基于土工網(wǎng)的植草護(hù)坡室內(nèi)模型試驗研究

王文博，劉偉璐，郭 飛，喬建剛

（1.滄州交通學(xué)院，河北 黃驊 061199；2.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；3.北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100048）

0 引言

強(qiáng)降雨天氣導(dǎo)致公路邊坡水土流失嚴(yán)重，給公路安全帶來極大影響。近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者提出土工網(wǎng)植草邊坡防護(hù)理論[1-2]。同時，為了提高模擬試驗穩(wěn)定性，減少外界因素對試驗的影響，相關(guān)學(xué)者根據(jù)實際影響因素相繼設(shè)計自主研發(fā)的邊坡模擬試驗裝置，以模擬室外條件下的室內(nèi)邊坡降雨沖刷試驗。孫萍等[3]設(shè)計人工降雨模擬裝置，該裝置操作方便，降雨均運行良好，但是，裝置構(gòu)件較多，制作復(fù)雜。杜婷婷等[4]自行設(shè)計室內(nèi)降雨模擬裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)不同改良土、降雨強(qiáng)度、降雨歷時、坡度等條件下的綜合試驗，但是該裝置尺寸較小，不便于模擬較大尺寸邊坡。尹學(xué)博[5]設(shè)計室內(nèi)模擬試驗裝置，該裝置將5 cm天然砂鋪于低槽下部，可以實現(xiàn)試驗土的透水狀況與實際相符，但是該裝置坡度控制有待于完善。吳謙等[6]提出的室內(nèi)降雨模擬試驗裝置配備數(shù)字影像實時監(jiān)測系統(tǒng)與體積含水率采集系統(tǒng)，但是，該裝置需要定期添加水，以保證不斷降雨。Li等[7]將電腦控制模擬降雨邊坡試驗裝置，自動化程度較高，但是，裝置復(fù)雜，制作成本較高。盧坤林等[8]提出的抬起式試驗裝置可以實時監(jiān)測不同時間節(jié)點的邊坡土體侵蝕情況。駱漢等[9]提出的模擬試驗裝置降雨參數(shù)可控可調(diào)節(jié)。程曄等[10]提出的模擬試驗裝置模擬邊坡結(jié)實耐用。張永杰等[11]提出的室內(nèi)降雨模擬試驗裝置調(diào)控方便，模型制作相對復(fù)雜，未充分考慮雨量對試驗裝置的影響。程日盛[12]提出的室內(nèi)降雨模擬試驗裝置精準(zhǔn)穩(wěn)定，影響邊坡沖刷因素考慮相對較少?，F(xiàn)有裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，裝置操作環(huán)節(jié)較多，影響試驗效率。因此，通過實地調(diào)研多地公路邊坡，結(jié)合邊坡水土流失的影響因素，設(shè)計了符合室外實際降雨情況的室內(nèi)模擬試驗?zāi)Ｐ停⒗么四Ｐ脱芯苛送凉ぞW(wǎng)類型對邊坡植草生長情況和土工網(wǎng)植草對邊坡土體性能的影響，為土工網(wǎng)植草防護(hù)應(yīng)用于公路邊坡防護(hù)提供了理論依據(jù)。

1 試驗方案

為研究土工網(wǎng)對植草生長的影響和土工網(wǎng)植草對邊坡固土性能影響，以粉質(zhì)黏土邊坡為例，進(jìn)行了粉質(zhì)黏土邊坡土工網(wǎng)-植草試驗、降雨沖刷試驗、直剪試驗。

1.1 土工網(wǎng)的選用

使用三維網(wǎng)墊（型號EM4）、復(fù)合毯、單層網(wǎng)（型號CE111）[13]。3種土工網(wǎng)參數(shù)如表1所示。

表1 土工網(wǎng)種類及其參數(shù)Tab.1 Parameters and styles of geonets

1.2 降雨強(qiáng)度和歷時設(shè)定

參考《室外排水設(shè)計規(guī)范（GB50014—2006）》關(guān)于暴雨強(qiáng)度公式編制方法特短歷時暴雨強(qiáng)度公式[14]，并且國家將降雨量2.0 mm∕min定為強(qiáng)降雨。沖刷實驗設(shè)計采用等強(qiáng)度降雨，故通過調(diào)節(jié)流量計至400 mL∕min，扣除實驗時降雨誤差和折減計算，設(shè)定模擬試驗的降雨強(qiáng)度為3 mm∕min。

