聚丙烯纖維/粘性礦粉復合料邊坡加固時效劣化評估研究

束金譽，宗夢繁

(1.江蘇省地質礦產局 第六地質大隊,江蘇 連云港 222023；2.江蘇海洋大學，江蘇 連云港 222005)

我國黃土高原上的工程活動產生了大量裸露邊坡。以“山體開挖和城市建設”和“沖溝土地整理”的大型建設項目為例，新產生的邊坡通常會發生淺層破壞，其中淺層滑動、細溝侵蝕、剝落和片蝕是典型代表。這些破壞現象不僅會加劇水土流失，其進一步發展還會導致邊坡發生災難性變化，威脅生命和財產安全[1-3]。因此，對裸露邊坡進行表面保護對于區域生態改善和邊坡穩定具有重要意義。

對邊坡保護方法的研究從未中斷，其中傳統的保護方法主要包括框架保護、植物基保護、支撐結構保護等[4]。近年來，隨著生態保護的發展，有機材料纖維和無機材料等新材料被應用于坡面防護[5]。其中，聚丙烯纖維和礦渣粉分別作為代表性的纖維加筋材料和無機材料，因其良好的保護效果、生態友好性和低成本而吸引了大量關注。與土壤混合的聚丙烯纖維可以形成土壤增強復合材料，其中纖維和土壤顆粒界面之間的摩擦使土壤更具韌性，并進一步提高土壤的抗剪強度、抗壓強度和峰值軸向應變[6]。此外，聚丙烯纖維可以有效防止裂縫的發展，從而限制土壤變形。而礦渣粉往往表現出較高的粘性，可以有效填充土壤孔隙并結合顆粒[7]。一些研究人員表明，礦渣粉可以有效提高土壤的抗剪強度和抗侵蝕性，防止邊坡的淺層破壞[8]。由此可見，聚丙烯纖維和礦渣粉在黃土邊坡上具有一定的應用前景。

坡面保護材料的有效性將隨著時間的推移而惡化(時效劣化)，特別是在惡劣的環境條件下。降雨入滲和沖刷、干濕循環、高溫和凍融循環是導致退化的主要因素[9]。根據先前的研究，降雨滲透和沖刷可能導致材料水解和結構破壞，進一步導致材料的抗拉強度和抗剪強度下降[10]。而干濕循環可能有助于孔隙和材料界面的水分吸收和擴散。在干濕循環的影響下，孔隙的膨脹會使保護材料從土壤中松動，從而阻礙保護材料和土壤顆粒之間的應力傳遞。上述影響可能會惡化護坡材料的滲透性、抗剪性和抗崩解性[11]。但目前，較少學者研究有機材料聚丙烯纖維與無機材料礦渣粉加固邊坡的時效劣化研究，對護坡材料的劣化尚未涉及太多。

基于此，本研究的目的是以聚丙烯纖維和礦渣粉為例，評估2種生態材料在典型黃土路塹邊坡防護試驗中的防護效果。使用LiDAR方法對2種保護材料的劣化過程和時空特性進行了量化。進一步研究降雨情況與材料力學性能的劣化規律，以評估邊坡長期性能。

1 材料和方法

1.1 防護試驗材料配比

本研究選用聚丙烯纖維有機材料和礦渣粉無機材料對黃土邊坡進行護坡，在施工前分別與黃土混合[12]，分別命名為聚丙烯纖維加筋土(PFS)和礦渣粉混合土(GGS)。聚丙烯纖維長15毫米，直徑0.048毫米。用于試驗的黃土直接取自試驗現場。用于護坡材料的質量比分別設置為干燥黃土：聚丙烯纖維= 1∶0.003和干燥黃土：礦渣粉=1∶0.0098。混合時，含水量控制在15%，并用小型電動攪拌器將混合物料定速攪拌10 min，直至聚丙烯纖維/礦渣粉均勻分布。然后將護坡材料密封并放入養護室養化48 h。

1.2 護坡材料室內干濕循環試驗

在降雨和蒸發的影響下，護坡材料由于干濕交替而劣化。在本研究中，采用干濕循環試驗研究了2種護坡材料(即PFS和GGS)的力學參數演變過程。根據試驗邊坡土壤含水量的波動范圍，干濕循環試驗的土壤含水量上限值和下限值分別為20%和10%。根據與LiDAR掃描數據相對應的有效降雨事件的累積時間(≥10 mm/d)，樣品的干濕循環次數分別設置為0、2、4、6、9、14和16。試樣分別通過烘箱干燥法和水膜轉移法進行干燥和加濕。干燥加濕后，將土壤樣品密封并固化24 h，以確保水在樣品中均勻分布。干-濕循環試驗后PFS和GGS的劣化結果，具體如圖1所示。

(a)聚丙烯纖維加筋土(PFS)

