纖維加筋層厚度對邊坡抗蝕性影響試驗(yàn)研究

關(guān)鍵詞：邊坡；纖維加筋層厚度；崩解試驗(yàn)；模擬降雨沖刷試驗(yàn)；沖蝕量；含水率

0引言

邊坡在降雨沖刷作用下產(chǎn)生坡面侵蝕的現(xiàn)象十分普遍，其實(shí)質(zhì)是表層土體吸水飽和崩解并被坡面徑流沖刷而下。植物護(hù)坡作為邊坡防護(hù)的主要方式，對防止地表侵蝕有顯著效果，但植物生長階段尤其萌芽階段的防護(hù)作用有限。纖維加筋土護(hù)坡是此問題的解決方式之一，其既可以在一定程度上提高邊坡的穩(wěn)定性、減少邊坡在降雨沖刷作用下的土壤侵蝕，又可以促進(jìn)護(hù)坡植物幼苗的生長。天然纖維和合成纖維是常用的纖維加筋土加筋材料，其中天然纖維有麥秸稈纖維、椰棕絲纖維、棉纖維等，這些材料在土中可降解，不會對環(huán)境造成不良影響。

學(xué)界和工程界對纖維加筋土的力學(xué)性質(zhì)、變形行為、耐久性等進(jìn)行了大量研究，如：盧浩等通過崩解試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維、麥秸稈纖維可明顯降低加筋土的崩解速率、增強(qiáng)加筋土的水穩(wěn)性；安寧等探討了聚丙烯纖維長度與摻量對加筋土抗崩解性的影響規(guī)律，結(jié)果表明隨纖維長度與摻量的增大加筋土的抗崩解性先增強(qiáng)后降低，纖維長度為15mm、纖維摻量為0.5%時加筋土的抗崩解性最強(qiáng)；蘆葦?shù)?、胡其志等、宮亞峰等通過對纖維加筋土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了纖維加筋土中纖維長度和摻量的最優(yōu)值；陳志波等、吳遠(yuǎn)成等通過掃描電鏡分析纖維對土體的改良效果，結(jié)果表明過量摻加纖維會增大土體孔隙率、降低土體強(qiáng)度：Jin等通過室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)秸稈和聚丙烯纖維可以有效抑制加筋土裂縫：Yang等通過三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)作為加筋材料的椰殼纖維長度、纖維含量閾值分別約為30mm、0.3%；劉世雄等通過降雨沖刷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)纖維加筋土具有較強(qiáng)的抗蝕性。這些研究對深入了解纖維加筋土的性能、纖維加筋技術(shù)的工程應(yīng)用等有重要指導(dǎo)意義。

采用纖維加筋土對邊坡進(jìn)行防護(hù)時，纖維加筋層厚度的確定仍是一個需要研究的問題，對此，筆者以麥秸稈纖維為加筋材料，通過崩解試驗(yàn)分析麥秸稈纖維長度與摻量對加筋土抗崩解性的影響并確定最優(yōu)配合比，進(jìn)而通過模擬降雨沖刷試驗(yàn)分析纖維加筋層厚度對邊坡防護(hù)效果的影響，旨在探討最優(yōu)纖維加筋層厚度，為纖維加筋技術(shù)的推廣應(yīng)用及相關(guān)研究提供參考。

1試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自張家口市郊區(qū)土質(zhì)邊坡，屬粉質(zhì)黏土（顆粒級配見表1），其基本物理性質(zhì)指標(biāo)：最大干密度1.84g/cm3，最優(yōu)含水率14%，液限28%，塑限16%。試驗(yàn)用纖維為曬干后壓扁的麥秸稈，見圖1。

1.2崩解試驗(yàn)

按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019），使用SHY-1土壤濕化試驗(yàn)儀對土體進(jìn)行崩解試驗(yàn)。纖維長度取5、10、20、30mm，加筋率（纖維質(zhì)量占干土質(zhì)量的比例）取0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%。為確保在整個土體中形成有效的纖維網(wǎng)絡(luò)，制作試件前先把纖維材料與土體混合均勻。采用5cmx5cmx5cm的自制正方形環(huán)刀制作試件，控制試件含水率為14%．干密度為1.56g/cm3。

試驗(yàn)開始前向有機(jī)玻璃水桶中注入適量的清水，將試件放置在金屬方格網(wǎng)的中央位置并緩慢放入水桶中，記錄浮筒的初始讀數(shù)，試驗(yàn)過程中每隔20s觀察崩解情況并記錄浮筒讀數(shù)。相同條件下進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取其平均值。試驗(yàn)結(jié)束后，分別按式（1）、式（2）計算崩解量、崩解速率：

1.3模擬降雨沖刷試驗(yàn)

