錨固加強植被系統在膨脹土邊坡防護中的應用

唐林強　李程程　魏煒

作者簡介：唐林強（1987—），碩士，工程師，主要從事巖土工程、水利工程領域研究工作;

李程程（1989—），工程師，主要從事綠色建筑、海綿城市領域研究工作;

魏 煒（1988—），碩士，副教授，主要從事結構工程、水文水資源領域研究工作。

摘要：錨固加強植被系統（ARVS系統）由高性能植被保護墊（HPTRM）、植被和錨桿組成。文章通過在裸露邊坡、植草邊坡、ARVS系統防護邊坡進行的現場試驗，對比三種邊坡降雨后的土體變形數據，評估ARVS系統防護膨脹土邊坡的有效性。研究結果表明：ARVS系統能約束膨脹變形，有效地防護膨脹土邊坡;ARVS系統施工完成時，主要由HPTRM與錨桿限制膨脹變形;當植被生長到一定規模后，HPTRM、錨桿和植被三者共同作用，極大地約束了膨脹變形，有效地防護膨脹土邊坡;強降雨條件下，ARVS系統防護膨脹土邊坡的效果明顯優于植草邊坡。

關鍵詞：錨固加強植被系統;膨脹土;邊坡防護

中國分類號：U418.5+2A030083

0 引言

膨脹土是富含蒙脫石的特殊黏性土，具有脹縮性、裂隙性，廣泛分布于世界40多個國家和地區，在我國主要分布在云南、廣西等地區。在這些區域，高速公路、鐵路等修建過程中必定會出現大量的膨脹土路基邊坡或者路邊邊坡等。由于膨脹土的特性，膨脹土邊坡比常規邊坡更易失穩，嚴重威脅到各類工程。膨脹土邊坡的處理方式常分為剛性支護與柔性支護。由于膨脹土的脹縮性，剛性支護容易被破壞[1]，有學者提出柔性支護防護膨脹土邊坡。柔性支護能有效地限制膨脹土的膨脹作用與脹縮裂隙發展，從而保護邊坡，所以許多柔性支護廣泛應用于膨脹土邊坡防護[2-3]。錨固加強植被系統（ARVS系統）是一種新型的柔性支護，在國外被廣泛應用于堤壩、渠道等水利工程。而ARVS系統應用于膨脹土邊坡的防護尚處于探索階段，現有成果主要是通過模型試驗進行研究[4]。由于尺寸效應、現場地質情況等因素，模型試驗很難模擬實際情況，所以本文通過現場試驗，探索ARVS系統防護膨脹土邊坡的效果。

1 膨脹土邊坡失穩機理

膨脹土邊坡破壞的模式有兩種[5]。（1）由于裂隙面強度降低出現邊坡失穩。這種破壞形式主要是因為膨脹土邊坡中的[JP+1]非脹縮裂隙面，該裂隙面強度很低，易形成滑動面。

非脹縮裂隙面位置一般比較深，所以這種破壞是深層破壞，常選用剛性支護進行處理。（2）膨脹作用導致的邊坡淺層破壞。當膨脹土吸水膨脹后，邊坡的應力重分布，該破壞發生在雨水入滲的區域，一般在大氣影響深度內，所以是淺層破壞。膨脹土邊坡在大氣作用下，反復脹縮，裂隙發育，會導致邊坡發生淺層的漸進式破壞。而實際工況中膨脹土邊坡的破壞是多種因素共同作用的結果，其中裂隙是膨脹土邊坡失穩的關鍵因素，脹縮性是產生裂隙的原因，超固結性能促進邊坡破壞，其根本原因是膨脹性[6]。

2 錨固植被加強系統的構造

錨固加強植被系統（ARVS系統）由高性能植被保護墊（HPTRM）、植被和錨桿組成。HPTRM是一種高強度、高耐久、高韌性的三維土工材料，具有95%以上的開放空間。植被生長過程中，根系會與HPTRM緊密纏繞，形成整體覆蓋到膨脹土坡面上，防護膨脹土。ARVS系統一般選用長度較短的全注漿錨桿。ARVS系統示意圖如圖1所示。

3 試驗場地

3.1 場地情況

試驗場地位于廣西南寧市水牛研究所橋頭附近的草場，處于一個向南的緩坡上。開挖后的膨脹土邊坡坡度為18°，削坡厚度為0.4 m，斜坡長5.5 m。共設置裸露邊坡、植草邊坡、ARVS系統防護邊坡三種邊坡，每種邊坡寬4 m，坡頂設置寬1 m的平臺，外圍設置截水溝。邊坡的四周用隔墻隔開，并采用砂漿勾縫。邊坡土體內部埋有土應變計，用于測量土體變形。具體現場布置如圖2所示。