1.3 邊坡土質(zhì)的選取與測定

由于粉質(zhì)黏土相對利于植物生長，可減少其他因素對草籽生長的不利影響，因此，選擇粉質(zhì)黏土[15]。利用烘干法測定不同土體含水率，利用室內(nèi)擊實試驗測定不同最優(yōu)含水率。如表2所示。

表2 粉質(zhì)黏土的物理參數(shù)Tab.2 Parameters of the silty clay

利用篩分法測定粉質(zhì)黏土粒徑百分比。如表3所示。

表3 不同粒徑顆粒的占比Tab.3 Proportion of different particles for different sizes

1.4 草籽及配合比選取

選用高羊茅、早熟禾、黑麥草為植草試驗對象。質(zhì)量配比為2∶1∶1。

將6個木盒編號1～6，1、4號木盒鋪設(shè)復(fù)合毯，2、5號木盒鋪設(shè)三維網(wǎng)，3、6號木盒鋪設(shè)單層網(wǎng)，為了保證植草高度和覆蓋度取值均一性，對同種土工網(wǎng)防護(hù)的兩個盒的植株高度和覆蓋度取均值。其中用網(wǎng)格標(biāo)記法測算植物的覆蓋度。利用卷尺測量各木盒內(nèi)較高的植株高度。

首先在木盒內(nèi)均勻鋪放粉質(zhì)黏土（厚度3 cm），播撒微量有機(jī)質(zhì)，然后鋪設(shè)相應(yīng)土工網(wǎng)，然后將混合種子均勻撒在土工網(wǎng)中間層，最后回填2 cm土體。在植株生長出來前，每天早晚各澆一次水，在生長出來后每3 d澆一次水。前兩周每天記錄其對應(yīng)的生長狀況，后期可適當(dāng)減少。待植物生長28 d后，開展模擬降雨沖刷試驗和土體直剪試驗。試驗室植草過程如圖1所示。

圖1 試驗室植草生長過程Fig.1 The grass growth in the laboratory

1.5 模擬邊坡降雨試驗裝置及試驗方案

1.5.1 模擬邊坡降雨試驗裝置

考慮設(shè)定因素與試驗工況較多，為了達(dá)到重復(fù)試驗效果，故采取小型模擬邊坡降雨試驗裝置，該裝置主要包括邊坡模擬裝置、降雨模擬裝置、沖刷土收集裝置3部分。邊坡模擬裝置包括可調(diào)節(jié)鋼架支座、上部玻璃槽，在其內(nèi)部放置一個木盒（凈長470 mm×寬290 mm×高50 mm，板厚1.5 cm）用于模擬土質(zhì)無限邊坡，木盒要放置好土體后再放置于玻璃槽內(nèi)。本試驗?zāi)M邊坡降雨試驗裝置如圖2所示。

圖2 邊坡模擬降雨試驗裝置Fig.2 The equipment of simulating slope and rainfall in the laboratory

1.5.2 模擬邊坡降雨沖刷試驗方案

1）試驗準(zhǔn)備

首先調(diào)整鋼架尾端砝碼數(shù)量，至所需坡度，然后用刮刀將木盒底部打毛，再噴灑適量水（防止土體覆蓋木盒上立即滑落），再均勻鋪裝土體（厚度為2 cm），鋪裝土工網(wǎng)，再均勻鋪裝土體（厚度為2～3 cm），土體厚度總計為5 cm。鋪蓋一層防水塑料布，調(diào)節(jié)水管閥門至設(shè)定的流量，待流量計讀數(shù)穩(wěn)定后，揭下塑料布進(jìn)行降雨沖刷。

