徐志平 賈卓龍 晏長根 王逸凡



摘 要:為了給加筋黃土邊坡防護技術的大面積推廣提供理論依據和參考,對聚丙烯纖維加筋黃土防護邊坡的土壤含水率及邊坡形態進行了持續6 個月的原位測試,結果表明:聚丙烯纖維加筋黃土具有良好的邊坡防護效果,加筋黃土防護邊坡土壤含水率總體趨于穩定,不同土層土壤含水率平均變異系數比原狀邊坡降低10.89%,這得益于加筋黃土防護層形態總體維持完整,能夠長期抵抗降雨、干濕循環、凍融循環等不利外部環境的持續影響;然而,聚丙烯纖維加筋黃土防護邊坡上植被生長緩慢,且防護層與原狀土體易分異脫離。提出了對加筋黃土進行保水改良、采用快速植生的多功能層設計和可操作性強的材料物理防脫技術等加筋黃土防護邊坡的改進策略。
關鍵詞:黃土邊坡防護;聚丙烯纖維;加筋黃土;原位測試;土壤含水率;改進策略
中圖分類號:S157.2 文獻標志碼:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2024.04.018
引用格式:徐志平,賈卓龍,晏長根,等.聚丙烯纖維加筋黃土邊坡防護原位測試及改進策略[J].人民黃河,2024,46(4):111-116.
近年來,各類工程建設在黃土高原地區形成了大量黃土邊坡。這些黃土邊坡易發生淺層破壞,在極端降雨等情況下,不僅會誘發邊坡災害性變化,而且可能造成大范圍的水土流失,甚至會增加黃河下游的防洪壓力[1-4] 。為預防黃土邊坡淺層破壞,國內外學者開展了大量的邊坡防護研究[5] 。聚丙烯纖維作為新型邊坡防護材料受到相關學者的關注,如:李廣信等[6] 、唐朝生等[7] 、Consoli 等[8] 通過對聚丙烯纖維加筋軟土進行力學試驗,認為聚丙烯纖維可以有效增強土體韌性和力學強度;榮德政等[9] 、Yan 等[10] 通過研究聚丙烯纖維加筋技術對土坯的改性效果,指出聚丙烯纖維能明顯抑制干濕或凍融循環條件下土體開裂;安寧等[11] 、盧浩等[12] 通過研究聚丙烯纖維加筋黃土抗剪強度、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良的力學強度、耐久性和抗蝕性而在邊坡防護領域具有廣闊的應用前景。然而,上述研究多基于室內試驗,對聚丙烯纖維加筋黃土邊坡防護時效性的原位試驗較少。為此,本文以聚丙烯纖維加筋黃土(簡稱加筋黃土)為研究對象,基于原位長時序測試結果,分析加筋黃土對邊坡的長期防護效果,總結邊坡防護實踐中存在的問題并提出相應的改進策略,以期為加筋黃土邊坡防護技術的大面積推廣提供理論依據和參考。
1 原位測試概況
1.1 測試邊坡
原位測試在陜西省延安市安塞區南溝村進行,測試地點屬暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候區,氣候變化受季風環流影響呈現四季分明的特征,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)。
測試邊坡為古滑坡開挖形成的四級黃土路塹邊坡。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效果,但仍存在明顯的土壤侵蝕現象,主要表現為細溝侵蝕與片狀侵蝕(見圖1),極易因受強降雨、干濕循環、凍融循環等外營力作用而發生持續惡化,進而威脅邊坡的整體穩定。采用Bettersize 2000型激光粒度分析儀對該邊坡黃土進行顆粒級配分析,結果見圖2。
對邊坡基本物理參數進行測試表明,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 邊坡防護材料
測試選用的邊坡防護材料為加筋黃土,由當地黃土、水和聚丙烯纖維混合而成,其中:黃土直接從測試場地采集;聚丙烯纖維為束狀單絲,長度為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 種原材料的質量比依據前期室內試驗結果[11] 進行設置,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見表1。
1.3 原位測試方案
原位測試于2018-08-12 至2019-02-12 進行。在選定的黃土路塹邊坡上布設加筋黃土防護邊坡和原狀邊坡兩類原位測試小區(見圖3),測試小區尺寸為長13.3 m、寬1.6 m,其中:加筋黃土防護邊坡小區采用人工抹面法將防護材料在36 d 內分批、分層涂在邊坡之上,涂層厚度為5 cm,用于測試其抗蝕性;原狀邊坡小區用于對比分析。在邊坡上撒播黑麥草籽。在邊坡頂部及底部平臺上開挖截水溝,以攔截雨水及徑流并引入排水溝。
