水泥-碎玻璃稳定土在严酷盐环境下土坝填筑体中的抗内部侵蚀性能与耐久性：基于HET的τc、IHET和φf评价与预测

《Results in Engineering》：Performance and Durability of Cement-Crushed Glass Stabilized Soils for Earth-Fill Dams Under Harsh Environmental Conditions

　　

研究人员评估了水泥-碎玻璃混合料对土坝土体抗内部侵蚀性能与耐久性的影响。水泥-碎玻璃混合料改善了土坝土体的抗内部侵蚀能力。耐久性在简化NaCl基盐性养护3个月后评估。临界剪应力（critical shear stress，τ_c）在平台掺量下由40–89 N/m²升至330–379 N/m²。侵蚀等级在平台掺量下由极快/很快转为很慢。样本外决定系数（R²）为τ_c的0.978、IHET的0.867和φ_f的0.836。

研究背景与问题：玻璃是非生物降解材料，自然分解时间估算近一百万年，填埋条件下可能更久。全球玻璃产量约1.5亿吨/年，相关CO₂当量约8600万吨，约占全球温室气体排放0.3%。美国每年约750万吨玻璃进入城市固废填埋；欧盟玻璃包装回收2022年达75.6%，但全球总玻璃回收约21%，容器玻璃约32%，平板玻璃约11%。玻璃化学组成和类型多变，回收困难，生产能耗高。土坝内部侵蚀（internal erosion）是关键破坏模式，可导致突发灾难性失稳，包括反向侵蚀与管涌、集中渗漏侵蚀、接触侵蚀和潜蚀。UAE等严酷气候下高温蒸发改变水力梯度，盐地下水影响盐分和植被，区域案例显示盐环境、陡坡和极端天气加速侵蚀。既有废玻璃稳定土研究多关注无侧限抗压强度、阿特贝限和承载能力等，较少直接评估内部侵蚀；水泥-碎玻璃稳定土在长期盐暴露下的行为和预测框架尚未充分建立。因此，研究人员开展本研究。

研究实施与总体结论：研究人员采用孔蚀试验（Hole Erosion Test，HET）直接测量八种低至高塑性黏土和粉土（CL、ML、CH、MH）的IHET（侵蚀速率指数，英文缩写保留）、τ_c（critical shear stress，临界剪应力）和φ_f（failure hole diameter，破坏孔径），以水泥-碎玻璃1:1混合料稳定，掺量1%–8%，并与未处理土对照。低塑性CL和ML部分试样在3.5% NaCl溶液中、UAE夏季条件下浸泡约三个月后测试。研究还考察塑性指数（plasticity index，PI）、液限（liquid limit，LL）和水泥-碎玻璃掺量影响，并建立经验预测模型。结论表明，水泥-碎玻璃提高抗内部侵蚀能力，平台掺量随土类为4%–8%；盐暴露在低掺量下增加侵蚀，高掺量下盐养护与未养护差异减小；样本外R²为τ_c的0.978、IHET的0.867、φ_f的0.836。意义在于为严酷环境土坝提供可持续稳定思路和初步筛选工具。

关键技术方法（不超过250字）：试验在American University of Sharjah (AUS)土力学实验室完成。八种细粒土按ASTM D698压实至95%最大干密度，制成101.6 mm内径、116.4 mm长圆柱，轴心钻6 mm孔；在800 mm恒水头下进行HET，水力梯度约6.87，测流量和φ_f，按Wan和Fell方法计算IHET、τ_c和侵蚀系数。盐养护用3.5% NaCl溶液，在UAE夏季自然条件下约90天，每周检查盐度，去离子水补蒸发。经验模型基于室温未养护数据，以PI、LL和G/G_opt（G_opt为平台掺量）为变量非线性回归，盐养护数据作为样本外环境测试集。

