聚丙烯纖維/粘性礦粉復(fù)合料邊坡加固時(shí)效劣化評(píng)估研究

束金譽(yù)，宗夢(mèng)繁

(1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局 第六地質(zhì)大隊(duì),江蘇 連云港 222023；2.江蘇海洋大學(xué)，江蘇 連云港 222005)

我國(guó)黃土高原上的工程活動(dòng)產(chǎn)生了大量裸露邊坡。以“山體開(kāi)挖和城市建設(shè)”和“沖溝土地整理”的大型建設(shè)項(xiàng)目為例，新產(chǎn)生的邊坡通常會(huì)發(fā)生淺層破壞，其中淺層滑動(dòng)、細(xì)溝侵蝕、剝落和片蝕是典型代表。這些破壞現(xiàn)象不僅會(huì)加劇水土流失，其進(jìn)一步發(fā)展還會(huì)導(dǎo)致邊坡發(fā)生災(zāi)難性變化，威脅生命和財(cái)產(chǎn)安全[1-3]。因此，對(duì)裸露邊坡進(jìn)行表面保護(hù)對(duì)于區(qū)域生態(tài)改善和邊坡穩(wěn)定具有重要意義。

對(duì)邊坡保護(hù)方法的研究從未中斷，其中傳統(tǒng)的保護(hù)方法主要包括框架保護(hù)、植物基保護(hù)、支撐結(jié)構(gòu)保護(hù)等[4]。近年來(lái)，隨著生態(tài)保護(hù)的發(fā)展，有機(jī)材料纖維和無(wú)機(jī)材料等新材料被應(yīng)用于坡面防護(hù)[5]。其中，聚丙烯纖維和礦渣粉分別作為代表性的纖維加筋材料和無(wú)機(jī)材料，因其良好的保護(hù)效果、生態(tài)友好性和低成本而吸引了大量關(guān)注。與土壤混合的聚丙烯纖維可以形成土壤增強(qiáng)復(fù)合材料，其中纖維和土壤顆粒界面之間的摩擦使土壤更具韌性，并進(jìn)一步提高土壤的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和峰值軸向應(yīng)變[6]。此外，聚丙烯纖維可以有效防止裂縫的發(fā)展，從而限制土壤變形。而礦渣粉往往表現(xiàn)出較高的粘性，可以有效填充土壤孔隙并結(jié)合顆粒[7]。一些研究人員表明，礦渣粉可以有效提高土壤的抗剪強(qiáng)度和抗侵蝕性，防止邊坡的淺層破壞[8]。由此可見(jiàn)，聚丙烯纖維和礦渣粉在黃土邊坡上具有一定的應(yīng)用前景。

坡面保護(hù)材料的有效性將隨著時(shí)間的推移而惡化(時(shí)效劣化)，特別是在惡劣的環(huán)境條件下。降雨入滲和沖刷、干濕循環(huán)、高溫和凍融循環(huán)是導(dǎo)致退化的主要因素[9]。根據(jù)先前的研究，降雨滲透和沖刷可能導(dǎo)致材料水解和結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)一步導(dǎo)致材料的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度下降[10]。而干濕循環(huán)可能有助于孔隙和材料界面的水分吸收和擴(kuò)散。在干濕循環(huán)的影響下，孔隙的膨脹會(huì)使保護(hù)材料從土壤中松動(dòng)，從而阻礙保護(hù)材料和土壤顆粒之間的應(yīng)力傳遞。上述影響可能會(huì)惡化護(hù)坡材料的滲透性、抗剪性和抗崩解性[11]。但目前，較少學(xué)者研究有機(jī)材料聚丙烯纖維與無(wú)機(jī)材料礦渣粉加固邊坡的時(shí)效劣化研究，對(duì)護(hù)坡材料的劣化尚未涉及太多。