每個小區設置3 個監測位置,分別位于離坡腳2.00、6.65、11.30 m 處,每個監測位置布設4 個測點(測點間距為25 cm),每個測點埋設土壤水分傳感器(垂直于邊坡埋設深度分別為10、25、40、60 cm),傳感器型號為MS10,其量程(體積含水率)為0~50%,測量精度為±2%。采用軟硬件集成的邊坡水分無線監測系統(如圖4 所示)進行長時序監測,所有監測數據均可通過MCU 系列傳輸模塊以GPRS 方式遠程傳輸至網絡端云平臺和手機端APP,以供實時查看、下載和圖4 邊坡水分無線監測系統示意處理。此外,在測試邊坡附近空曠地段安裝JSP -05型翻斗式雨量計,監測大氣降水情況,其測量精度為0.2 mm。
2 測試結果及分析
2.1 邊坡水分時空動態特征
圖5、圖6 分別為原狀邊坡、加筋黃土防護邊坡各測點的土壤體積含水率測試結果。測試期累計降雨量為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秋季逐漸降低的變化趨勢,表層土壤水分蒸發速率高于深層土壤水分蒸發速率,但兩類邊坡的土壤含水率波動及其影響深度存在明顯差異,總體來看,原狀邊坡土壤含水率波動比加筋黃土防護邊坡土壤含水率波動更為劇烈,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范圍為3.50%~15.19%,加筋黃土防護邊坡土壤含水率波動范圍為6.68%~15.10%。其原因是加筋黃土防護邊坡的透水性較差、耐久性良好,能長期有效地阻止水分滲入,避免土壤含水率發生劇烈波動[13] 。
2.2 邊坡水分時空異質性分析
為了定量分析兩類邊坡不同土層土壤含水率的異質性,將邊坡上、中、下段的土壤含水率進行均值化處理,并采用經典統計方法計算不同深度土壤含水率的極大值、極小值、平均值、標準差和變異系數[14] ,并根據變異系數CV判別變異水平:0%≤CV <10%,弱變異;10%≤CV <100%,中等變異;100% ≤CV,強變異。
表2 為兩類邊坡不同深度土壤含水率統計。兩類邊坡土壤含水率均呈現對深度的依賴性,即平均含水率均隨深度增大而提高,變異系數隨深度增大而減小。對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 范圍內差異較大,主要原因是加筋黃土透水性較差,土壤水分補給主要依賴于坡體內部水分的滲透,如10~25 cm 土層的水分向表層(深度0~10 mm)遷移,導致含水率較原狀邊坡的低。對比兩類邊坡土壤含水率變異系數可知,在深度為0~60cm 范圍內,原狀邊坡、加筋黃土防護邊坡土壤含水率變異系數分別介于6.15% ~23.42%、5.84% ~15.38%,平均變異系數分別為11.66%、10.39%,均屬中等變異水平,加筋黃土使得變異系數降低了10.89%。兩類邊坡0~25 cm 土層土壤含水率均表現出中等變異水平,深度>25 cm 時兩者變異水平均變為弱變異。值得注意的是,原狀邊坡0~10 cm 土層土壤含水率表現出較高的變異水平(CV =23.42%),說明原狀邊坡土壤含水率容易受降雨、氣溫等環境因素影響,而加筋黃土對邊坡有很好的保護作用。
2.3 邊坡形態時變劣化特征
圖7 為測試期加筋黃土防護邊坡的演化情況。加筋黃土防護邊坡在自然條件下表現出優異的抗蝕能力:加筋黃土防護層的形態總體保持完整,僅有輕微的縱向沖刷侵蝕痕跡,沒有產生明顯的剝落、片蝕或侵蝕細溝。這可以根據纖維的交織搭接效應來解釋,纖維交織搭接可有效增強土壤顆粒之間的聯系,抑制降雨、干濕循環、凍融循環等惡劣環境因素導致的土體裂隙發育[10] 。加筋黃土防護層涂抹完成6 個月后(測試期末),逐漸長出零星分布的植被,說明加筋黃土材料不會影響植被生長與生態環境重構,可應用于黃土邊坡生態治理。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、生長與覆蓋邊坡進程較為緩慢,無法滿足各類工程建設對于生態恢復的實際需求,有必要對加筋黃土防護邊坡進行改進和優化。
3 加筋黃土防護邊坡的改進策略
上述原位測試結果表明,在加筋黃土的長期保護作用下,邊坡基體含水率總體趨于穩定,可有效避免土壤含水率劇烈變化誘發沖溝、剝落等邊坡淺層病害[16] 。然而,在工程實踐中發現,加筋黃土邊坡防護的生態恢復效果并不理想,且加筋防護層容易脫落,有必要對其改進,以進一步提升水土保持效果。
