聚丙烯纖維加筋黃土邊坡防護(hù)原位測(cè)試及改進(jìn)策略

徐志平　賈卓龍　晏長(zhǎng)根　王逸凡

摘 要：為了給加筋黃土邊坡防護(hù)技術(shù)的大面積推廣提供理論依據(jù)和參考，對(duì)聚丙烯纖維加筋黃土防護(hù)邊坡的土壤含水率及邊坡形態(tài)進(jìn)行了持續(xù)６ 個(gè)月的原位測(cè)試，結(jié)果表明：聚丙烯纖維加筋黃土具有良好的邊坡防護(hù)效果，加筋黃土防護(hù)邊坡土壤含水率總體趨于穩(wěn)定，不同土層土壤含水率平均變異系數(shù)比原狀邊坡降低１０．８９％，這得益于加筋黃土防護(hù)層形態(tài)總體維持完整，能夠長(zhǎng)期抵抗降雨、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等不利外部環(huán)境的持續(xù)影響；然而，聚丙烯纖維加筋黃土防護(hù)邊坡上植被生長(zhǎng)緩慢，且防護(hù)層與原狀土體易分異脫離。提出了對(duì)加筋黃土進(jìn)行保水改良、采用快速植生的多功能層設(shè)計(jì)和可操作性強(qiáng)的材料物理防脫技術(shù)等加筋黃土防護(hù)邊坡的改進(jìn)策略。

關(guān)鍵詞：黃土邊坡防護(hù)；聚丙烯纖維；加筋黃土；原位測(cè)試；土壤含水率；改進(jìn)策略

中圖分類號(hào)：Ｓ１５７．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０４．０１８

引用格式：徐志平，賈卓龍，晏長(zhǎng)根，等．聚丙烯纖維加筋黃土邊坡防護(hù)原位測(cè)試及改進(jìn)策略［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（４）：１１１－１１６．

近年來(lái)，各類工程建設(shè)在黃土高原地區(qū)形成了大量黃土邊坡。這些黃土邊坡易發(fā)生淺層破壞，在極端降雨等情況下，不僅會(huì)誘發(fā)邊坡災(zāi)害性變化，而且可能造成大范圍的水土流失，甚至?xí)黾狱S河下游的防洪壓力［１－４］ 。為預(yù)防黃土邊坡淺層破壞，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的邊坡防護(hù)研究［５］ 。聚丙烯纖維作為新型邊坡防護(hù)材料受到相關(guān)學(xué)者的關(guān)注，如：李廣信等［６］ 、唐朝生等［７］ 、Ｃｏｎｓｏｌｉ 等［８］ 通過(guò)對(duì)聚丙烯纖維加筋軟土進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，認(rèn)為聚丙烯纖維可以有效增強(qiáng)土體韌性和力學(xué)強(qiáng)度；榮德政等［９］ 、Ｙａｎ 等［１０］ 通過(guò)研究聚丙烯纖維加筋技術(shù)對(duì)土坯的改性效果，指出聚丙烯纖維能明顯抑制干濕或凍融循環(huán)條件下土體開(kāi)裂；安寧等［１１］ 、盧浩等［１２］ 通過(guò)研究聚丙烯纖維加筋黃土抗剪強(qiáng)度、耐崩解性、阻滲特性和抗沖刷能力，指出聚丙烯纖維加筋黃土的抗蝕性得到了提升。不難看出，聚丙烯纖維加筋黃土因優(yōu)良的力學(xué)強(qiáng)度、耐久性和抗蝕性而在邊坡防護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，上述研究多基于室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)聚丙烯纖維加筋黃土邊坡防護(hù)時(shí)效性的原位試驗(yàn)較少。為此，本文以聚丙烯纖維加筋黃土（簡(jiǎn)稱加筋黃土）為研究對(duì)象，基于原位長(zhǎng)時(shí)序測(cè)試結(jié)果，分析加筋黃土對(duì)邊坡的長(zhǎng)期防護(hù)效果，總結(jié)邊坡防護(hù)實(shí)踐中存在的問(wèn)題并提出相應(yīng)的改進(jìn)策略，以期為加筋黃土邊坡防護(hù)技術(shù)的大面積推廣提供理論依據(jù)和參考。