基于此，本研究的目的是以聚丙烯纖維和礦渣粉為例，評(píng)估2種生態(tài)材料在典型黃土路塹邊坡防護(hù)試驗(yàn)中的防護(hù)效果。使用LiDAR方法對(duì)2種保護(hù)材料的劣化過(guò)程和時(shí)空特性進(jìn)行了量化。進(jìn)一步研究降雨情況與材料力學(xué)性能的劣化規(guī)律，以評(píng)估邊坡長(zhǎng)期性能。

1 材料和方法

1.1 防護(hù)試驗(yàn)材料配比

本研究選用聚丙烯纖維有機(jī)材料和礦渣粉無(wú)機(jī)材料對(duì)黃土邊坡進(jìn)行護(hù)坡，在施工前分別與黃土混合[12]，分別命名為聚丙烯纖維加筋土(PFS)和礦渣粉混合土(GGS)。聚丙烯纖維長(zhǎng)15毫米，直徑0.048毫米。用于試驗(yàn)的黃土直接取自試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。用于護(hù)坡材料的質(zhì)量比分別設(shè)置為干燥黃土：聚丙烯纖維= 1∶0.003和干燥黃土：礦渣粉=1∶0.0098?；旌蠒r(shí)，含水量控制在15%，并用小型電動(dòng)攪拌器將混合物料定速攪拌10 min，直至聚丙烯纖維/礦渣粉均勻分布。然后將護(hù)坡材料密封并放入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)化48 h。

1.2 護(hù)坡材料室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)

在降雨和蒸發(fā)的影響下，護(hù)坡材料由于干濕交替而劣化。在本研究中，采用干濕循環(huán)試驗(yàn)研究了2種護(hù)坡材料(即PFS和GGS)的力學(xué)參數(shù)演變過(guò)程。根據(jù)試驗(yàn)邊坡土壤含水量的波動(dòng)范圍，干濕循環(huán)試驗(yàn)的土壤含水量上限值和下限值分別為20%和10%。根據(jù)與LiDAR掃描數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的有效降雨事件的累積時(shí)間(≥10 mm/d)，樣品的干濕循環(huán)次數(shù)分別設(shè)置為0、2、4、6、9、14和16。試樣分別通過(guò)烘箱干燥法和水膜轉(zhuǎn)移法進(jìn)行干燥和加濕。干燥加濕后，將土壤樣品密封并固化24 h，以確保水在樣品中均勻分布。干-濕循環(huán)試驗(yàn)后PFS和GGS的劣化結(jié)果，具體如圖1所示。

(a)聚丙烯纖維加筋土(PFS)

(b)礦渣粉混合土(GGS)圖1干濕循環(huán)劣化圖像Fig.1 Deterioration image of dry wet cycle

干濕循環(huán)處理后，分別進(jìn)行剪切試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)和崩解試驗(yàn)，設(shè)定護(hù)坡材料試樣的含水量分別調(diào)整為10%、15%和20%，試驗(yàn)的試樣尺寸分別為Φ61.8 mm×20 mm、Φ61.8 mm×80 mm、Φ61 8 mm×40 mm，使用ZLB-1應(yīng)變控制3組合直接剪切儀確定試樣的剪切強(qiáng)度；法向應(yīng)力設(shè)置為100、200和400 kPa，剪切速率設(shè)置為0.8 mm/min，直到試樣損壞或達(dá)到6 mm的最大水平位移；使用自制單軸拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試樣的拉伸強(qiáng)度。樣品用薄保鮮膜包裹，主要用于保持試樣的含水量。試驗(yàn)通過(guò)直接拉伸進(jìn)行，樣品的一端固定，另一端施加拉力，直到樣品折斷；記錄施加的力并轉(zhuǎn)換相應(yīng)的拉伸應(yīng)力。使用自制的崩解儀測(cè)定了試樣的崩解特性，該儀器由2個(gè)氣缸組成：外筒可以保持水位恒定；內(nèi)筒用于懸掛樣品的浮動(dòng)筒。試驗(yàn)過(guò)程中，浸入水中的樣品逐漸解體，內(nèi)筒漂浮。因此，可以獲得樣品浮力的變化，并確定相應(yīng)的樣品崩解質(zhì)量。