(b)礦渣粉混合土(GGS)圖1干濕循環劣化圖像Fig.1 Deterioration image of dry wet cycle

干濕循環處理后，分別進行剪切試驗、拉伸試驗和崩解試驗，設定護坡材料試樣的含水量分別調整為10%、15%和20%，試驗的試樣尺寸分別為Φ61.8 mm×20 mm、Φ61.8 mm×80 mm、Φ61 8 mm×40 mm，使用ZLB-1應變控制3組合直接剪切儀確定試樣的剪切強度；法向應力設置為100、200和400 kPa，剪切速率設置為0.8 mm/min，直到試樣損壞或達到6 mm的最大水平位移；使用自制單軸拉伸試驗機測定試樣的拉伸強度。樣品用薄保鮮膜包裹，主要用于保持試樣的含水量。試驗通過直接拉伸進行，樣品的一端固定，另一端施加拉力，直到樣品折斷；記錄施加的力并轉換相應的拉伸應力。使用自制的崩解儀測定了試樣的崩解特性，該儀器由2個氣缸組成：外筒可以保持水位恒定；內筒用于懸掛樣品的浮動筒。試驗過程中，浸入水中的樣品逐漸解體，內筒漂浮。因此，可以獲得樣品浮力的變化，并確定相應的樣品崩解質量。

2 護坡時效劣化過程評估

2.1 護坡劣化過程的定量評價

根據研究期間7次獲得的激光雷達(LiDAR)數據，對3個試驗邊坡的侵蝕惡化過程和侵蝕質量進行了量化。圖2和表1分別為不同時期不同邊坡侵蝕質量的光柵圖形和統計數據結果。

a-空白測試斜坡(BTS)； b- 聚丙烯纖維加筋土邊坡(SPFS)；c-礦渣粉混合土邊坡(SGGS)圖2 不同時期邊坡侵蝕質量的光柵圖形Fig.2 Raster graph of slope erosion quality in different periods

表1 不同時期邊坡侵蝕質量Tab.1 Slope erosion quality in different periods

圖2和表1表明，在不同時期，BTS的侵蝕質量始終最大，SGGS(T5除外)的侵蝕質量最低。整個研究期間，BTS、SPFS和SGGS的總侵蝕質量分別為4 153.13、2 333.65和2 154.64 g/m2。結果表明，在研究期間，聚丙烯纖維有機材料和礦渣粉無機材料分別減少了43.81%和48.12%的邊坡侵蝕質量。且礦渣粉無機材料在早期T1～T4表現出更好的保護性能。因此，本研究中使用的2種護坡材料可以有效地提高黃土邊坡的抗侵蝕性。

2.2 護坡劣化過程中的時空變化

護坡材料的劣化狀態在不同時期差異顯著，即時間依賴性劣化。圖3為3個邊坡在不同時期的侵蝕質量(E)和平均有效降雨強度(I)。其中E/I是侵蝕質量除以有效降雨的平均強度，表示邊坡的劣化程度[14]。

(a)不同防護材料作用下邊坡侵蝕質量的變化

(b)不同防護材料的防護效果隨使用時間變化效果圖3 護坡材料的劣化狀態Fig.3 Deterioration ofslope protection materials

從圖3(a)可以看出，在研究期間，3個斜坡的侵蝕質量總體變化趨勢相對一致。T1～T3期間降雨強度較低，侵蝕質量較小；隨著T4～T6期間降雨強度的增加，護坡材料表現出明顯的退化，侵蝕質量急劇增加。特別是在降雨集中期T5，3個試驗邊坡的相應侵蝕質量均達到最大值，在整個研究期間，BTS、SPFS和SGGS的侵蝕質量分別占總侵蝕質量的34%、31%和40%。3個邊坡的E/I之間的相關系數分別達到0.92、0.97和0.94，表明降雨在影響邊坡防護材料侵蝕惡化方面起主導作用。同時，從圖3(b)可以看出，2種保護材料在時間依賴性劣化過程中存在一些差異。在初始觀察期內，GGS的保護效果略好于PFS；然而，隨著使用時間的增加，這種優勢降低甚至消失，證明了2種材料本身性能的差異。

2.3 邊坡土壤含水量的時空分布

土壤含水量的空間分布與坡面侵蝕程度之間的關系可以為分析坡面水對坡面侵蝕的影響提供依據。在本研究中，監測了試驗邊坡的土壤含水量；但是，考慮到傳感器在低溫下的不良靈敏度，因此將冬季期間的觀測數據，特別是2021年12月至2022年2月的觀測數據未納入本分析。為了更合理地比較不同坡段的水條件，并使數據更具代表性[15-17]，在隨后的分析中使用了給定坡段的4個不同深度10、25、40和60 cm的平均含水量。

研究期間，BTS、SPFS和SGGS不同坡段平均含水量變化結果如圖4所示。

圖4 邊坡不同坡段平均含水量變化規律Fig.4 Variationlaw of average water content of different slope sections

從圖4可以看出，下斜坡的平均含水量通常比上斜坡高3.4%～7.0%。這主要受降雨徑流和重力勢的影響所致。

為了評價不同坡段土壤含水量的波動程度，本文引入峰谷差(V)的平均值，并按照式(1)計算，計算結果如表2所示。

表2 不同坡段土壤含水量和峰谷差平均值Tab.2 Average value of soil water content and peak-valley difference in different slope sections

