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(bǔ)強(qiáng)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(qiáng)且更易于植物生長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)直剪試驗(yàn)和邊坡模型抗雨水沖刷試驗(yàn)，分別測(cè)定了不同纖維絲含量對(duì)加筋補(bǔ)強(qiáng)植生土抗剪切強(qiáng)度的影響及纖維絲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。直剪試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)結(jié)果表明，纖維絲對(duì)2種基質(zhì)配方均有較好的補(bǔ)強(qiáng)效果，且對(duì)配方A和配方B摩擦角？覫的影響程度均較小。對(duì)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(shì)，當(dāng)纖維絲用量為200 g/m2時(shí)，C值達(dá)到最高；而對(duì)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(shì)，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(yàn)中，纖維絲的加入有利于邊坡的加筋補(bǔ)強(qiáng)。對(duì)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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。

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

中圖分類(lèi)號(hào) TU472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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(kāi)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(guó)當(dāng)前生態(tài)建設(shè)的重點(diǎn)。

邊坡生態(tài)修復(fù)也稱(chēng)為生態(tài)護(hù)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(hù)方式，通過(guò)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(dá)到加固邊坡的效果。修筑生態(tài)護(hù)坡可根據(jù)邊坡的類(lèi)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(jiàn)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(shí)踐證明，上述幾種生態(tài)護(hù)坡技術(shù)均具有一定的護(hù)坡能力，且各具優(yōu)點(diǎn)，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(wèn)題[1]。因此，尋求一種成本低廉、操作簡(jiǎn)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(hù)坡技術(shù)具有一定的市場(chǎng)前景。連續(xù)纖維絲補(bǔ)強(qiáng)土（geofiber）工法由于具有適用廣泛、抗剪及抗侵蝕強(qiáng)且更易于植物生長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在歐美國(guó)家和日本被廣泛應(yīng)用。但國(guó)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(guò)測(cè)定2種植生基材不同纖維絲含量的抗剪切強(qiáng)度，初步研究影響纖維絲加筋補(bǔ)強(qiáng)植生土抗剪切強(qiáng)度的因素，確定了纖維絲在植生基材中的最佳投入量。同時(shí)，通過(guò)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(bǔ)強(qiáng)對(duì)邊坡耐雨水沖刷能力的影響，以期指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 材料與方法

1.1 植生土配制

本試驗(yàn)中植生基材參考實(shí)際邊坡工程中的配比進(jìn)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(jī)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(jī)肥以及5%其他保水劑、調(diào)理劑和添加劑等。試驗(yàn)所用原料土取自深圳市某邊坡，顏色為黃褐色。經(jīng)測(cè)定，該土為級(jí)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(yàn)中所用有機(jī)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(qiáng)度較高，彈性、抗腐蝕、耐酸堿、耐磨等特性均較強(qiáng)且售價(jià)較低的滌綸低彈絲（DTY）作為試驗(yàn)用絲，該纖維絲纖度為150 D，斷裂強(qiáng)度為3.15 CN/dtex。

1.3 樣品制備和試驗(yàn)方法

1.3.1 抗剪試驗(yàn)。土樣試件的制備和剪切試驗(yàn)程序嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—1999）進(jìn)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(gè)試驗(yàn)變量。其中，纖維絲加入量表示對(duì)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(guò)2 mm篩后于105 ℃烘箱中烘干，并保證其他試驗(yàn)材料干燥，根據(jù)基質(zhì)配方和纖維絲加入量進(jìn)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(chēng)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(hù)1周再進(jìn)行直剪試驗(yàn)。直剪試驗(yàn)分別在100、200、300、400 kPa 4個(gè)正向應(yīng)力下施加水平剪應(yīng)力進(jìn)行剪切，讀出測(cè)量表讀數(shù)，并進(jìn)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(yàn)。試驗(yàn)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(gè)部分組成，如圖1（a）所示。試驗(yàn)邊坡模型總長(zhǎng)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(kāi)一長(zhǎng)5 cm、寬5 cm的出水槽用于試驗(yàn)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(shí)，在模型內(nèi)用木螺釘固定若干木條，用以模擬實(shí)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(jìn)水管、閥門(mén)、噴射器、穩(wěn)定架等部件構(gòu)成，通過(guò)前期預(yù)試驗(yàn)確定其流量，保證在各組試驗(yàn)中的小時(shí)降雨量均為250 mm（模擬特大暴雨）。

模型試驗(yàn)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(jì)4組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)均以配方A作為植生基材，各組試驗(yàn)的參數(shù)見(jiàn)表1。

