連續(xù)纖維絲加筋補強植生技術(shù)抗剪抗侵蝕研究

彭沖 張一凡 葉宇軒 王茜徵 梁令帥 江亞雄 裴福云 王麗

摘要 連續(xù)纖維絲補強土工法作為一種新型的土體改良技術(shù)，具有適用廣泛、抗剪及抗侵蝕強且更易于植物生長等優(yōu)點。通過直剪試驗和邊坡模型抗雨水沖刷試驗，分別測定了不同纖維絲含量對加筋補強植生土抗剪切強度的影響及纖維絲對邊坡穩(wěn)定性的影響。直剪試驗中共設(shè)置4種纖維絲加入量（0、100、200、300 g/m2）和2種基質(zhì)配方（以原料土為主要成分的配方A、以原料土和普通硅酸鹽水泥為主要成分的配方B），邊坡模型抗雨水沖刷模擬試驗共設(shè)置了2種纖維絲加入量（0、300 g/m2）和2種邊坡坡度（30°、60°）。試驗結(jié)果表明，纖維絲對2種基質(zhì)配方均有較好的補強效果，且對配方A和配方B摩擦角？覫的影響程度均較小。對配方A而言，黏聚力C隨著纖維絲加入量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，當(dāng)纖維絲用量為200 g/m2時，C值達到最高；而對配方B而言，黏聚力C隨著纖維絲加入量的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，纖維絲的最優(yōu)投加量為300 g/m2。在邊坡模型抗雨水沖刷模擬試驗中，纖維絲的加入有利于邊坡的加筋補強。對于60°的陡坡而言，不加絲的邊坡在418 s后即崩塌，而加入纖維絲的邊坡在長時間內(nèi)保持穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞 連續(xù)纖維絲；抗剪強度；內(nèi)摩擦角；黏聚力；邊坡模型

中圖分類號 TU472 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）04-0152-03

隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，水利、公路、鐵路、礦山等建筑工程逐漸增多，在工程中土石方邊坡開挖破壞了原有的植被，導(dǎo)致大量的土坡和巖石邊坡裸露，造成了嚴(yán)重的生態(tài)破壞及水土流失現(xiàn)象。因此，邊坡生態(tài)修復(fù)成為我國當(dāng)前生態(tài)建設(shè)的重點。

邊坡生態(tài)修復(fù)也稱為生態(tài)護坡，是用活的植物或植物與非生命材料相結(jié)合的方式代替純工程防護方式，通過種植植物，依靠植物根莖與土壤間的附著力及根莖相互纏繞達到加固邊坡的效果。修筑生態(tài)護坡可根據(jù)邊坡的類型、坡度和坡面特征等選用不同的技術(shù)措施。目前，在邊坡工程上常見的生態(tài)修復(fù)技術(shù)有掛三維網(wǎng)客土噴播、掛鐵絲網(wǎng)客土噴播、土工格室綠化、植生袋等。工程實踐證明，上述幾種生態(tài)護坡技術(shù)均具有一定的護坡能力，且各具優(yōu)點，但仍存在適用范圍窄、與坡面結(jié)合不緊密、工藝復(fù)雜、易出現(xiàn)“斑禿”和成本高的問題[1]。因此，尋求一種成本低廉、操作簡便、應(yīng)用范圍廣、景觀性好且與坡面緊密結(jié)合的生態(tài)護坡技術(shù)具有一定的市場前景。連續(xù)纖維絲補強土（geofiber）工法由于具有適用廣泛、抗剪及抗侵蝕強且更易于植物生長等優(yōu)點，在歐美國家和日本被廣泛應(yīng)用。但國內(nèi)因受限于設(shè)備、系統(tǒng)操作、施工的復(fù)雜性及成本較高等因素，推廣應(yīng)用較少。

本研究通過測定2種植生基材不同纖維絲含量的抗剪切強度，初步研究影響纖維絲加筋補強植生土抗剪切強度的因素，確定了纖維絲在植生基材中的最佳投入量。同時，通過搭建自制邊坡模型、構(gòu)建模擬人工降雨系統(tǒng)[2]，研究纖維絲補強對邊坡耐雨水沖刷能力的影響，以期指導(dǎo)工程實踐。

1 材料與方法

1.1 植生土配制

本試驗中植生基材參考實際邊坡工程中的配比進行配制，共設(shè)置2種植生基材（A和B）。其中，配方A包括70%原料土、25%有機肥以及5%其他保水劑、調(diào)理劑和添加劑等；配方B包括65%原料土、5% 425#普通硅酸鹽水泥、25%有機肥以及5%其他保水劑、調(diào)理劑和添加劑等。試驗所用原料土取自深圳市某邊坡，顏色為黃褐色。經(jīng)測定，該土為級配不連續(xù)的不均勻細(xì)粒土，比重為2.66，塑性指數(shù)為12.91，滲透系數(shù)為7.913×10-3 cm/s，滲透性屬于中滲透性，壓縮模量為3.77 MPa，屬于中壓縮性土；試驗中所用有機肥是由深圳市鐵漢生態(tài)股份有限公司利用園林廢棄物和雞糞共同發(fā)酵腐熟生產(chǎn)的產(chǎn)品。

