纤维加筋层厚度对边坡抗蚀性影响试验研究

关键词：边坡；纤维加筋层厚度；崩解试验；模拟降雨冲刷试验；冲蚀量；含水率

0引言

边坡在降雨冲刷作用下产生坡面侵蚀的现象十分普遍，其实质是表层土体吸水饱和崩解并被坡面径流冲刷而下。植物护坡作为边坡防护的主要方式，对防止地表侵蚀有显著效果，但植物生长阶段尤其萌芽阶段的防护作用有限。纤维加筋土护坡是此问题的解决方式之一，其既可以在一定程度上提高边坡的稳定性、减少边坡在降雨冲刷作用下的土壤侵蚀，又可以促进护坡植物幼苗的生长。天然纤维和合成纤维是常用的纤维加筋土加筋材料，其中天然纤维有麦秸秆纤维、椰棕丝纤维、棉纤维等，这些材料在土中可降解，不会对环境造成不良影响。

学界和工程界对纤维加筋土的力学性质、变形行为、耐久性等进行了大量研究，如：卢浩等通过崩解试验，发现聚丙烯纤维、麦秸秆纤维可明显降低加筋土的崩解速率、增强加筋土的水稳性；安宁等探讨了聚丙烯纤维长度与掺量对加筋土抗崩解性的影响规律，结果表明随纤维长度与掺量的增大加筋土的抗崩解性先增强后降低，纤维长度为15mm、纤维掺量为0.5%时加筋土的抗崩解性最强；芦苇等、胡其志等、宫亚峰等通过对纤维加筋土进行无侧限抗压强度试验，分析了纤维加筋土中纤维长度和掺量的最优值；陈志波等、吴远成等通过扫描电镜分析纤维对土体的改良效果，结果表明过量掺加纤维会增大土体孔隙率、降低土体强度：Jin等通过室内试验，发现秸秆和聚丙烯纤维可以有效抑制加筋土裂缝：Yang等通过三轴试验，发现作为加筋材料的椰壳纤维长度、纤维含量阈值分别约为30mm、0.3%；刘世雄等通过降雨冲刷试验，发现纤维加筋土具有较强的抗蚀性。这些研究对深入了解纤维加筋土的性能、纤维加筋技术的工程应用等有重要指导意义。

采用纤维加筋土对边坡进行防护时，纤维加筋层厚度的确定仍是一个需要研究的问题，对此，笔者以麦秸秆纤维为加筋材料，通过崩解试验分析麦秸秆纤维长度与掺量对加筋土抗崩解性的影响并确定最优配合比，进而通过模拟降雨冲刷试验分析纤维加筋层厚度对边坡防护效果的影响，旨在探讨最优纤维加筋层厚度，为纤维加筋技术的推广应用及相关研究提供参考。

1试验方法

1.1试验材料

试验用土取自张家口市郊区土质边坡，属粉质黏土（颗粒级配见表1），其基本物理性质指标：最大干密度1.84g/cm3，最优含水率14%，液限28%，塑限16%。试验用纤维为晒干后压扁的麦秸秆，见图1。

1.2崩解试验

按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019），使用SHY-1土壤湿化试验仪对土体进行崩解试验。纤维长度取5、10、20、30mm，加筋率（纤维质量占干土质量的比例）取0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%。为确保在整个土体中形成有效的纤维网络，制作试件前先把纤维材料与土体混合均匀。采用5cmx5cmx5cm的自制正方形环刀制作试件，控制试件含水率为14%．干密度为1.56g/cm3。

试验开始前向有机玻璃水桶中注入适量的清水，将试件放置在金属方格网的中央位置并缓慢放入水桶中，记录浮筒的初始读数，试验过程中每隔20s观察崩解情况并记录浮筒读数。相同条件下进行3组平行试验，试验结果取其平均值。试验结束后，分别按式（1）、式（2）计算崩解量、崩解速率：