１ 原位測(cè)試概況

１．１ 測(cè)試邊坡

原位測(cè)試在陜西省延安市安塞區(qū)南溝村進(jìn)行，測(cè)試地點(diǎn)屬暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，氣候變化受季風(fēng)環(huán)流影響呈現(xiàn)四季分明的特征，年平均氣溫９．５ ℃，年最低氣溫－２３．０ ℃，年最高氣溫３８．３℃，年平均降水量５２７ ｍｍ（主要集中在７—９ 月）。

測(cè)試邊坡為古滑坡開(kāi)挖形成的四級(jí)黃土路塹邊坡。該邊坡前期為穴種黑麥草邊坡，穴種黑麥草盡管取得一定的生態(tài)效果，但仍存在明顯的土壤侵蝕現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為細(xì)溝侵蝕與片狀侵蝕（見(jiàn)圖１），極易因受強(qiáng)降雨、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等外營(yíng)力作用而發(fā)生持續(xù)惡化，進(jìn)而威脅邊坡的整體穩(wěn)定。采用Ｂｅｔｔｅｒｓｉｚｅ ２０００型激光粒度分析儀對(duì)該邊坡黃土進(jìn)行顆粒級(jí)配分析，結(jié)果見(jiàn)圖２。

對(duì)邊坡基本物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)試表明，土壤含水率為１２％，最佳含水率為１４％，密度為１．３８ ｇ／ ｃｍ３，最大干密度為１．６ ｇ／ ｃｍ３，液限為２５．２％，塑限為１７．５％。

１．２ 邊坡防護(hù)材料

測(cè)試選用的邊坡防護(hù)材料為加筋黃土，由當(dāng)?shù)攸S土、水和聚丙烯纖維混合而成，其中：黃土直接從測(cè)試場(chǎng)地采集；聚丙烯纖維為束狀單絲，長(zhǎng)度為１５ ｍｍ，直徑為０．０４８ ｍｍ，密度為０．９１ ｇ／ ｃｍ３。為了取得較好的抗蝕性，３ 種原材料的質(zhì)量比依據(jù)前期室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果［１１］ 進(jìn)行設(shè)置，具體為干土∶ 水∶ 聚丙烯纖維＝ １ ∶０．１４１ ∶ ０．００５。加筋黃土與素黃土的抗蝕性指標(biāo)見(jiàn)表１。

１．３ 原位測(cè)試方案

原位測(cè)試于２０１８－０８－１２ 至２０１９－０２－１２ 進(jìn)行。在選定的黃土路塹邊坡上布設(shè)加筋黃土防護(hù)邊坡和原狀邊坡兩類原位測(cè)試小區(qū)（見(jiàn)圖３），測(cè)試小區(qū)尺寸為長(zhǎng)１３．３ ｍ、寬１．６ ｍ，其中：加筋黃土防護(hù)邊坡小區(qū)采用人工抹面法將防護(hù)材料在３６ ｄ 內(nèi)分批、分層涂在邊坡之上，涂層厚度為５ ｃｍ，用于測(cè)試其抗蝕性；原狀邊坡小區(qū)用于對(duì)比分析。在邊坡上撒播黑麥草籽。在邊坡頂部及底部平臺(tái)上開(kāi)挖截水溝，以攔截雨水及徑流并引入排水溝。

每個(gè)小區(qū)設(shè)置３ 個(gè)監(jiān)測(cè)位置，分別位于離坡腳２．００、６．６５、１１．３０ ｍ 處，每個(gè)監(jiān)測(cè)位置布設(shè)４ 個(gè)測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)間距為２５ ｃｍ），每個(gè)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)土壤水分傳感器（垂直于邊坡埋設(shè)深度分別為１０、２５、４０、６０ ｃｍ），傳感器型號(hào)為ＭＳ１０，其量程（體積含水率）為０～５０％，測(cè)量精度為±２％。采用軟硬件集成的邊坡水分無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（如圖４ 所示）進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)序監(jiān)測(cè)，所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均可通過(guò)ＭＣＵ 系列傳輸模塊以ＧＰＲＳ 方式遠(yuǎn)程傳輸至網(wǎng)絡(luò)端云平臺(tái)和手機(jī)端ＡＰＰ，以供實(shí)時(shí)查看、下載和圖４ 邊坡水分無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意處理。此外，在測(cè)試邊坡附近空曠地段安裝ＪＳＰ －０５型翻斗式雨量計(jì)，監(jiān)測(cè)大氣降水情況，其測(cè)量精度為０．２ ｍｍ。

