混合后将其置入对应的植物培养盒中。

本试验使用苜蓿、紫穗槐和马棘三种草本植物，植被种子的总重量为10 g。所用的种子均品质优良、饱满、无病虫害，且在试验前均进行清洗、热水浸泡和消毒。植被种子被均匀地撒在各土体试样的表面。完成播种后，试样表面喷洒相同浓度和质量的植被营养液，以保证植被发芽和生长过程中所需的营养。植被培养盒放置于植被培养箱中，每三天浇水一次。每天均记录种子发芽的数量和植被的生长情况。本试验历时30 d。

2.   试验结果与分析

2.1   强度试验

通过无侧限抗压试验对不同浓度聚氨酯有机高分子条件下试样的强度特性进行研究，试验结果如表2所示。

表  2  强度试验结果

Table  2.  Strength test results

编号	聚氨酯浓度/%	土层峰值强度/kPa	土层残余强度/kPa
1	0	58.14	24.28
2	1	113.63	57.18
3	2	120.19	80.77
4	10	132.69	88.77
5	20	142.00	88.48

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由表2可知，试样的峰值强度随着聚氨酯有机高分子浓度的增加逐渐增加。对比浓度为0%和1%试样的峰值强度可以发现，聚氨酯有机高分子的存在可以有效增加试样的峰值强度。浓度为1%试样的峰值强度为113.63 kPa，与浓度为0%的试样比，增加了55.49 kPa，增长幅度约为95.45%。其余各试样峰值强度相对增长量随聚氨酯有机高分子浓度增加基本保持稳定，在10 kPa左右波动。试样的残余强度随着聚氨酯有机高分子浓度的增加也呈现出增加的趋势。当聚氨酯有机高分子浓度在2%及其以下时，浓度对于残余强度的增加影响较大。当浓度超过2%，浓度对于残余强度的影响较小，残余强度趋于稳定。

图1为试样在无侧限抗压强度试验中典型的应力-应变曲线。由图1可知，各个浓度试样的应力-应变曲线均呈现出先增大后减小的趋势，浓度的增加提高了试样的应力峰值。除此之外，随着聚氨酯有机高分子浓度的增加，试样的脆性逐渐增强，这说明聚氨酯有机高分子的加入可以有效增强试样的整体性，增强其本身强度。

图  1  试样在无侧限抗压强度试验中典型的应力-应变曲线

Figure  1.  Typical stress-strain curve of the specimen in the unconfined compressive strength test

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2.2   抗冲刷试验

边坡表层土体抗冲刷性强，就可以有效地减少修复后边坡在降水等因素下发生水土流失的可能性，为植被生长提供足够的养分和适宜的环境。本文通过室内小型模型试验对不同聚氨酯有机高分子浓度试样的抗冲刷性进行测定。图2为各试样在冲刷过程中每分钟流失土体的干重。由图可知，未添加聚氨酯有机高分子的试样存在两个峰值，分别为冲刷开始后2 min和13 min，冲刷量分别为99.8 g和101.0 g。在冲刷过程中，试样下部首先发生水土流失现象，进而在冲刷前期形成第一个冲刷峰值，随着冲刷不断进行，下部土体流失严重，上部土体失稳滑落，从而在第13分钟形成第二个冲刷峰值。达到第二个峰值后，试样每分钟流失土体的干重逐渐减小并趋于稳定。添加了聚氨酯有机高分子的试样每分钟流失土体的干重随着冲刷时间的不断增加呈现出大致相同的趋势，即先增加后减小最后趋于稳定。各试样的冲刷峰值随着聚氨酯有机高分子浓度的增加逐渐减小。20%浓度试样的冲刷峰值为28.8 g，仅为0%浓度试样第一个峰值（99.8 g）的28%。由此可见，聚氨酯有机高分子可以有效提高试样抵抗外力冲刷的能力。