2 護(hù)坡時(shí)效劣化過(guò)程評(píng)估

2.1 護(hù)坡劣化過(guò)程的定量評(píng)價(jià)

根據(jù)研究期間7次獲得的激光雷達(dá)(LiDAR)數(shù)據(jù)，對(duì)3個(gè)試驗(yàn)邊坡的侵蝕惡化過(guò)程和侵蝕質(zhì)量進(jìn)行了量化。圖2和表1分別為不同時(shí)期不同邊坡侵蝕質(zhì)量的光柵圖形和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果。

a-空白測(cè)試斜坡(BTS)； b- 聚丙烯纖維加筋土邊坡(SPFS)；c-礦渣粉混合土邊坡(SGGS)圖2 不同時(shí)期邊坡侵蝕質(zhì)量的光柵圖形Fig.2 Raster graph of slope erosion quality in different periods

表1 不同時(shí)期邊坡侵蝕質(zhì)量Tab.1 Slope erosion quality in different periods

圖2和表1表明，在不同時(shí)期，BTS的侵蝕質(zhì)量始終最大，SGGS(T5除外)的侵蝕質(zhì)量最低。整個(gè)研究期間，BTS、SPFS和SGGS的總侵蝕質(zhì)量分別為4 153.13、2 333.65和2 154.64 g/m2。結(jié)果表明，在研究期間，聚丙烯纖維有機(jī)材料和礦渣粉無(wú)機(jī)材料分別減少了43.81%和48.12%的邊坡侵蝕質(zhì)量。且礦渣粉無(wú)機(jī)材料在早期T1～T4表現(xiàn)出更好的保護(hù)性能。因此，本研究中使用的2種護(hù)坡材料可以有效地提高黃土邊坡的抗侵蝕性。

2.2 護(hù)坡劣化過(guò)程中的時(shí)空變化

護(hù)坡材料的劣化狀態(tài)在不同時(shí)期差異顯著，即時(shí)間依賴性劣化。圖3為3個(gè)邊坡在不同時(shí)期的侵蝕質(zhì)量(E)和平均有效降雨強(qiáng)度(I)。其中E/I是侵蝕質(zhì)量除以有效降雨的平均強(qiáng)度，表示邊坡的劣化程度[14]。

(a)不同防護(hù)材料作用下邊坡侵蝕質(zhì)量的變化

(b)不同防護(hù)材料的防護(hù)效果隨使用時(shí)間變化效果圖3 護(hù)坡材料的劣化狀態(tài)Fig.3 Deterioration ofslope protection materials

從圖3(a)可以看出，在研究期間，3個(gè)斜坡的侵蝕質(zhì)量總體變化趨勢(shì)相對(duì)一致。T1～T3期間降雨強(qiáng)度較低，侵蝕質(zhì)量較?。浑S著T4～T6期間降雨強(qiáng)度的增加，護(hù)坡材料表現(xiàn)出明顯的退化，侵蝕質(zhì)量急劇增加。特別是在降雨集中期T5，3個(gè)試驗(yàn)邊坡的相應(yīng)侵蝕質(zhì)量均達(dá)到最大值，在整個(gè)研究期間，BTS、SPFS和SGGS的侵蝕質(zhì)量分別占總侵蝕質(zhì)量的34%、31%和40%。3個(gè)邊坡的E/I之間的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.92、0.97和0.94，表明降雨在影響邊坡防護(hù)材料侵蝕惡化方面起主導(dǎo)作用。同時(shí)，從圖3(b)可以看出，2種保護(hù)材料在時(shí)間依賴性劣化過(guò)程中存在一些差異。在初始觀察期內(nèi)，GGS的保護(hù)效果略好于PFS；然而，隨著使用時(shí)間的增加，這種優(yōu)勢(shì)降低甚至消失，證明了2種材料本身性能的差異。