２ 測(cè)試結(jié)果及分析

２．１ 邊坡水分時(shí)空動(dòng)態(tài)特征

圖５、圖６ 分別為原狀邊坡、加筋黃土防護(hù)邊坡各測(cè)點(diǎn)的土壤體積含水率測(cè)試結(jié)果。測(cè)試期累計(jì)降雨量為１４０．６ ｍｍ，其中：８—９ 月降雨量較大，最大日降雨量為２０１８－０８－２０ 的２３．２ ｍｍ，土壤水分變化主要受降雨影響；１０ 月及以后的降雨量較少、降雨強(qiáng)度明顯減弱，土壤水分變化主要受氣溫影響。在相同氣候條件下，兩類邊坡的土壤含水率均呈現(xiàn)秋季逐漸降低的變化趨勢(shì)，表層土壤水分蒸發(fā)速率高于深層土壤水分蒸發(fā)速率，但兩類邊坡的土壤含水率波動(dòng)及其影響深度存在明顯差異，總體來(lái)看，原狀邊坡土壤含水率波動(dòng)比加筋黃土防護(hù)邊坡土壤含水率波動(dòng)更為劇烈，以邊坡上段表層（深度為１０ ｃｍ）為例，原狀邊坡土壤含水率波動(dòng)范圍為３．５０％～１５．１９％，加筋黃土防護(hù)邊坡土壤含水率波動(dòng)范圍為６．６８％～１５．１０％。其原因是加筋黃土防護(hù)邊坡的透水性較差、耐久性良好，能長(zhǎng)期有效地阻止水分滲入，避免土壤含水率發(fā)生劇烈波動(dòng)［１３］ 。

２．２ 邊坡水分時(shí)空異質(zhì)性分析

為了定量分析兩類邊坡不同土層土壤含水率的異質(zhì)性，將邊坡上、中、下段的土壤含水率進(jìn)行均值化處理，并采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算不同深度土壤含水率的極大值、極小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)［１４］ ，并根據(jù)變異系數(shù)ＣＶ判別變異水平：０％≤ＣＶ ＜１０％，弱變異；１０％≤ＣＶ ＜１００％，中等變異；１００％ ≤ＣＶ，強(qiáng)變異。

表２ 為兩類邊坡不同深度土壤含水率統(tǒng)計(jì)。兩類邊坡土壤含水率均呈現(xiàn)對(duì)深度的依賴性，即平均含水率均隨深度增大而提高，變異系數(shù)隨深度增大而減小。對(duì)比兩類邊坡平均土壤含水率可知，兩類邊坡土壤含水率在深度為０～２５ ｃｍ 范圍內(nèi)差異較大，主要原因是加筋黃土透水性較差，土壤水分補(bǔ)給主要依賴于坡體內(nèi)部水分的滲透，如１０～２５ ｃｍ 土層的水分向表層（深度０～１０ ｍｍ）遷移，導(dǎo)致含水率較原狀邊坡的低。對(duì)比兩類邊坡土壤含水率變異系數(shù)可知，在深度為０～６０ｃｍ 范圍內(nèi)，原狀邊坡、加筋黃土防護(hù)邊坡土壤含水率變異系數(shù)分別介于６．１５％ ～２３．４２％、５．８４％ ～１５．３８％，平均變異系數(shù)分別為１１．６６％、１０．３９％，均屬中等變異水平，加筋黃土使得變異系數(shù)降低了１０．８９％。兩類邊坡０～２５ ｃｍ 土層土壤含水率均表現(xiàn)出中等變異水平，深度＞２５ ｃｍ 時(shí)兩者變異水平均變?yōu)槿踝儺悺Ｖ档米⒁獾氖?，原狀邊坡０～１?ｃｍ 土層土壤含水率表現(xiàn)出較高的變異水平（ＣＶ ＝２３．４２％），說(shuō)明原狀邊坡土壤含水率容易受降雨、氣溫等環(huán)境因素影響，而加筋黃土對(duì)邊坡有很好的保護(hù)作用。