(1)

式中：Mn和mn分別表示第nth次有效降雨事件期間某一斜坡段平均含水量的峰值和谷值；n表示有效降雨事件的累積次數。

峰谷差(V)的定義表明，V值越大，土壤含水量波動越大[18]。SPFS和SGGS不同坡度段的V值始終低于BTS的V值，表明與DTS相比，SPFS和SG的含水量波動較低。此外，較低坡段的含水量波動較大，尤其是在降雨集中期。結果表明，與其他坡段相比，較低坡段的土壤受氣候因素(如降雨和蒸發)的影響更為明顯和直接。較低邊坡的較高持水能力和較大的水波動將更容易削弱防護材料的抗侵蝕能力，并使較低邊坡更容易受到侵蝕破壞，同時受到更強的沖刷作用。

2.4 護坡材料的劣化測試

本研究采用室內實驗室干濕循環試驗，研究了2種護坡材料(PFS、GGS)力學參數的演變過程。內聚力(c)、內摩擦角(φ)、抗拉強度(σt)和不同干濕循環次數下護坡材料的崩解率(v)，并得到了含水量對護坡材料力學參數的影響；測試結果如圖5所示。

圖5 干濕循環對護坡材料性能的影響Fig.5 Effect of dry and wet cycles on the properties of slope protection materials

3 討論

從圖3可以看出，本研究中使用的2種材料的剪切強度參數：內聚力(c)和內摩擦角(φ)，其隨干濕循環次數而變化，具體結果 如圖5(a)、(b)所示。2種材料的抗剪強度參數隨著干濕循環次數的增加而惡化，當含水量從10%增至15%，再到20%時，劣化程度加劇。然而，隨著干濕循環次數的增加，2種材料的抗剪強度參數變化不同。GGS材料的抗剪強度參數最初優于PFS材料，但在4次干濕循環后均顯著降低，然后逐漸變差于PFS。經過16次干濕循環后，含水量分別在10%、15%和20%條件下，PFS材料的內聚力和內摩擦角分別降低了21.3%和8.9%；而GGS材料分別降低了55.8%和21.7%。這意味著在長期干濕循環下，GGS的抗剪切性能比PFS材料差。

從圖5(c)可以看出，2種材料的抗拉強度近似線性下降，在不同含水率條件下的變化曲線幾乎平行。同時還可以發現，在相同條件下，PFS材料的抗拉強度普遍優于GGS材料。這是因為纖維有機材料可以約束土顆粒的運動，加強各土體部位之間的關聯，從而緩解拉伸應力條件下的局部應力集中情況。對于GGS材料，其較低的抗拉強度可以解釋現場邊坡保護試驗中網狀裂紋現象。這些網狀裂縫可以為雨水提供更好的滲透空間[19]，因此容易導致嚴重的侵蝕破壞，甚至導致坡面整體斷裂。

從圖5(d)可以看出，干濕循環試驗下2種材料的崩解速率變化情況。崩解試驗表明，2種材料的崩解速率均隨干濕循環次數的增加呈增加趨勢。然而，GGS材料的崩解速率非常小，遠低于PFS材料，這表明干濕循環對GGS材料抗崩解性的影響很小。崩解試驗還表明，PFS材料顆粒在水中快速分離，使水渾濁；而殘余樣品分散并堆積在崩解試驗中使用的網格框架上。對于GGS材料的崩解試驗，水始終是清澈的，表明殘余樣品在一定程度上是未破裂的[20]。因此，干濕循環下的崩解試驗表明，GGS材料的抗崩解性遠優于PFS材料，且PFS材料更容易受到水侵蝕破壞。

4 結語

本文對有機材料聚丙烯纖維和無機材料礦渣粉2種生態保護材料進行了原位護坡試驗，定量評價了典型裸邊坡的侵蝕劣化過程及其時空特征。本研究不僅將為邊坡生態保護材料的評價和改進提供實證參考和理論支持，也有助于黃土區生態保護效果的推廣。

(1)基于激光雷達的方法可以有效捕獲護坡材料的劣化過程。聚丙烯纖維礦渣粉材料均能對試驗邊坡產生較好的保護效果，研究期間侵蝕質量分別降低了43.81%和48.12%。礦渣粉材料在初始階段略好于聚丙烯纖維材料；

(2)在降雨和材料性質的綜合影響下，護坡材料出現了不同的劣化情況。沖刷侵蝕主要在聚丙烯纖維材料中觀察到；而在礦渣粉材料中觀察到表面剝落。2種材料的侵蝕沿邊坡向下呈不同的逐步增長。干濕循環試驗表明，聚丙烯纖維材料抗崩解性的快速衰減是導致2種材料劣化的主要原因；

(3)結合礦渣粉和聚丙烯纖維的優點，將提高護坡材料的長期力學性能和抗沖刷性能，從而提高其在護坡方面的綜合性能。同時，輔以生態干預(如增加邊坡植被蓋度)和邊坡截留排水優化，可以進一步增強邊坡保護效果。