2.3 邊坡土壤含水量的時(shí)空分布

土壤含水量的空間分布與坡面侵蝕程度之間的關(guān)系可以為分析坡面水對(duì)坡面侵蝕的影響提供依據(jù)。在本研究中，監(jiān)測(cè)了試驗(yàn)邊坡的土壤含水量；但是，考慮到傳感器在低溫下的不良靈敏度，因此將冬季期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)，特別是2021年12月至2022年2月的觀測(cè)數(shù)據(jù)未納入本分析。為了更合理地比較不同坡段的水條件，并使數(shù)據(jù)更具代表性[15-17]，在隨后的分析中使用了給定坡段的4個(gè)不同深度10、25、40和60 cm的平均含水量。

研究期間，BTS、SPFS和SGGS不同坡段平均含水量變化結(jié)果如圖4所示。

圖4 邊坡不同坡段平均含水量變化規(guī)律Fig.4 Variationlaw of average water content of different slope sections

從圖4可以看出，下斜坡的平均含水量通常比上斜坡高3.4%～7.0%。這主要受降雨徑流和重力勢(shì)的影響所致。

為了評(píng)價(jià)不同坡段土壤含水量的波動(dòng)程度，本文引入峰谷差(V)的平均值，并按照式(1)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同坡段土壤含水量和峰谷差平均值Tab.2 Average value of soil water content and peak-valley difference in different slope sections

(1)

式中：Mn和mn分別表示第nth次有效降雨事件期間某一斜坡段平均含水量的峰值和谷值；n表示有效降雨事件的累積次數(shù)。

峰谷差(V)的定義表明，V值越大，土壤含水量波動(dòng)越大[18]。SPFS和SGGS不同坡度段的V值始終低于BTS的V值，表明與DTS相比，SPFS和SG的含水量波動(dòng)較低。此外，較低坡段的含水量波動(dòng)較大，尤其是在降雨集中期。結(jié)果表明，與其他坡段相比，較低坡段的土壤受氣候因素(如降雨和蒸發(fā))的影響更為明顯和直接。較低邊坡的較高持水能力和較大的水波動(dòng)將更容易削弱防護(hù)材料的抗侵蝕能力，并使較低邊坡更容易受到侵蝕破壞，同時(shí)受到更強(qiáng)的沖刷作用。

2.4 護(hù)坡材料的劣化測(cè)試

本研究采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室干濕循環(huán)試驗(yàn)，研究了2種護(hù)坡材料(PFS、GGS)力學(xué)參數(shù)的演變過(guò)程。內(nèi)聚力(c)、內(nèi)摩擦角(φ)、抗拉強(qiáng)度(σt)和不同干濕循環(huán)次數(shù)下護(hù)坡材料的崩解率(v)，并得到了含水量對(duì)護(hù)坡材料力學(xué)參數(shù)的影響；測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 干濕循環(huán)對(duì)護(hù)坡材料性能的影響Fig.5 Effect of dry and wet cycles on the properties of slope protection materials

3 討論

從圖3可以看出，本研究中使用的2種材料的剪切強(qiáng)度參數(shù)：內(nèi)聚力(c)和內(nèi)摩擦角(φ)，其隨干濕循環(huán)次數(shù)而變化，具體結(jié)果 如圖5(a)、(b)所示。2種材料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而惡化，當(dāng)含水量從10%增至15%，再到20%時(shí)，劣化程度加劇。然而，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，2種材料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化不同。GGS材料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)最初優(yōu)于PFS材料，但在4次干濕循環(huán)后均顯著降低，然后逐漸變差于PFS。經(jīng)過(guò)16次干濕循環(huán)后，含水量分別在10%、15%和20%條件下，PFS材料的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別降低了21.3%和8.9%；而GGS材料分別降低了55.8%和21.7%。這意味著在長(zhǎng)期干濕循環(huán)下，GGS的抗剪切性能比PFS材料差。