２．３ 邊坡形態(tài)時(shí)變劣化特征

圖７ 為測(cè)試期加筋黃土防護(hù)邊坡的演化情況。加筋黃土防護(hù)邊坡在自然條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗蝕能力：加筋黃土防護(hù)層的形態(tài)總體保持完整，僅有輕微的縱向沖刷侵蝕痕跡，沒(méi)有產(chǎn)生明顯的剝落、片蝕或侵蝕細(xì)溝。這可以根據(jù)纖維的交織搭接效應(yīng)來(lái)解釋，纖維交織搭接可有效增強(qiáng)土壤顆粒之間的聯(lián)系，抑制降雨、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等惡劣環(huán)境因素導(dǎo)致的土體裂隙發(fā)育［１０］ 。加筋黃土防護(hù)層涂抹完成６ 個(gè)月后（測(cè)試期末），逐漸長(zhǎng)出零星分布的植被，說(shuō)明加筋黃土材料不會(huì)影響植被生長(zhǎng)與生態(tài)環(huán)境重構(gòu)，可應(yīng)用于黃土邊坡生態(tài)治理。然而，在加筋黃土保水性能不足［１５］ 、秋冬季降水量有限及天氣寒冷等情況下，上述植被萌芽、生長(zhǎng)與覆蓋邊坡進(jìn)程較為緩慢，無(wú)法滿足各類工程建設(shè)對(duì)于生態(tài)恢復(fù)的實(shí)際需求，有必要對(duì)加筋黃土防護(hù)邊坡進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

３ 加筋黃土防護(hù)邊坡的改進(jìn)策略

上述原位測(cè)試結(jié)果表明，在加筋黃土的長(zhǎng)期保護(hù)作用下，邊坡基體含水率總體趨于穩(wěn)定，可有效避免土壤含水率劇烈變化誘發(fā)沖溝、剝落等邊坡淺層病害［１６］ 。然而，在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，加筋黃土邊坡防護(hù)的生態(tài)恢復(fù)效果并不理想，且加筋防護(hù)層容易脫落，有必要對(duì)其改進(jìn)，以進(jìn)一步提升水土保持效果。

３．１ 對(duì)加筋黃土進(jìn)行保水改良

由于加筋黃土的物理加固機(jī)制決定了其水理性質(zhì)方面存在不足，無(wú)法保持水分，不利于邊坡覆蓋植被的持續(xù)發(fā)育，因此基于低碳綠色理念對(duì)加筋黃土材料進(jìn)行保水改良。

當(dāng)前，不斷涌現(xiàn)的低碳綠色土壤改良劑及改良方法如植物膠［１７－１８］ 、納米水性黏合劑［１９］ 、微生物誘導(dǎo)碳化［２０］ 等，可嘗試用于改良加筋黃土材料，以期提升抗侵蝕性能和水分保持能力。以瓜爾豆膠（一種可持續(xù)再生、保水性能優(yōu)良的水溶性植物膠）摻入加筋黃土形成膠－筋固化黃土邊坡（模型）為例［１５］ ，其與加筋黃土防護(hù)邊坡（模型）露天放置１２０ ｄ 后植被生長(zhǎng)情況對(duì)比見(jiàn)圖８，與加筋黃土防護(hù)邊坡相比，膠－筋固化黃土邊坡的植被覆蓋率提升１９２．１％，累計(jì)沖刷量降低５６．３％，表明瓜爾豆膠對(duì)加筋黃土進(jìn)行保水促生改良具有可行性和有效性。

３．２ 采用快速植生的多功能層設(shè)計(jì)

邊坡防護(hù)材料一般具備優(yōu)良的工程性能，但這也意味著植被破土出苗難度增大，往往不利于植被快速覆蓋整個(gè)邊坡［２１］ 。對(duì)此，采用多功能層設(shè)計(jì)是一種切實(shí)可行的解決思路。