1.2 纖維絲參數(shù)

在綜合考慮各方面因素后，最終決定選擇強度較高，彈性、抗腐蝕、耐酸堿、耐磨等特性均較強且售價較低的滌綸低彈絲（DTY）作為試驗用絲，該纖維絲纖度為150 D，斷裂強度為3.15 CN/dtex。

1.3 樣品制備和試驗方法

1.3.1 抗剪試驗。土樣試件的制備和剪切試驗程序嚴(yán)格按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—1999）進行[3]。土樣共設(shè)置纖維絲加入量（0、100、200、300 g/m2）和基質(zhì)配方（配方A、配方B）2個試驗變量。其中，纖維絲加入量表示對12 cm厚的土單位面積中加入纖維絲的量。制樣前，將原料土過2 mm篩后于105 ℃烘箱中烘干，并保證其他試驗材料干燥，根據(jù)基質(zhì)配方和纖維絲加入量進行混合配制，制成內(nèi)徑6.18 cm、高2 cm的圓柱形試件[4]。為保證纖維絲盡量均勻地分布在基質(zhì)中，采用逐層法將稱量好的連續(xù)纖維絲與基質(zhì)同步混勻。試樣制好后在自然通風(fēng)條件下干燥、養(yǎng)護1周再進行直剪試驗。直剪試驗分別在100、200、300、400 kPa 4個正向應(yīng)力下施加水平剪應(yīng)力進行剪切，讀出測量表讀數(shù)，并進行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理[5]。

1.3.2 邊坡模型抗雨水沖刷模擬試驗。試驗中采用的邊坡模型裝置為自制而成，主要由土槽和降雨系統(tǒng)2個部分組成，如圖1（a）所示。試驗邊坡模型總長180 cm（其中主體部分為150 cm）、寬50 cm、深30 cm，并在距模型底部30 cm處開一長5 cm、寬5 cm的出水槽用于試驗中徑流液的收集。在模型主體部分均勻固定5根錨桿，如圖 1（b）所示。同時，在模型內(nèi)用木螺釘固定若干木條，用以模擬實際邊坡工程操作中的溜溝，如圖1（c）所示。降雨系統(tǒng)主要由進水管、閥門、噴射器、穩(wěn)定架等部件構(gòu)成，通過前期預(yù)試驗確定其流量，保證在各組試驗中的小時降雨量均為250 mm（模擬特大暴雨）。

模型試驗共設(shè)置不同坡度、是否添加纖維絲2組參數(shù)作為變量，設(shè)計4組試驗，每組試驗均以配方A作為植生基材，各組試驗的參數(shù)見表1。

試驗前，將邊坡模型固定至設(shè)計坡度，按照預(yù)先設(shè)計的參數(shù)進行裝土。先將過篩后的土樣按相應(yīng)的基質(zhì)配方混合后分2層裝入試驗土槽，控制第1層土樣厚度為5 cm、第2層厚度為12～13 cm，裝土過程中須邊填邊壓實，并注意2層之間結(jié)合良好，避免出現(xiàn)分層現(xiàn)象；填土完成后使試驗土槽內(nèi)土壤密度控制在1.40～1.45 g/cm3。添加纖維絲的B與D組中，在第1層土樣填充完成后，開始啟動噴絲機，在規(guī)定時間內(nèi)完成第2層土與纖維絲的均勻混合。裝填完成后，用平尺將表面刮平。為保證每次試驗初始條件保持一致，土樣裝填完畢后用噴壺在土樣表面均勻灑水，水量控制在使土壤表面接近飽和但未形成徑流，并養(yǎng)護1 d。本試驗中所使用噴絲機為深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司自主研發(fā)并擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。

試驗過程中，按預(yù)先設(shè)定的250 mm/h降雨量開啟降雨系統(tǒng)，同時開始計時；自計時開始每隔10 min收集100 mL徑流，并記錄收集所用的時間；徑流采集試驗共進行60 min，全程觀察邊坡土樣的動態(tài)[6]。徑流收集結(jié)束后，經(jīng)濾紙（孔徑為50 μm）過濾、烘干、稱重、計算等過程得出侵蝕量。

侵蝕量（%）=（過濾后烘干濾紙質(zhì)量-過濾前烘干濾紙質(zhì)量）/（邊坡面積·收集時間）×100

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維絲含量對抗剪強度參數(shù)指標(biāo)的影響

本試驗選取剪應(yīng)力峰值表征抗剪強度，無峰值時取剪切位移為8mm時所對應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強度，將抗剪強度與垂直壓力的關(guān)系進行擬合（圖2、3），得出土樣的黏聚力C和內(nèi)摩擦角？覫（表2、3）。

2.1.1 配方A。由圖2和表2可以看出，對于配方A而言隨著纖維絲加入量的增加，內(nèi)摩擦角的值最大變化量僅為2.48°，可見加絲量對內(nèi)摩擦角？覫的影響較小。而黏聚力C隨著纖維絲加入量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，且對黏聚力C的影響均為正。C值在200 g/m2的加絲量下最高，達到28.36 kPa，相較于不加絲的情況下增加了95.99%?？梢姡浞紸的纖維絲最優(yōu)投入量為200 g/m2，加入纖維絲可以較大程度地提高土體A的黏聚力，具有較好的加筋補強效果。