图  2  冲刷过程中试样每分钟流失土体的干重

Figure  2.  Dry weight of soil loss per minute during scouring

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图3为各试样的累计冲刷率。由图可知，随着聚氨酯有机高分子浓度的增加，试样的累计冲刷率逐渐降低，并且坡面破坏程度也逐渐降低（图4）。当试样中未添加聚氨酯有机高分子时，试样的累计冲刷率达到95.13%。而随着聚氨酯有机高分子浓度的增加，坡面的破坏程度也在逐渐改善，当浓度达到20%时，试样的累计冲刷率仅为9.87%，说明聚氨酯有机高分子可以有效提高试样整体性，起到抵抗外力冲刷、保持坡面完整的作用。

图  3  各试样的累计冲刷率

Figure  3.  Cumulative scour rate of each specimen

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图  4  各试样的冲刷破坏图

Figure  4.  Erosion failure diagram of each specimen

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2.3   植被生长试验

在完成试样的准备后，对试样进行为期30 d的培养，每天记录各试样中种子发芽数量和植被生长情况。表3为试验过程中各试样种子发芽率统计表。由表可知，随着聚氨酯有机高分子浓度增加，种子发芽率呈现出先逐渐增大后迅速减小的趋势。当聚氨酯有机高分子浓度由0%提高到10%时，种子发芽率由12%提升到68%，增加量为56%，效果显著。这说明聚氨酯有机高分子可以明显地促进植被的发芽与生长，提升植被种子发芽率。当聚氨酯有机高分子浓度由10%提高到20%时，发芽率发生大幅度降低，整体水平与0%的试样接近。这说明当聚氨酯有机高分子浓度过高时，它会对植被的发芽与生长起到抑制作用。

由表3可知，聚氨酯有机高分子的存在对于苜蓿和紫穗槐均起到促进作用。其中，当聚氨酯有机高分子浓度由0%提升到10%时，苜蓿的发芽占比提高到了35%，为该条件下的优势物种。相反的，聚氨酯有机高分子对于马棘的发芽与生长起到了抑制作用。当聚氨酯有机高分子的浓度为0%时，马棘的发芽占比约为4%。但随着聚氨酯有机高分子浓度的提升，该占比逐渐下降。当聚氨酯有机高分子的浓度为10%时，马棘的发芽占比仅为1%。在浓度为20%的试样中，无法找到发芽的马棘植株。

表  3  各试样种子发芽率

Table  3.  Statistics of seed germination rate of each specimen

聚氨酯有机高分子浓度/%	各种子发芽率/%			累计发芽率/%
	苜蓿	紫穗槐	马棘
0	5	3	4	12
1	16	13	5	34
2	32	30	3	65
10	35	32	1	68
20	6	5	0	11

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图5为试验进行30 d时各试样的照片。由图可知，植被的总体生长状态与其发芽率呈现出统一性。即，随着聚氨酯有机高分子浓度的增加，植被的生长状态呈现出先逐渐趋于良好后迅速恶化的趋势，总体的转折点也为10%浓度的聚氨酯有机高分子。对各试样的土体表层进行观察可知，随着浓度增加，土体表层裂隙的数量、宽度和深度均呈现下降趋势。特别是10%和20%浓度的试样，其表层土体完整，难以发现明显的裂隙。

图  5  试验进行30 d时各试样的照片（从左至右浓度依次为：0%，1%，2%，10%，20%）

Figure  5.  Photos of each specimen at 30 days of test （From left to right: 0%, 1%, 2%, 10%, 20%）

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3.   现场试验

3.1   试验场地概述

现场试验场地位于江苏省南京市栖霞山山脚，该场地为一个由周围房屋建设人工开挖形成的岩质边坡，坡度为65°～75°（图6）。由于边坡坡度较大，表层土体难以附着在边坡表面，尤其在强降雨条件下，边坡表层土体流失严重。同时由于该边坡距离周围建筑物距离仅5 m左右，大量的水土流失对于房屋的安全性也造成一定威胁。

图  6  现场试验场地

Figure  6.  Field test site

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3.2   试验步骤

根据相关室内试验结果以及现场条件，制定现场试验具体步骤（图7）：

图  7  试验步骤

Figure  7.  Test steps

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（1）坡面整平阶段：该边坡为人工开挖边坡，坡面存在一定的松散块石和杂物，为了避免影响后续现场试验的正常进行，对其表面平整，以满足后续现场试验条件。