2）降雨沖刷

試驗降雨強(qiáng)度為3 mm∕min。在降雨開始后的前15 min內(nèi)，每隔5 min收集水和泥沙一次，15 min以后每隔15 min收集一次，共進(jìn)行1 h。試驗中若出現(xiàn)土體部分開始滑落，則記錄其開始滑落時間，并減小記錄的間隔時間直至土體全部滑落，同時觀察坡面的土體流失形態(tài)，拍照記錄試驗過程中各個時間節(jié)點的試驗現(xiàn)象。

3）烘干稱重

將收集的水土流失物靜置24 h后，用濾紙過濾烘干稱量。再改變坡度和土工材料重復(fù)進(jìn)行相關(guān)試驗。

因此，本次降雨沖刷試驗工況如表4所示。

表4 不同邊坡模擬工況Tab.4 Different simulated conditions

1.6 直剪試驗方案

在沖刷試驗完成后，待盒內(nèi)含水量恢復(fù)，剪掉其植株上部，按照《公路土工試驗規(guī)程（JTG E40-2007）》直剪試驗要求，對不同土工網(wǎng)種植盒內(nèi)的土體取樣。采樣過程中發(fā)現(xiàn)環(huán)刀內(nèi)的植株根數(shù)大致為12～15根，裁剪植株使其長度大致在5～8 cm，得知草籽出芽效果相當(dāng)。故后期數(shù)據(jù)分析不考慮植物根數(shù)對土體抗剪強(qiáng)度的影響，僅對比分析不同土工網(wǎng)材料的植物根系土體和未進(jìn)行土工材料防護(hù)的植物根系土體的抗剪強(qiáng)度。

其中根-土復(fù)合體直剪試驗過程大致可分為4個部分[16]。

1）首先取根-土樣，采用環(huán)刀法在進(jìn)行的種植去根-土復(fù)合土試樣。將環(huán)刀的刀面切入木盒內(nèi)，然后用相關(guān)的錘擊物將環(huán)刀全部切入土體內(nèi)部，慢慢移動土樣至完整的取出，削去多余部分使試樣平整。

2）放上土盒，并插入固定插銷。

3）將環(huán)刀刃口向上，反放在土盒上，并使環(huán)刀頂邊嵌入上盒頂面的淺槽中對準(zhǔn)孔位。用推土塞將試樣輕輕地壓入剪切盒中，并依次放上透水石，活塞和傳力鋼珠。

4）在試驗過程中通過不斷調(diào)整砝碼重量，調(diào)整垂直壓力加壓系統(tǒng)，以保證土樣的垂直壓力，垂直壓力σa依次為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。按照規(guī)定的試驗時間進(jìn)行相關(guān)剪切試驗，勻速轉(zhuǎn)動手輪，待3～5 min內(nèi)測微表讀數(shù)不再增加乃至減少時，并記錄位移數(shù)據(jù)R。

直剪試驗過程如圖3所示。

圖3 剪切試驗Fig.3 Direct shear test

土體抗剪強(qiáng)度計算公式為

式中：τf為土體抗剪強(qiáng)度，kPa；ζ代表應(yīng)力鋼環(huán)變形系數(shù)，kPa∕0.01 mm；R代表剪切過程中應(yīng)力鋼環(huán)百分表的變形值，0.01 mm。

以垂直壓力σa為橫坐標(biāo)，單位為kPa；以τf為縱坐標(biāo)，繪制土體抗剪強(qiáng)度-垂直壓力(τf-σa)關(guān)系曲線，可近似地用庫倫公示表示。庫倫公式為

式中：c為直線與縱坐標(biāo)軸交點的縱坐標(biāo)為土體黏聚力數(shù)值，kPa；tanφ為直線斜率為土體內(nèi)摩擦角正切值。

2 結(jié)果分析

2.1 不同土工網(wǎng)防護(hù)邊坡植株高度、覆蓋度分析

對比、分析不同土工網(wǎng)防護(hù)邊坡的植株高度、覆蓋度，對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 3種土工網(wǎng)防護(hù)邊坡植株高度、覆蓋度-生長天數(shù)關(guān)系Fig.4 Height and coverage of grass-days on the slope protected by three kinds of geonets