2.1.2 配方B。由圖3和表3可以看出，對于配方B而言，加絲量的變化所引起的內(nèi)摩擦角？覫的變化<0.4°，可見纖維絲的加入對內(nèi)摩擦角？覫幾乎無影響。而土壤黏聚力C則隨著加絲量的增加呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。在加絲量為300 g/m2時，土壤黏聚力C的值達到9.69 kPa，為不加絲土體的3.4倍。可見，在試驗投加范圍內(nèi)，纖維絲的最優(yōu)投加量為300 g/m2，對配方B有較好的加筋補強效果。

2.2 纖維絲對邊坡穩(wěn)定性的影響

邊坡模型抗雨水沖刷模擬試驗的相關(guān)結(jié)果見圖4～7。

由圖4～7可見，在植生基質(zhì)配方A下，不論在較小坡度（30°）或者較大坡度（60°）下纖維絲對邊坡均有較好的加筋補強效果。

2.2.1 30°邊坡。對比圖4（a）及圖4（b），在較小坡度下，經(jīng)過60 min的模擬降雨之后，不加絲的邊坡被雨水侵蝕得更加嚴(yán)重。試驗中觀察發(fā)現(xiàn)，不加絲邊坡表層較為松散，模擬降雨開始時侵蝕量較多（即因粒徑≥50 μm而被濾紙截留的顆粒較多）；隨后侵蝕量急劇下降，結(jié)合試驗中發(fā)現(xiàn)濾紙過濾后濾液仍渾濁的現(xiàn)象推斷邊坡上流失的土粒以小顆粒為主（粒徑<50 μm，未被濾紙截留而流入濾液）。而加絲邊坡在降雨開始初期侵蝕量呈現(xiàn)上升的趨勢，如圖5所示。這是由于開始表面徑流尚未形成，擊濺侵蝕由于表面纖維絲的緊固及緩沖作用，部分隨水流流失，部分由于重力作用沉積在表面，隨著地表徑流逐漸形成，侵蝕量逐漸加大。降雨10 min之后，由于薄層水流、徑流以及擊濺侵蝕的相互作用，流失的大顆粒土粒（粒徑≥50 μm，被濾紙截留）逐漸減少，小顆粒土粒（粒徑<50 μm，流入濾液）則呈現(xiàn)先增多后降低的趨勢。

2.2.2 60°邊坡。對60°的邊坡而言，加絲對邊坡的補強效果更加明顯。由圖6（a）可見，不加絲的邊坡在模擬降雨開啟418 s后即達到穩(wěn)定的臨界值，發(fā)生崩塌，降雨60 min后整個邊坡幾乎完全沖垮；而加絲的邊坡經(jīng)歷60 min的暴雨沖刷后，仍保持完好狀態(tài)，見圖6（b）。同時，結(jié)合侵蝕量隨時間的變化曲線（圖7）及觀測濾液的渾濁程度可知，徑流液濾液均較為清澈，說明添加纖維絲的60°邊坡受降雨侵蝕的主要是較大粒徑的土粒，這可能是由于在坡度較大時的表面侵蝕過程中小粒徑顆粒會由于重力等作用形成大粒徑顆粒；侵蝕量隨時間的變化呈現(xiàn)升高、降低再升高的趨勢，據(jù)此推測邊坡的表面是逐層被降水侵蝕的，并且隨著侵蝕時間的延長，侵蝕量的峰值也逐步降低。

3 結(jié)論

本文在直剪試驗的基礎(chǔ)上，研究了連續(xù)纖維絲添加量對加筋補強植生土抗剪切強度的影響，并探討了其影響機理；同時，通過邊坡模型試驗，研究了纖維絲對緩坡和陡坡的加筋補強效果，得到如下結(jié)論。

（1）纖維絲的加入對配方A和配方B均有較好的加筋補強效果，且對配方A和配方B摩擦角？覫的影響均較小。對配方A而言，黏聚力C隨著纖維絲加入量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在200 g/m2的加絲量下，C值達到最高；而對配方B而言，黏聚力C隨著纖維絲加入量的增加呈現(xiàn)增加的趨勢，在試驗投加范圍內(nèi)，纖維絲的最優(yōu)投加量為300 g/m2。

（2）在自制的邊坡模型抗雨水沖刷模擬試驗中，以配方A為植生基材的條件下，不論是在緩坡（30°）還是陡坡（60°）的坡度條件下，添加纖維絲的邊坡其加筋補強效果均優(yōu)于不加纖維絲的邊坡。在30°的緩坡條件下，不加絲邊坡較加絲邊坡被雨水侵蝕得更嚴(yán)重，纖維絲對穩(wěn)固坡面較大粒徑的土粒具有重要作用；而在60°的陡坡條件下，不加絲邊坡僅在降雨418 s后即崩塌，而加入纖維絲的邊坡在長時間內(nèi)未發(fā)生崩塌現(xiàn)象。

4 參考文獻

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