3.1 對加筋黃土進行保水改良
由于加筋黃土的物理加固機制決定了其水理性質方面存在不足,無法保持水分,不利于邊坡覆蓋植被的持續發育,因此基于低碳綠色理念對加筋黃土材料進行保水改良。
當前,不斷涌現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(一種可持續再生、保水性能優良的水溶性植物膠)摻入加筋黃土形成膠-筋固化黃土邊坡(模型)為例[15] ,其與加筋黃土防護邊坡(模型)露天放置120 d 后植被生長情況對比見圖8,與加筋黃土防護邊坡相比,膠-筋固化黃土邊坡的植被覆蓋率提升192.1%,累計沖刷量降低56.3%,表明瓜爾豆膠對加筋黃土進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計
邊坡防護材料一般具備優良的工程性能,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邊坡[21] 。對此,采用多功能層設計是一種切實可行的解決思路。
邊坡防護多功能層設計是根據不同邊坡防護材料的性能特點,在邊坡上設置多種不同厚度的功能層,各功能層在不同層次發揮自身優點,達到提高防護效果、減少水土流失和促進植物快速生長的綜合治理效果。如:何劍平等[22] 將防護基質土按成分和作業順序分為基層和面層,并通過分層設計來縮短綠植出苗及覆蓋時間,控制生產及養護成本;劉慧等[23] 采用基層與植生層雙層設計進行植草護坡現場試驗,證實其應用效果良好,植被萌芽率與覆蓋度高,且能有效抵御惡劣氣候的影響。基于雙功能層設計理念,可將膠-筋固化黃土當作基層材料,厚度為8~10 cm,以充分發揮其優良的抗蝕性和保水能力;在基層材料上涂抹一層營養草籽層,營養草籽層可采用土壤、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、生長和覆蓋邊坡。需要強調的是,相關施工工作宜在春夏季節進行。
3.3 采用可操作性強的材料物理防脫技術
邊坡防護材料與邊坡原狀土體的物理、力學和水理性質不同,使得兩者接觸面成為二元體結構薄弱面,邊坡防護材料在長期服役過程中易沿接觸面產生局部脫落,影響其對邊坡生態防護的可靠性、安全性和長效性。對此,有關學者已開展二元體防脫研究,提出了原狀土體接觸面拉毛、刻槽、掛網等物理防脫措施,如:惠冰等[24] 研究了刻槽深度、刻槽寬度和刻槽間距等對界面抗剪強度的影響,發現適當的參數組合可顯著地提高接觸面強度;Haido 等[25] 研究表明,接觸面凹槽可增強其兩側巖土體的互鎖效果、有效提升界面強度、防止兩側巖土體分離;鞏寧等[26] 研究表明,掛網與錨桿結合的防護層固定方法可防止防護層滑移脫落,邊坡植被覆蓋率高達98%;徐志平等[27] 研發了新型邊坡處理裝置,借助該裝置使邊坡形成有規律分布的錐狀孔,將膠-筋固化材料噴入錐狀孔內,在整個邊坡形成的“防護釘板層”剛度大、變形協調性好,該方法具有結構簡單、成本較低、可操作性強等優點。
4 結束語
歷時6 個月的原位測試結果表明:聚丙烯纖維加筋黃土具有良好的邊坡防護效果,加筋黃土防護邊坡土壤含水率總體上趨于穩定,不同土層土壤含水率平均變異系數比原狀邊坡降低10.89%,這得益于加筋黃土防護層形態總體維持完整,能夠長期抵抗降雨、干濕循環、凍融循環等不利外部環境的持續影響;然而,聚丙烯纖維加筋黃土防護邊坡上植被生長緩慢,且防護層與原狀土體易分異脫離。對此,提出了對加筋黃土進行保水改良、采用快速植生的多功能層設計和可操作性強的材料物理防脫技術等加筋黃土防護邊坡的改進策略。
參考文獻:
[1] 關曉迪,李榮建,張世斌,等.不同雨強和坡比條件下黃土邊坡降雨入滲研究[J].人民黃河,2022,44(1):106-111.
[2] LAN H,PENG J,ZHU Y,et al.Research on Geological andSurfacial Processes and Major Disaster Effects in the YellowRiver Basin[J]. Science China Earth Sciences,2021(pre?publish):1-23.
[3] LI P Y,QIAN H,WU J H.Environment:Accelerate Researchon Land Creation[J].Nature,2014,510(7503):29-31.