如圖4所示，對于3種土工網(wǎng)防護(hù)邊坡，其植株覆蓋度發(fā)展過程大致相當(dāng)，植株生長高度有差異。其中單層網(wǎng)防護(hù)邊坡植株生長較快，達(dá)到全部覆蓋度所需要的時間較短，因為單層網(wǎng)材料覆蓋厚度較小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對簡單，對植物生長阻擋較小；復(fù)合毯、三維網(wǎng)自身材料層數(shù)相對較多，厚度相對較大，在生長前期部分植株未能較好生長，在后期植株達(dá)到一定生長高度，土工網(wǎng)對其生長影響較小。同時植株在3種材料中生長高度相差較小，表明土工網(wǎng)材料對植株后期生長影響相對較小。

由此可見，3種土工材料對植物的生長影響較小，并且對于有一定厚度的土工網(wǎng)材料，在種植過程中要注意種子的播撒位置，可以減小土工材料對種子生長初期的影響。

2.2 不同土工網(wǎng)防護(hù)粉質(zhì)黏土邊坡土體流失分析

2.2.1 不同土工網(wǎng)防護(hù)粉質(zhì)黏土邊坡土體流失現(xiàn)象分析

為探究植草對邊坡固土性能的影響，以1∶1坡度、粉質(zhì)黏土邊坡為例，分別進(jìn)行植草與未植草邊坡沖刷試驗，邊坡沖刷現(xiàn)象如圖5～圖7。

圖5 雨水沖刷前3種土工網(wǎng)防護(hù)植草邊坡情況Fig.5 The phenomenon of the grass slope protected by three kinds of geonets before rainfall

圖6 25 min時3種土工網(wǎng)防護(hù)植草邊坡沖刷情況Fig.6 The phenomenon of soil erosion for the grass slope protected by three kinds of geonets at 25 min

如圖5～圖7所示，對于相同防護(hù)材料，未植草邊坡均發(fā)生了明顯的土體流失，植草邊坡的流失面積均小于未植草邊坡。在降雨沖刷過程中，植株可以起到阻擋降雨的作用，葉面不僅能夠減蝕，而且減少了雨水對邊坡的沖刷。首先雨水較多降落在植株葉面，然后在葉面滑落，雨水的沖擊勢能隨之降低，同時隨著植株葉子被雨水打散，大多數(shù)葉面均貼向坡面，植物與土工網(wǎng)有機(jī)結(jié)合，減少了坡面水流量，延緩了坡面徑流的出現(xiàn)，所以，植草邊坡收集裝置中的水土流失物相對較少。

圖7 25 min時未植草邊坡沖刷情況Fig.7 The phenomenon of soil erosion for the non-grass slope protected by three kinds of geonets at 25 min

2.2.2 不同土工網(wǎng)防護(hù)粉質(zhì)黏土邊坡土體流失面積分析

對比1∶1坡度、不同土工網(wǎng)防護(hù)植草和未植草的邊坡土體累積流失量-降雨累積量曲線。對比結(jié)果如圖8、圖9所示。

如圖8、圖9a）所示，雖然植草邊坡仍有一定的土體流失，但是流失量要小于未植草邊坡的流失量。并且對于植草防護(hù)邊坡，單層網(wǎng)流失量最大，三維網(wǎng)次之，復(fù)合毯最小。相對于圖9a），在降雨后期，植草邊坡的土體累積流失量增加量遠(yuǎn)小于未植草邊坡，表明在降雨后期植草可以有效提高邊坡固土性能。

圖8 不同土工網(wǎng)防護(hù)植草邊坡土體累積流失量-降雨累積量曲線Fig.8 Accumulated amount of soil erosion-accumulated rainfall curves for the grass slope protected by three kinds of geonets