邊坡防護(hù)多功能層設(shè)計(jì)是根據(jù)不同邊坡防護(hù)材料的性能特點(diǎn)，在邊坡上設(shè)置多種不同厚度的功能層，各功能層在不同層次發(fā)揮自身優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到提高防護(hù)效果、減少水土流失和促進(jìn)植物快速生長(zhǎng)的綜合治理效果。如：何劍平等［２２］ 將防護(hù)基質(zhì)土按成分和作業(yè)順序分為基層和面層，并通過(guò)分層設(shè)計(jì)來(lái)縮短綠植出苗及覆蓋時(shí)間，控制生產(chǎn)及養(yǎng)護(hù)成本；劉慧等［２３］ 采用基層與植生層雙層設(shè)計(jì)進(jìn)行植草護(hù)坡現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證實(shí)其應(yīng)用效果良好，植被萌芽率與覆蓋度高，且能有效抵御惡劣氣候的影響?；陔p功能層設(shè)計(jì)理念，可將膠－筋固化黃土當(dāng)作基層材料，厚度為８～１０ ｃｍ，以充分發(fā)揮其優(yōu)良的抗蝕性和保水能力；在基層材料上涂抹一層營(yíng)養(yǎng)草籽層，營(yíng)養(yǎng)草籽層可采用土壤、植物種子、泥炭土、黏合劑、保濕劑、椰殼纖維等材料混合，厚度為１～３ ｃｍ，以加速植物萌芽、生長(zhǎng)和覆蓋邊坡。需要強(qiáng)調(diào)的是，相關(guān)施工工作宜在春夏季節(jié)進(jìn)行。

３．３ 采用可操作性強(qiáng)的材料物理防脫技術(shù)

邊坡防護(hù)材料與邊坡原狀土體的物理、力學(xué)和水理性質(zhì)不同，使得兩者接觸面成為二元體結(jié)構(gòu)薄弱面，邊坡防護(hù)材料在長(zhǎng)期服役過(guò)程中易沿接觸面產(chǎn)生局部脫落，影響其對(duì)邊坡生態(tài)防護(hù)的可靠性、安全性和長(zhǎng)效性。對(duì)此，有關(guān)學(xué)者已開(kāi)展二元體防脫研究，提出了原狀土體接觸面拉毛、刻槽、掛網(wǎng)等物理防脫措施，如：惠冰等［２４］ 研究了刻槽深度、刻槽寬度和刻槽間距等對(duì)界面抗剪強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)膮?shù)組合可顯著地提高接觸面強(qiáng)度；Ｈａｉｄｏ 等［２５］ 研究表明，接觸面凹槽可增強(qiáng)其兩側(cè)巖土體的互鎖效果、有效提升界面強(qiáng)度、防止兩側(cè)巖土體分離；鞏寧等［２６］ 研究表明，掛網(wǎng)與錨桿結(jié)合的防護(hù)層固定方法可防止防護(hù)層滑移脫落，邊坡植被覆蓋率高達(dá)９８％；徐志平等［２７］ 研發(fā)了新型邊坡處理裝置，借助該裝置使邊坡形成有規(guī)律分布的錐狀孔，將膠－筋固化材料噴入錐狀孔內(nèi)，在整個(gè)邊坡形成的“防護(hù)釘板層”剛度大、變形協(xié)調(diào)性好，該方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

４ 結(jié)束語(yǔ)

歷時(shí)６ 個(gè)月的原位測(cè)試結(jié)果表明：聚丙烯纖維加筋黃土具有良好的邊坡防護(hù)效果，加筋黃土防護(hù)邊坡土壤含水率總體上趨于穩(wěn)定，不同土層土壤含水率平均變異系數(shù)比原狀邊坡降低１０．８９％，這得益于加筋黃土防護(hù)層形態(tài)總體維持完整，能夠長(zhǎng)期抵抗降雨、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等不利外部環(huán)境的持續(xù)影響；然而，聚丙烯纖維加筋黃土防護(hù)邊坡上植被生長(zhǎng)緩慢，且防護(hù)層與原狀土體易分異脫離。對(duì)此，提出了對(duì)加筋黃土進(jìn)行保水改良、采用快速植生的多功能層設(shè)計(jì)和可操作性強(qiáng)的材料物理防脫技術(shù)等加筋黃土防護(hù)邊坡的改進(jìn)策略。

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【責(zé)任編輯 張智民】

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（４２０７７２６５）；中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（院科１７－２６）