研究结果：
3.1 土体性质对土壤侵蚀参数（IHET、τ_c和φ_f）的影响。
3.1.1 塑性指数（PI）的影响：通过八种土HET得出，PI增大时IHET和τ_c总体提高，φ_f降低，说明高塑性土黏结更强，抗内部侵蚀更强。
3.2 水泥-碎玻璃掺量对土壤侵蚀参数（IHET、τ_c和φ_f）的影响：随掺量增加，IHET和τ_c升高，φ_f降低，侵蚀类别由快向慢转变；平台掺量从ML2的4%到CH1、CH2的8%，高塑性CH/MH需6%–8%，低塑性CL/ML需4%–6%。高于平台未测，未建立更高掺量下性能下降；水泥和玻璃仅作为1:1组合评价，不能分离各自贡献或证明协同。
3.3 严酷盐环境对土壤侵蚀参数（IHET、τ_c和φ_f）的影响：仅CL和ML接受盐养护。随掺量增加，IHET和τ_c升高、φ_f降低；低掺量时盐环境使IHET和τ_c偏低、φ_f偏大，Na⁺和Cl^-可促进黏土分散；高掺量改善，但水泥产物未直接验证。
3.4 盐养护与未养护土体比较：低掺量盐养护试样IHET和τ_c较低、φ_f较大；高掺量两组趋同。因龄期不同，差异反映盐养护和继续养护的综合效应。
3.5 所测土体的性能指数分量（Wi）：Wi为各侵蚀参数相对未处理值的比值。未养护和盐养护下Wi随掺量增加，φ_f相关Wi提升最大；盐养护低掺量Wi较低，高掺量因基线较低而超过未养护，但绝对值趋同。
3.6 内部侵蚀参数的经验预测模型：基于室温数据建立IHET、τ_c、φ_f模型。
3.6.1 IHET预测模型：采用增长型方程，IHET₀锚定未处理状态，指数项控制G/G_opt；PI和LL项因相关性强不能单独解释；校准R²=0.961。
3.6.2 τ_c预测模型：采用Hill型饱和函数；拟合K=0.651、n=3.166、a₂=a₃=0、α=0.136、β=65.16；校准R²=0.983，说明τ_c主要受未处理参考值和归一化掺量控制。
3.6.3 φ_f预测模型：采用指数衰减；n=1.609、b₁=1.895、b₂=0；校准R²=0.969。
3.6.4 模型开发程序与验证：室温数据n=55校准，盐养护数据n=23作样本外测试；τ_c模型R²=0.978，IHET=0.867，φ_f=0.836；φ_f的RMSE（root-mean-square error，均方根误差）为7.25 mm，相对平台6–10 mm较大，盐预测仅具指示性；残差存在偏差但偏保守。
3.6.5 盐养护试样的修正模型：保持结构用盐数据重校准；IHET R²=0.975，τ_c=0.988，φ_f=0.962；这是拟合统计，不是未见数据预测性能。
3.7 与既往研究比较：既往研究多只报告一个或两个侵蚀参数，且无环境暴露；本研究同时报告八种土IHET、τ_c、φ_f，进行三个月盐暴露，并建立归一化剂量-响应模型；相较Attom et al.，新增耐久性和预测框架，而非改善本身。

工程应用与讨论总结：该稳定方法可用于小中型土坝、堤防、圩堤和堤岸等允许土体处理的工程，将低回收率废玻璃转化为工程资源，减少填埋和水泥需求，从而降低CO₂排放。归一化经验模型可用于材料筛选和初步设计，但不能替代场地试验；用于全尺度时需考虑原位渗流梯度、尺度效应、压实变异和可施工性。讨论指出，本研究未进行X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜/能谱（SEM/EDS）或热重分析（TGA），水化和火山灰产物仅依据文献机制解释；盐养护与继续养护混杂，不能分离；模型应用前需已知未处理响应和G_opt，仅支持已表征土内插，不是未测土预测；建议未来开展年龄匹配对照、水泥单掺和玻璃单掺、CH/MH盐暴露、现场或大尺度验证。

结论翻译：较高PI土体内部侵蚀抗力更强，表现为更高IHET、τ_c和更低φ_f。增加水泥-碎玻璃掺量提高抗侵蚀能力；平台掺量随土类从最低塑性土的4%到最高塑性土的8%变化，高于平台未测，未建立更高掺量性能下降，因此掺量应按土类选择。低塑性CL和ML在盐暴露下，低稳定掺量时比未养护更易侵蚀；因龄期不同，该差异反映盐养护和继续养护的综合效应。在这些CL和ML中，高水泥-碎玻璃掺量下盐养护与未养护差异减小，表明组合处理限制盐养护影响；相关机制未直接验证。CH和MH未盐养护，外推需未来工作。所有性能指数分量Wi随掺量增加，φ_f提升最大。三个经验方程在未养护数据校准，并在保留的盐养护数据上样本外测试；样本外R²为τ_c的0.978、IHET的0.867、φ_f的0.836；应用前需知未处理响应和平台掺量，故支持已表征土内插而非未测土预测，宜作初步筛选工具。盐养护数据重校准改善拟合且不改变模型结构，但因用同一数据拟合和评价，拟合统计不代表未见样本预测性能。