圖9 不同土工網(wǎng)防護(hù)未植草邊坡土體累積流失量-降雨累積量曲線Fig.9 Accumulated amount of soil erosion-accumulated rainfall curves for the non-grass slope protected by three kinds of geonets

2.3 不同土工網(wǎng)防護(hù)粉質(zhì)黏土邊坡土體直剪試驗分析

繪制1∶1坡度不同土工網(wǎng)防護(hù)粉質(zhì)黏土邊坡土體抗剪強(qiáng)度-垂直壓力(τf-σa)關(guān)系曲線。如圖10所示。

其中，根據(jù)直線斜率可得出不同土工網(wǎng)防護(hù)邊坡土體的內(nèi)摩擦角正切值（tanφ），根據(jù)直線與縱坐標(biāo)軸的截距，可得出不同土工網(wǎng)防護(hù)邊坡土體的黏聚力值（c）。如圖10所示，復(fù)合毯-根系土體黏聚力（c）依次大于單層網(wǎng)，三維網(wǎng)，素土邊坡。因為三維網(wǎng)厚度較大，土體根系分布密度較小，如圖3a）所示，導(dǎo)致剪切過程中邊坡土體易剪切滑移。因為剪切環(huán)高度為20 mm[16]，單層網(wǎng)厚度約為2 mm，下層土體厚度約為20 mm，兩個剪切環(huán)接觸位置正好處于單層網(wǎng)部位，所以單層網(wǎng)-根系邊坡產(chǎn)生的抗剪切滑移應(yīng)力一部分來源于土體的抗剪應(yīng)力，另一部分來源于單層網(wǎng)材料的抗剪應(yīng)力。而三維網(wǎng)厚度約為15 mm，三維網(wǎng)材料所在位置完全處于上方的剪切環(huán)內(nèi)，三維網(wǎng)-根系邊坡產(chǎn)生的抗剪切滑移應(yīng)力主要來源于土體的抗剪應(yīng)力，所以單層網(wǎng)-根系邊坡抗剪強(qiáng)度值高于三維網(wǎng)-根系。

圖10 3種土工網(wǎng)防護(hù)植草邊坡、未植草邊坡土體抗剪強(qiáng)度-垂直壓力關(guān)系曲線Fig.10 Shear strength-vertical pressure curves for the grass slope and the non-grass slope protected by three kinds of geonets

由此可見，與其他土工材料相比，復(fù)合毯材料在增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度上有較大的優(yōu)勢，該根系復(fù)合土體抗剪切強(qiáng)度分布相對均勻，對表層土體保護(hù)作用較好。

考慮3種土工網(wǎng)防護(hù)植株邊坡土體抗剪強(qiáng)度-垂直壓力關(guān)系均以庫倫方程形式表示，所以，將土工網(wǎng)材料厚度作為變量，擬合3種土工網(wǎng)材料防護(hù)植株邊坡的抗剪強(qiáng)度公式。擬合公式如下：

式中：d為土工網(wǎng)厚度，取值范圍為2～23 mm；σa為垂直壓力，kPa。

4 結(jié)論

1）根據(jù)實踐調(diào)研和相關(guān)理論研究，設(shè)計室內(nèi)模擬降雨沖刷試驗裝置，增加與室外試驗的相似性，減少室外試驗條件不穩(wěn)定性、不可重復(fù)性。

2）不同土工網(wǎng)材料在不同時期對植株生長影響不同。在生長前期三維網(wǎng)、復(fù)合毯對植株有影響，在生長后期3種土工網(wǎng)對植株高度和覆蓋度影響較小。

3）得到了不同土工網(wǎng)植草邊坡土體黏聚力和內(nèi)摩擦角變化規(guī)律，提出不同土工網(wǎng)厚度、垂直壓力與抗剪強(qiáng)度關(guān)系，為公路土工網(wǎng)生態(tài)防護(hù)提供了理論依據(jù)，為植物生長提供新參考。