（2）挂网阶段：该边坡坡度较陡，表层岩体较为平整、光滑，土体难以附着，因此需要在边坡表面铺设金属网。本实验采用双层金属网，下部金属网网孔直径为5 cm，上部金属网网孔直径为10 cm。

（3）复合基材配置以及喷播阶段：根据室内试验结果以及试验成本等因素，现场试验中聚氨酯有机高分子浓度设定为10%。根据南京地区土质特点、气候因素以及室内试验的结果，植被种子以苜蓿和紫穗槐为主。将水、聚氨酯有机高分子、下蜀土、植被种子以及其他辅助材料（肥料、稻草、泥炭等）混合均匀后，利用土体喷播机将聚氨酯复合基材喷洒至岩质边坡表面。喷播时采用多次分层喷播方法，使复合基材均匀地覆盖在岩质边坡表面。喷播后复合基材层厚度为10 cm。为了有效地进行对比，试验中设置对照坡面。对照组采用未添加聚氨酯有机高分子的普通基材，其他条件完全相同。

（4）养护及评价阶段：完成喷播后，在坡面上铺设遮阳网以保护植被不受阳光的直接照射，待幼苗高度达到 4～5 cm 时拆除。定期对试验坡面和对照坡面浇水。同时，对植被的发芽和生长情况以及试验坡面和对照坡面表层的状态进行连续记录。

3.3   试验结果

图8（a）（b）为完成铺设后1个月的现场照片。对比可知，试验坡面植被发芽率较高，植被生长状态良好。植被平均高度为4~5 cm，遮阳网可以拆除。聚氨酯复合基材表层湿润、完整，无明显裂隙，坡面整体修复效果较好。对照坡面植被发芽率在10%左右，植被生长状态较差，植被平均高度1~2 cm。表面存在较多的裂隙，部分坡面发生较大规模滑动，底部金属网出露，坡面整体修复效果较差。对两个坡面进行取样并测定其含水率，试验坡面聚氨酯复合基材的含水率为22.21%，明显高于对照坡面普通基材的11.85%。这说明聚氨酯有机高分子可以明显提高复合基材的持水能力。

图8（c）（d）为完成铺设5个月后现场的照片。对比可知，试验坡面植被生长状态良好，坡面完整，无明显降水冲刷破坏痕迹，边坡修复效果良好。对照坡面植被生长状态较差，仅上部存在一定植被。坡面发生较大规模的水土流失，中下部土体已经完全流失，边坡表面降水冲刷痕迹明显，整体修复效果较差。

图  8  现场试验坡面状态

Figure  8.  Slope condition of field test

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4.   结论

（1）聚氨酯有机高分子的存在对于复合基材的强度具有显著提高作用。与浓度为0%的相比，浓度为1%聚氨酯复合基材的峰值强度为113.63 kPa，相对增长量为55.49 kPa，增长幅度约为95.45%。随着聚氨酯有机高分子浓度的增加，聚氨酯复合基材的强度也随之增加。

（2）聚氨酯有机高分子可以有效提高复合基材抵抗外力冲刷的能力；且随着聚氨酯有机高分子浓度的增加，聚氨酯复合基材的抗冲刷能力也随之提高。与浓度为1%的试样相比，20%浓度试样的冲刷峰值为28.8 g，仅为0%浓度试样第一个冲刷峰值（99.8 g）的28%。

（3）聚氨酯有机高分子可以有效促进植被种子的发芽与生长。当聚氨酯有机高分子浓度由0%提高到10%时，种子的发芽率由12%提升到68%。但当聚氨酯有机高分子浓度过大时，复合基材本身强度较大，内部空间较少，难以提供植被种子发芽和生长所需的条件。

（4）聚氨酯复合基材具有较强的实用性。对比现场试验坡面和对照坡面发现，试验坡面植被发芽率较高，植被生长状态良好，复合基材表层湿润、完整，无明显的开裂，坡面整体修复效果较好；而对照坡面植被生长状态较差，表面存在较多的裂隙，部分坡面发生较大规模的滑动，底部金属网出露，坡面整体修复效果较差。