采用自制的長1.6m、寬0.5m、高1.0m的有機(jī)玻璃箱制作坡角為45°的邊坡模型（如圖2所示）。為防止試驗(yàn)過程中儀器故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差、便于在模擬降雨過程中連續(xù)取樣和沖蝕量觀測，在模型箱兩側(cè)預(yù)留4個安置土壤水分儀及傳感器的孔洞（編號分別為W1、W2、W3、W4，具體位置如圖3所示），坡腳設(shè)置儲水槽。裝填邊坡的土體干密度為1.56g/cm3、含水率為14%，采取分層填土的方法裝填邊坡，共分5層進(jìn)行裝填并壓實(shí)，每次裝填前把上一次裝填的坡體表層刮毛，以消除兩層之間的垂直層理、使邊坡的整體性更好，最后填裝麥秸稈纖維加筋層（本研究設(shè)置纖維加筋層厚度分別為0、3、6、9cm的4種邊坡模型）。

參考相關(guān)研究，自行制作模擬降雨系統(tǒng)，主要包括霧化噴頭、流量計、降雨支架、供水管路等。對模擬降雨系統(tǒng)進(jìn)行率定表明，其降雨均勻度可達(dá)86%，滿足試驗(yàn)要求。根據(jù)張家口地區(qū)近10a的降雨情況，參考相關(guān)研究，確定模擬降雨強(qiáng)度為12mm/h、持續(xù)降雨時間為9h。試驗(yàn)開始后，每20min記錄各土壤水分儀讀數(shù)，在坡面產(chǎn)生徑流后，每隔30min收集一次邊坡沖蝕水樣并測定體積，采樣結(jié)束后采用烘干法測算沖蝕量。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1崩解試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，試件的形狀在崩解過程中會發(fā)生不規(guī)則變化從而導(dǎo)致崩解不穩(wěn)定，其原因可能是纖維分布不均。在試件剛浸入水中時，水中產(chǎn)生氣泡，試件表面的細(xì)小土粒脫離：試件入水20s內(nèi)，試件邊緣逐漸軟化、產(chǎn)生裂縫、露出纖維、掉落土體，崩解速率不穩(wěn)定；試件入水20～160s，隨著浸水時間的延長，試件發(fā)生持續(xù)穩(wěn)定的崩解，試件形狀逐漸呈金字塔狀。本研究取崩解試驗(yàn)中期的平均崩解速率，進(jìn)行試件抗崩解性分析。

圖4為麥秸稈加筋土試樣崩解速率與纖維長度和加筋率的關(guān)系。由圖4可以看出：當(dāng)加筋率一定時試件崩解速率隨纖維長度增加呈先減小、后增大的變化趨勢，纖維長度為20cm時崩解速率最小；當(dāng)纖維長度一定時試件崩解速率隨加筋率提高呈先減小、后增大的變化趨勢，加筋率為0.3%時崩解速率最小。其原因主要是：隨著纖維長度增加和加筋率提高，纖維之間形成良好的網(wǎng)狀咬合結(jié)構(gòu)，使得試樣整體性變好，纖維與土顆粒之間的空間約束力增強(qiáng)，試樣的水穩(wěn)性提高，因而崩解速率減?。坏?，當(dāng)加筋率和纖維長度過大時，易造成“纖維成團(tuán)”現(xiàn)象，導(dǎo)致試樣產(chǎn)生裂縫，從而降低水穩(wěn)性、增大崩解速率。

當(dāng)纖維長度為20mm時，加筋率為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的試件與素土相比，平均崩解速率分別降低了26.92%、29.06%、33.33%、24.57%、22.22%；當(dāng)加筋率為0.3%時，纖維長度為5、10、20、30mm的試件與素土相比，平均崩解速率分別降低了17.74%、17.74%、33.33%、22.22%。據(jù)此試驗(yàn)結(jié)果，把纖維長度為20mm、加筋率為0.3%作為麥秸稈纖維加筋土的最佳配比，在這個配比下制作的麥秸稈纖維加筋土的平均崩解速率為0.0312%/s。

2.2模擬降雨沖刷試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1纖維加筋層厚度對邊坡土體含水率的影響

不同纖維加筋層厚度的邊坡不同部位土體體積含水率隨降雨時長的變化情況見圖5，土體含水率最大值及其出現(xiàn)時間見表2、表3，降雨結(jié)束時不同部位體積含水率見表4。

開始降雨時，邊坡不同部位（坡頂、坡中、坡腳）的土體含水率為15.5%～17.0%。由圖5可以看出，降雨試驗(yàn)開始后，邊坡土體含水率在降雨前期（降雨時長0～2h）增長較慢、在降雨中期（降雨時長2～7h）增長較快、在降雨后期（降雨時長7～9h）達(dá)到峰值后小幅度回落并保持穩(wěn)定。本研究依據(jù)降雨中期和后期的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行邊坡含水率的分析。