從圖5(c)可以看出，2種材料的抗拉強(qiáng)度近似線性下降，在不同含水率條件下的變化曲線幾乎平行。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，PFS材料的抗拉強(qiáng)度普遍優(yōu)于GGS材料。這是因?yàn)槔w維有機(jī)材料可以約束土顆粒的運(yùn)動(dòng)，加強(qiáng)各土體部位之間的關(guān)聯(lián)，從而緩解拉伸應(yīng)力條件下的局部應(yīng)力集中情況。對(duì)于GGS材料，其較低的抗拉強(qiáng)度可以解釋現(xiàn)場(chǎng)邊坡保護(hù)試驗(yàn)中網(wǎng)狀裂紋現(xiàn)象。這些網(wǎng)狀裂縫可以為雨水提供更好的滲透空間[19]，因此容易導(dǎo)致嚴(yán)重的侵蝕破壞，甚至導(dǎo)致坡面整體斷裂。

從圖5(d)可以看出，干濕循環(huán)試驗(yàn)下2種材料的崩解速率變化情況。崩解試驗(yàn)表明，2種材料的崩解速率均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈增加趨勢(shì)。然而，GGS材料的崩解速率非常小，遠(yuǎn)低于PFS材料，這表明干濕循環(huán)對(duì)GGS材料抗崩解性的影響很小。崩解試驗(yàn)還表明，PFS材料顆粒在水中快速分離，使水渾濁；而殘余樣品分散并堆積在崩解試驗(yàn)中使用的網(wǎng)格框架上。對(duì)于GGS材料的崩解試驗(yàn)，水始終是清澈的，表明殘余樣品在一定程度上是未破裂的[20]。因此，干濕循環(huán)下的崩解試驗(yàn)表明，GGS材料的抗崩解性遠(yuǎn)優(yōu)于PFS材料，且PFS材料更容易受到水侵蝕破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)有機(jī)材料聚丙烯纖維和無(wú)機(jī)材料礦渣粉2種生態(tài)保護(hù)材料進(jìn)行了原位護(hù)坡試驗(yàn)，定量評(píng)價(jià)了典型裸邊坡的侵蝕劣化過(guò)程及其時(shí)空特征。本研究不僅將為邊坡生態(tài)保護(hù)材料的評(píng)價(jià)和改進(jìn)提供實(shí)證參考和理論支持，也有助于黃土區(qū)生態(tài)保護(hù)效果的推廣。

(1)基于激光雷達(dá)的方法可以有效捕獲護(hù)坡材料的劣化過(guò)程。聚丙烯纖維礦渣粉材料均能對(duì)試驗(yàn)邊坡產(chǎn)生較好的保護(hù)效果，研究期間侵蝕質(zhì)量分別降低了43.81%和48.12%。礦渣粉材料在初始階段略好于聚丙烯纖維材料；

(2)在降雨和材料性質(zhì)的綜合影響下，護(hù)坡材料出現(xiàn)了不同的劣化情況。沖刷侵蝕主要在聚丙烯纖維材料中觀察到；而在礦渣粉材料中觀察到表面剝落。2種材料的侵蝕沿邊坡向下呈不同的逐步增長(zhǎng)。干濕循環(huán)試驗(yàn)表明，聚丙烯纖維材料抗崩解性的快速衰減是導(dǎo)致2種材料劣化的主要原因；

(3)結(jié)合礦渣粉和聚丙烯纖維的優(yōu)點(diǎn)，將提高護(hù)坡材料的長(zhǎng)期力學(xué)性能和抗沖刷性能，從而提高其在護(hù)坡方面的綜合性能。同時(shí)，輔以生態(tài)干預(yù)(如增加邊坡植被蓋度)和邊坡截留排水優(yōu)化，可以進(jìn)一步增強(qiáng)邊坡保護(hù)效果。