試驗(yàn)前，將邊坡模型固定至設(shè)計(jì)坡度，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行裝土。先將過(guò)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(yàn)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(guò)程中須邊填邊壓實(shí)，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(yàn)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(kāi)始啟動(dòng)噴絲機(jī)，在規(guī)定時(shí)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(yàn)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?yàn)⑺?，水量控制在使土壤表面接近飽和但未形成徑流，并養(yǎng)護(hù)1 d。本試驗(yàn)中所使用噴絲機(jī)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(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。

試驗(yàn)過(guò)程中，按預(yù)先設(shè)定的250 mm/h降雨量開(kāi)啟降雨系統(tǒng)，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)；自計(jì)時(shí)開(kāi)始每隔10 min收集100 mL徑流，并記錄收集所用的時(shí)間；徑流采集試驗(yàn)共進(jìn)行60 min，全程觀察邊坡土樣的動(dòng)態(tài)[6]。徑流收集結(jié)束后，經(jīng)濾紙（孔徑為50 μm）過(guò)濾、烘干、稱(chēng)重、計(jì)算等過(guò)程得出侵蝕量。

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

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維絲含量對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)的影響

本試驗(yàn)選取剪應(yīng)力峰值表征抗剪強(qiáng)度，無(wú)峰值時(shí)取剪切位移為8mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度，將抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系進(jìn)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(duì)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?jī)H為2.48°，可見(jiàn)加絲量對(duì)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(shì)，且對(duì)黏聚力C的影響均為正。C值在200 g/m2的加絲量下最高，達(dá)到28.36 kPa，相較于不加絲的情況下增加了95.99%?？梢?jiàn)，配方A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(bǔ)強(qiáng)效果。

2.1.2 配方B。由圖3和表3可以看出，對(duì)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(jiàn)纖維絲的加入對(duì)內(nèi)摩擦角？覫幾乎無(wú)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(shì)。在加絲量為300 g/m2時(shí)，土壤黏聚力C的值達(dá)到9.69 kPa，為不加絲土體的3.4倍?？梢?jiàn)，在試驗(yàn)投加范圍內(nèi)，纖維絲的最優(yōu)投加量為300 g/m2，對(duì)配方B有較好的加筋補(bǔ)強(qiáng)效果。

2.2 纖維絲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

邊坡模型抗雨水沖刷模擬試驗(yàn)的相關(guān)結(jié)果見(jiàn)圖4～7。

由圖4～7可見(jiàn)，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(duì)邊坡均有較好的加筋補(bǔ)強(qiáng)效果。

2.2.1 30°邊坡。對(duì)比圖4（a）及圖4（b），在較小坡度下，經(jīng)過(guò)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(yàn)中觀察發(fā)現(xiàn)，不加絲邊坡表層較為松散，模擬降雨開(kāi)始時(shí)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(yàn)中發(fā)現(xiàn)濾紙過(guò)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(kāi)始初期侵蝕量呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，如圖5所示。這是由于開(kāi)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(shì)。

2.2.2 60°邊坡。對(duì)60°的邊坡而言，加絲對(duì)邊坡的補(bǔ)強(qiáng)效果更加明顯。由圖6（a）可見(jiàn)，不加絲的邊坡在模擬降雨開(kāi)啟418 s后即達(dá)到穩(wěn)定的臨界值，發(fā)生崩塌，降雨60 min后整個(gè)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(jiàn)圖6（b）。同時(shí)，結(jié)合侵蝕量隨時(shí)間的變化曲線（圖7）及觀測(cè)濾液的渾濁程度可知，徑流液濾液均較為清澈，說(shuō)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(shí)的表面侵蝕過(guò)程中小粒徑顆粒會(huì)由于重力等作用形成大粒徑顆粒；侵蝕量隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)升高、降低再升高的趨勢(shì)，據(jù)此推測(cè)邊坡的表面是逐層被降水侵蝕的，并且隨著侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，侵蝕量的峰值也逐步降低。

3 結(jié)論

本文在直剪試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了連續(xù)纖維絲添加量對(duì)加筋補(bǔ)強(qiáng)植生土抗剪切強(qiáng)度的影響，并探討了其影響機(jī)理；同時(shí)，通過(guò)邊坡模型試驗(yàn)，研究了纖維絲對(duì)緩坡和陡坡的加筋補(bǔ)強(qiáng)效果，得到如下結(jié)論。

（1）纖維絲的加入對(duì)配方A和配方B均有較好的加筋補(bǔ)強(qiáng)效果，且對(duì)配方A和配方B摩擦角？覫的影響均較小。對(duì)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(shì)，在200 g/m2的加絲量下，C值達(dá)到最高；而對(duì)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(shì)，在試驗(yàn)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(yàn)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(bǔ)強(qiáng)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(duì)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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)未發(fā)生崩塌現(xiàn)象。

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