[4] YU S Y,LI W J,ZHOU L,et al.Human Disturbances Domi?nated the Unprecedentedly High Frequency of Yellow RiverFlood over the Last Millennium[J].Science Advances,2023,9(8):8576.
[5] 晏長根,梁哲瑞,賈卓龍,等.黃土邊坡防護技術綜述[J].交通運輸工程學報,2023,23(4):1-22.
[6] 李廣信,陳輪,鄭繼勤,等.纖維加筋粘性土的試驗研究[J].水利學報,1995,26(6):31-36.
[7] 唐朝生,施斌,蔡奕,等.聚丙烯纖維加固軟土的試驗研究[J].巖土力學,2007,28(9):1796-1800.
[8] CONSOLI N C,BASSANI M A A,FESTUGATO L.Effect ofFiber?Reinforcement on the Strength of Cemented Soils[J].Geotextiles and Geomembranes,2010,28(4):344-351.
[9] 榮德政,唐朝生,曾浩,等.纖維加筋土坯的蒸發過程及抗拉強度特性[J].巖土工程學報,2021,43(4):670-678.
[10] YAN C,AN N,WANG Y,et al.Effect of Dry?Wet Cyclesand Freeze?Thaw Cycles on the Antierosion Ability of Fiber?Reinforced Loess[J]. Advances in Materials Science andEngineering,2021,2021:1-12.
[11] 安寧,晏長根,王亞沖,等.聚丙烯纖維加筋黃土抗侵蝕性能試驗研究[J].巖土力學,2021,42(2):501-510.
[12] 盧浩,晏長根,賈卓龍,等.聚丙烯纖維加筋黃土的抗剪強度和崩解特性[J].交通運輸工程學報,2021,21(2):82-92.
[13] 鐘佩文,張慧莉,田堪良,等.持續降雨入滲對黃土邊坡穩定性的影響[J].人民黃河,2018,40(1):76-81.
[14] 周鑫隆,胡開夢,顧凱,等.植被護坡作用下邊坡土壤水分時間穩定性研究[J].巖土工程學報,2023,45(11):2357-2366.
[15] 賈卓龍,晏長根,李博,等.瓜爾豆膠固化纖維黃土的抗侵蝕特性及生態護坡試驗研究[J]. 巖土工程學報,2022,44(10):1881-1889.
[16] 葉萬軍,趙志鵬,楊更社,等.土體含水狀態對黃土邊坡剝落病害產生的影響[J].中國公路學報,2015,28(7):18-24.
[17]JIA Z,YAN C,LI B,et al. Performance Test and EffectEvaluation of Guar Gum?Stabilized Loess as a SustainableSlope Protection Material[J].Journal of Cleaner Production,2023,408:137085.
[18] 楊萬里,石玉玲,穆鵬雪,等.瓜爾豆膠固化黃土的工程特性及抗沖蝕試驗研究[J].水文地質工程地質,2022,49(4):117-124.
[19] 周翠英,楊旭,何韶渺,等.新型功能材料生態護坡現場試驗研究[J].土工基礎,2018,32(3):301-308.
[20] 李昊,唐朝生,尹黎陽,等.MICP-FR 協同作用改善鈣質砂的力學性能及抗侵蝕試驗研究[J].巖土工程學報,2021,43(10):1941-1949.
[21] LIU J,CHEN Z,KANUNGO D P,et al.Topsoil Reinforcementof Sandy Slope for Preventing Erosion Using Water?Based Pol?yurethane Soil Stabilizer[J].Engineering Geology,2019,252:125-135.
[22] 何劍平,霍志泓,于巖君.邊坡噴播復綠工藝[J].路基工程,2007(3):131-133.
[23] 劉慧,李振國,宋萬增,等.邊坡固結植生生態防護技術試驗研究及應用[J].人民黃河,2020,42(9):151-154.
[24] 惠冰,周博聞,王洲.刻槽參數對剛柔復合式路面層間粘結強度的影響[J].公路工程,2018,43(2):79-83.
[25] HAIDO J H,TAYEH B A,Majeed S S,et al.Effect of High Tem?perature on the Mechanical Properties of Basalt Fibre Self?Com?pacting Concrete as an Overlay Material[J].Construction andBuilding Materials, 2021,268(prepublish):121725.
[26] 鞏寧,王懷忠.高速公路邊坡生態防護施工技術研究[J].公路,2020,65(6):246-248.
[27] 徐志平,任靜,趙啟超,等.用于邊坡防護的接觸面施工裝置:202220314824.6[P].2022-06-14.
【責任編輯 張智民】
基金項目:國家自然科學基金資助項目(42077265);中鐵第一勘察設計院集團有限公司技術開發項目(院科17-26)