1.3模拟降雨冲刷试验

采用自制的长1.6m、宽0.5m、高1.0m的有机玻璃箱制作坡角为45°的边坡模型（如图2所示）。为防止试验过程中仪器故障导致数据误差、便于在模拟降雨过程中连续取样和冲蚀量观测，在模型箱两侧预留4个安置土壤水分仪及传感器的孔洞（编号分别为W1、W2、W3、W4，具体位置如图3所示），坡脚设置储水槽。装填边坡的土体干密度为1.56g/cm3、含水率为14%，采取分层填土的方法装填边坡，共分5层进行装填并压实，每次装填前把上一次装填的坡体表层刮毛，以消除两层之间的垂直层理、使边坡的整体性更好，最后填装麦秸秆纤维加筋层（本研究设置纤维加筋层厚度分别为0、3、6、9cm的4种边坡模型）。

参考相关研究，自行制作模拟降雨系统，主要包括雾化喷头、流量计、降雨支架、供水管路等。对模拟降雨系统进行率定表明，其降雨均匀度可达86%，满足试验要求。根据张家口地区近10a的降雨情况，参考相关研究，确定模拟降雨强度为12mm/h、持续降雨时间为9h。试验开始后，每20min记录各土壤水分仪读数，在坡面产生径流后，每隔30min收集一次边坡冲蚀水样并测定体积，采样结束后采用烘干法测算冲蚀量。

2试验结果分析

2.1崩解试验结果

试验中发现，试件的形状在崩解过程中会发生不规则变化从而导致崩解不稳定，其原因可能是纤维分布不均。在试件刚浸入水中时，水中产生气泡，试件表面的细小土粒脱离：试件入水20s内，试件边缘逐渐软化、产生裂缝、露出纤维、掉落土体，崩解速率不稳定；试件入水20～160s，随着浸水时间的延长，试件发生持续稳定的崩解，试件形状逐渐呈金字塔状。本研究取崩解试验中期的平均崩解速率，进行试件抗崩解性分析。

图4为麦秸秆加筋土试样崩解速率与纤维长度和加筋率的关系。由图4可以看出：当加筋率一定时试件崩解速率随纤维长度增加呈先减小、后增大的变化趋势，纤维长度为20cm时崩解速率最小；当纤维长度一定时试件崩解速率随加筋率提高呈先减小、后增大的变化趋势，加筋率为0.3%时崩解速率最小。其原因主要是：随着纤维长度增加和加筋率提高，纤维之间形成良好的网状咬合结构，使得试样整体性变好，纤维与土颗粒之间的空间约束力增强，试样的水稳性提高，因而崩解速率减小；但是，当加筋率和纤维长度过大时，易造成“纤维成团”现象，导致试样产生裂缝，从而降低水稳性、增大崩解速率。

当纤维长度为20mm时，加筋率为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的试件与素土相比，平均崩解速率分别降低了26.92%、29.06%、33.33%、24.57%、22.22%；当加筋率为0.3%时，纤维长度为5、10、20、30mm的试件与素土相比，平均崩解速率分别降低了17.74%、17.74%、33.33%、22.22%。据此试验结果，把纤维长度为20mm、加筋率为0.3%作为麦秸秆纤维加筋土的最佳配比，在这个配比下制作的麦秸秆纤维加筋土的平均崩解速率为0.0312%/s。

2.2模拟降雨冲刷试验结果

2.2.1纤维加筋层厚度对边坡土体含水率的影响

不同纤维加筋层厚度的边坡不同部位土体体积含水率随降雨时长的变化情况见图5，土体含水率最大值及其出现时间见表2、表3，降雨结束时不同部位体积含水率见表4。

开始降雨时，边坡不同部位（坡顶、坡中、坡脚）的土体含水率为15.5%～17.0%。由图5可以看出，降雨试验开始后，边坡土体含水率在降雨前期（降雨时长0～2h）增长较慢、在降雨中期（降雨时长2～7h）增长较快、在降雨后期（降雨时长7～9h）达到峰值后小幅度回落并保持稳定。本研究依据降雨中期和后期的试验结果进行边坡含水率的分析。