3.2 地層分布

研究土樣為試驗現場的耕植土、紅褐色膨脹土、灰白色膨脹土。土層的性質如表1所示。試驗場地的剖面圖如圖3所示。根據《廣西膨脹土地區建筑勘察設計施工技術規程》（DB45/T396-2007）的規定，紅褐色膨脹土和灰白色膨脹土為弱膨脹土。

4 錨固植被加強系統的安裝

本次試驗使用長度為4 m的全注漿錨桿，傾斜角為30°，錨桿孔直徑為15 cm。根據鮮少華的研究成果[7]，可知ARVS系統防護膨脹土邊坡的最優間距為1.5 m，所以本次試驗的錨桿間距為1.5 m，成井字型分布，三行四列，共12根。錨桿采用Ⅱ級螺紋鋼，18 mm，長4 m，外徑為20 mm，截面面積為2.54 cm2。錨頭由焊接鋼板制成，每根錨桿設置兩個支架，支架由2根8 mm、長8 cm的鋼筋焊接而成。

采用洛陽鏟挖掘錨桿的灌漿孔，再對邊坡坡面進行平整，然后鋪設HPTRM。HPTRM的四周均埋入隔墻之下，以固定HPTRM四周。把制作好的錨桿插入預先挖好的孔內，然后進行灌漿、封孔、錨頭加固。錨桿的施工參考《建筑邊坡工程技術規范》（GB/50330-2013）。坡面植被選用黑麥草、高羊茅、狗牙根。種植時三種植被的草籽按1∶1∶1混合，均勻播種在坡面上，再灑適量水使耕植土層濕透。最后，用塑料薄膜覆蓋，保濕養護，待草長至3 cm高時，即移去薄膜。

5 試驗結果分析

試驗現場修筑完成后，16 d內沒有降雨，期間最高溫度在35 ℃，干旱后經歷了由臺風引起的暴雨。隨后邊坡經歷三次持續性降雨，降雨歷時分別為14 d（C1）、11 d（C2）與6 d（C3），降雨強度均為小雨或者中雨。后續進行了三次人工降雨，降雨強度分別為60 mm/h（A1）、80 mm/h（A2）與100 mm/h（A3），歷時均為1 h。各次降雨后，各類邊坡的土體位移數據如圖4所示。

由于開挖后邊坡的坡度很小，所測得的數據基本可以視為豎向的膨脹變形。由圖4可知，ARVS系統防護邊坡的變形最小，在強降雨條件下，能約束30%～40%的變形，持續性降雨也能約束20%左右的變形，說明ARVS系統能有效防護膨脹土邊坡，特別是強降雨時效果更明顯。而植草邊坡的防護效果需要在邊坡修筑完一段時間后才能體現，僅約束15%～20%的變形，且降雨強度越大，植被護坡的效果越差。

邊坡修筑完成后的高氣溫、高蒸發量導致邊坡的含水率降低，土體開裂，為變形發展提供了前提條件。此外，邊坡開挖移除上覆土層后，膨脹土會因為卸荷而釋放內部能量，導致較大的變形，所以臺風引起的降雨后土體變形最大。此時，邊坡的植被還未長成，植被護坡的效果非常小，而ARVS系統防護邊坡還有錨桿和HPTRM，兩者的共同作用能限制膨脹土的膨脹變形[9]，所以變形最小。隨著植被的生長，根系逐漸茂盛，膨脹土的膨脹變形降低，植被護坡的效果越來越明顯，所以植草邊坡與裸露邊坡的變形差別越來越大。ARVS系統防護的邊坡中植被根系生長過程中會逐漸與HPTRM互鎖，形成整體的3D結構，限制膨脹土的變形，防護效果優于植草邊坡。

6 結語

ARVS系統防護膨脹土邊坡時，能有效地約束膨脹變形，限制膨脹作用。ARVS系統剛施工完成時，植被還沒有生長成型，主要通過HPTRM與錨桿限制膨脹變形。此時僅植草的邊坡完全沒有防護能力，與ARVS系統防護邊坡相比，更易出現邊坡失衡。當植被生長到一定規模后，植被護坡的效果開始體現。ARVS系統防護邊坡中，植物根系會與HPTRM纏繞在一起形成整體結構，此時HPTRM、錨桿和植被三者共同作用，有效地防護膨脹土邊坡。特別是強降雨條件下，ARVS系統的防護效果明顯優于僅植草邊坡。

參考文獻：

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[5]程展林，龔壁衛.膨脹土邊坡[M].北京：科學出版社，2015.

[6]丁金華.膨脹土邊坡淺層失穩機理及土工格柵加固處理研究[D].杭州：浙江大學，2014.

[7]鮮少華.錨固加強植被系統防護膨脹土邊坡坡面效果的研究[D].南寧：廣西大學，2016.

[8]裴圣瑞.新型錨固加強植被系統加固南寧膨脹巖的試驗研究[D].南寧：廣西大學，2014.

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