由圖5及表2～表4可知，在強(qiáng)降雨過程中邊坡各部位土體峰值含水率均隨纖維加筋層厚度增大而增大、峰現(xiàn)時間均隨纖維加筋層厚度增大而延長，說明纖維加筋層厚度對邊坡滲透性及含水率有一定的影響。纖維加筋層厚度為3、6、9cm的邊坡與無纖維加筋層的邊坡相比，土體含水率峰值可提高0～2.0個百分點(diǎn)、降雨結(jié)束時土體含水率可提高0.3～2.3個百分點(diǎn)，土體含水率峰現(xiàn)時間延長（推遲）0.5～2.0h，即纖維加筋層對雨水人滲有一定的滯后作用且纖維加筋層越厚滯后效果越明顯。其中：纖維加筋層厚度為3 cm邊坡的土體含水率增長幅度較小，尤其在坡中（W2、W3）未增長，原因是纖維加筋層較薄，容易被強(qiáng)降雨沖刷掉，對雨水的調(diào)節(jié)作用有限：纖維加筋層厚度為6cm和9cm的邊坡土體含水率增長幅度相對較大，且二者的差異不大，說明纖維加筋層厚度達(dá)到6cm時持水性較好，因此把6cm視為適宜的纖維加筋層厚度。

2.2.2纖維加筋層厚度對邊坡土體沖蝕量的影響

不同纖維加筋層厚度的邊坡土體累計沖蝕量隨降雨時長的變化情況見圖6。在降雨開始后1h內(nèi)，有無纖維加筋層的邊坡土體沖蝕量均較小：之后，隨著降雨的持續(xù)，各類邊坡累計沖蝕量均逐漸增大，其中無纖維加筋層的邊坡土體累計沖蝕量在降雨時長為4h后急劇增長（原因是坡頂和坡面發(fā)生了局部坍塌，見圖7），而不同纖維加筋層厚度的邊坡土體沖蝕量在降雨中后期均明顯較無纖維加筋層邊坡的小，即不同厚度的纖維加筋層均可有效增強(qiáng)邊坡的抗蝕性。纖維加筋層的減蝕機(jī)理是：纖維加筋層表面存在的少量分散土在降雨初期受到雨滴濺蝕和坡面徑流沖刷，因而累計沖蝕量有逐漸最大趨勢：隨著降雨的持續(xù)，與土體緊密黏合且錯綜排列的纖維改變了雨水在坡面上的徑流方向和形式，在有效減少雨滴濺蝕的同時減少了坡面沖蝕量。在降雨開始后2h內(nèi)3種厚度纖維加筋層邊坡的累計沖蝕量無明顯差異，但降雨時長大于2h尤其超過4h后，纖維加筋層厚度為3cm邊坡的累計沖蝕量明顯大于纖維加筋層厚度為6cm和9cm邊坡的，而纖維加筋層厚度為6、9cm邊坡的累計沖蝕量差異不明顯，這與前述邊坡土體含水率試驗(yàn)結(jié)果類似。

在降雨結(jié)束時，無纖維加筋層邊坡土體的累計沖蝕量為7130g，纖維加筋層厚度為3、6、9cm邊坡的累計沖蝕量分別為3326、2423、2354g，分別較無纖維加筋層邊坡的累計沖蝕量減少了53.4%、66.0%、67.0%。由圖8可以看出，在降雨結(jié)束時，無纖維加筋層保護(hù)的邊坡破壞比較嚴(yán)重且坡面出現(xiàn)大量裂縫，纖維加筋層厚度為3cm的邊坡出現(xiàn)了少量沖溝，纖維加筋層厚度為6cm和9cm的邊坡均未出現(xiàn)明顯破壞。綜上所述，綜合考慮坡面防護(hù)效果和成本等，纖維加筋層最優(yōu)厚度為6cm。

3結(jié)論

1）麥秸稈纖維長度與摻量對纖維加筋土的水穩(wěn)性有顯著影響，纖維長度為20mm、摻量為0.3%的麥秸稈纖維加筋土試樣的抗崩解性最優(yōu)、崩解速率最小。

2）受麥秸稈纖維加筋層保護(hù)邊坡的持水性良好，在強(qiáng)降雨情況下，纖維加筋層厚度越大邊坡土體體積含水率越高，但厚度達(dá)到6cm后邊坡土體含水率隨厚度繼續(xù)增大不再明顯增大，只會推遲含水率峰現(xiàn)時間。

3）麥秸稈纖維加筋層提高邊坡抗蝕性效果明顯，在強(qiáng)降雨情況下，纖維加筋層厚度為3、6、9cm，邊坡的沖蝕量分別較無纖維加筋層邊坡的沖蝕量減少53.4%、66.0%、67.0%，纖維加筋層厚度越大邊坡土體沖蝕量越小，但厚度達(dá)到6cm后邊坡土體沖蝕量隨厚度繼續(xù)增大不再明顯減小。

4）從纖維加筋層對邊坡土體含水率和抗蝕性的影響、整體防護(hù)效果及成本等方面綜合分析，認(rèn)為麥秸稈纖維加筋層最優(yōu)厚度為6cm。