由图5及表2～表4可知，在强降雨过程中边坡各部位土体峰值含水率均随纤维加筋层厚度增大而增大、峰现时间均随纤维加筋层厚度增大而延长，说明纤维加筋层厚度对边坡渗透性及含水率有一定的影响。纤维加筋层厚度为3、6、9cm的边坡与无纤维加筋层的边坡相比，土体含水率峰值可提高0～2.0个百分点、降雨结束时土体含水率可提高0.3～2.3个百分点，土体含水率峰现时间延长（推迟）0.5～2.0h，即纤维加筋层对雨水人渗有一定的滞后作用且纤维加筋层越厚滞后效果越明显。其中：纤维加筋层厚度为3 cm边坡的土体含水率增长幅度较小，尤其在坡中（W2、W3）未增长，原因是纤维加筋层较薄，容易被强降雨冲刷掉，对雨水的调节作用有限：纤维加筋层厚度为6cm和9cm的边坡土体含水率增长幅度相对较大，且二者的差异不大，说明纤维加筋层厚度达到6cm时持水性较好，因此把6cm视为适宜的纤维加筋层厚度。

2.2.2纤维加筋层厚度对边坡土体冲蚀量的影响

不同纤维加筋层厚度的边坡土体累计冲蚀量随降雨时长的变化情况见图6。在降雨开始后1h内，有无纤维加筋层的边坡土体冲蚀量均较小：之后，随着降雨的持续，各类边坡累计冲蚀量均逐渐增大，其中无纤维加筋层的边坡土体累计冲蚀量在降雨时长为4h后急剧增长（原因是坡顶和坡面发生了局部坍塌，见图7），而不同纤维加筋层厚度的边坡土体冲蚀量在降雨中后期均明显较无纤维加筋层边坡的小，即不同厚度的纤维加筋层均可有效增强边坡的抗蚀性。纤维加筋层的减蚀机理是：纤维加筋层表面存在的少量分散土在降雨初期受到雨滴溅蚀和坡面径流冲刷，因而累计冲蚀量有逐渐最大趋势：随着降雨的持续，与土体紧密黏合且错综排列的纤维改变了雨水在坡面上的径流方向和形式，在有效减少雨滴溅蚀的同时减少了坡面冲蚀量。在降雨开始后2h内3种厚度纤维加筋层边坡的累计冲蚀量无明显差异，但降雨时长大于2h尤其超过4h后，纤维加筋层厚度为3cm边坡的累计冲蚀量明显大于纤维加筋层厚度为6cm和9cm边坡的，而纤维加筋层厚度为6、9cm边坡的累计冲蚀量差异不明显，这与前述边坡土体含水率试验结果类似。

在降雨结束时，无纤维加筋层边坡土体的累计冲蚀量为7130g，纤维加筋层厚度为3、6、9cm边坡的累计冲蚀量分别为3326、2423、2354g，分别较无纤维加筋层边坡的累计冲蚀量减少了53.4%、66.0%、67.0%。由图8可以看出，在降雨结束时，无纤维加筋层保护的边坡破坏比较严重且坡面出现大量裂缝，纤维加筋层厚度为3cm的边坡出现了少量冲沟，纤维加筋层厚度为6cm和9cm的边坡均未出现明显破坏。综上所述，综合考虑坡面防护效果和成本等，纤维加筋层最优厚度为6cm。

3结论

1）麦秸秆纤维长度与掺量对纤维加筋土的水稳性有显著影响，纤维长度为20mm、掺量为0.3%的麦秸秆纤维加筋土试样的抗崩解性最优、崩解速率最小。

2）受麦秸秆纤维加筋层保护边坡的持水性良好，在强降雨情况下，纤维加筋层厚度越大边坡土体体积含水率越高，但厚度达到6cm后边坡土体含水率随厚度继续增大不再明显增大，只会推迟含水率峰现时间。

3）麦秸秆纤维加筋层提高边坡抗蚀性效果明显，在强降雨情况下，纤维加筋层厚度为3、6、9cm，边坡的冲蚀量分别较无纤维加筋层边坡的冲蚀量减少53.4%、66.0%、67.0%，纤维加筋层厚度越大边坡土体冲蚀量越小，但厚度达到6cm后边坡土体冲蚀量随厚度继续增大不再明显减小。

4）从纤维加筋层对边坡土体含水率和抗蚀性的影响、整体防护效果及成本等方面综合分析，认为麦秸秆纤维加筋层最优厚度为6cm。