纖維加筋層厚度對邊坡抗蝕性影響試驗研究

關鍵詞：邊坡；纖維加筋層厚度；崩解試驗；模擬降雨沖刷試驗；沖蝕量；含水率

0引言

邊坡在降雨沖刷作用下產生坡面侵蝕的現象十分普遍，其實質是表層土體吸水飽和崩解并被坡面徑流沖刷而下。植物護坡作為邊坡防護的主要方式，對防止地表侵蝕有顯著效果，但植物生長階段尤其萌芽階段的防護作用有限。纖維加筋土護坡是此問題的解決方式之一，其既可以在一定程度上提高邊坡的穩定性、減少邊坡在降雨沖刷作用下的土壤侵蝕，又可以促進護坡植物幼苗的生長。天然纖維和合成纖維是常用的纖維加筋土加筋材料，其中天然纖維有麥秸稈纖維、椰棕絲纖維、棉纖維等，這些材料在土中可降解，不會對環境造成不良影響。

學界和工程界對纖維加筋土的力學性質、變形行為、耐久性等進行了大量研究，如：盧浩等通過崩解試驗，發現聚丙烯纖維、麥秸稈纖維可明顯降低加筋土的崩解速率、增強加筋土的水穩性；安寧等探討了聚丙烯纖維長度與摻量對加筋土抗崩解性的影響規律，結果表明隨纖維長度與摻量的增大加筋土的抗崩解性先增強后降低，纖維長度為15mm、纖維摻量為0.5%時加筋土的抗崩解性最強；蘆葦等、胡其志等、宮亞峰等通過對纖維加筋土進行無側限抗壓強度試驗，分析了纖維加筋土中纖維長度和摻量的最優值；陳志波等、吳遠成等通過掃描電鏡分析纖維對土體的改良效果，結果表明過量摻加纖維會增大土體孔隙率、降低土體強度：Jin等通過室內試驗，發現秸稈和聚丙烯纖維可以有效抑制加筋土裂縫：Yang等通過三軸試驗，發現作為加筋材料的椰殼纖維長度、纖維含量閾值分別約為30mm、0.3%；劉世雄等通過降雨沖刷試驗，發現纖維加筋土具有較強的抗蝕性。這些研究對深入了解纖維加筋土的性能、纖維加筋技術的工程應用等有重要指導意義。

采用纖維加筋土對邊坡進行防護時，纖維加筋層厚度的確定仍是一個需要研究的問題，對此，筆者以麥秸稈纖維為加筋材料，通過崩解試驗分析麥秸稈纖維長度與摻量對加筋土抗崩解性的影響并確定最優配合比，進而通過模擬降雨沖刷試驗分析纖維加筋層厚度對邊坡防護效果的影響，旨在探討最優纖維加筋層厚度，為纖維加筋技術的推廣應用及相關研究提供參考。

1試驗方法

1.1試驗材料

試驗用土取自張家口市郊區土質邊坡，屬粉質黏土（顆粒級配見表1），其基本物理性質指標：最大干密度1.84g/cm3，最優含水率14%，液限28%，塑限16%。試驗用纖維為曬干后壓扁的麥秸稈，見圖1。

1.2崩解試驗

按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019），使用SHY-1土壤濕化試驗儀對土體進行崩解試驗。纖維長度取5、10、20、30mm，加筋率（纖維質量占干土質量的比例）取0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%。為確保在整個土體中形成有效的纖維網絡，制作試件前先把纖維材料與土體混合均勻。采用5cmx5cmx5cm的自制正方形環刀制作試件，控制試件含水率為14%．干密度為1.56g/cm3。

試驗開始前向有機玻璃水桶中注入適量的清水，將試件放置在金屬方格網的中央位置并緩慢放入水桶中，記錄浮筒的初始讀數，試驗過程中每隔20s觀察崩解情況并記錄浮筒讀數。相同條件下進行3組平行試驗，試驗結果取其平均值。試驗結束后，分別按式（1）、式（2）計算崩解量、崩解速率：

1.3模擬降雨沖刷試驗

采用自制的長1.6m、寬0.5m、高1.0m的有機玻璃箱制作坡角為45°的邊坡模型（如圖2所示）。為防止試驗過程中儀器故障導致數據誤差、便于在模擬降雨過程中連續取樣和沖蝕量觀測，在模型箱兩側預留4個安置土壤水分儀及傳感器的孔洞（編號分別為W1、W2、W3、W4，具體位置如圖3所示），坡腳設置儲水槽。裝填邊坡的土體干密度為1.56g/cm3、含水率為14%，采取分層填土的方法裝填邊坡，共分5層進行裝填并壓實，每次裝填前把上一次裝填的坡體表層刮毛，以消除兩層之間的垂直層理、使邊坡的整體性更好，最后填裝麥秸稈纖維加筋層（本研究設置纖維加筋層厚度分別為0、3、6、9cm的4種邊坡模型）。

參考相關研究，自行制作模擬降雨系統，主要包括霧化噴頭、流量計、降雨支架、供水管路等。對模擬降雨系統進行率定表明，其降雨均勻度可達86%，滿足試驗要求。根據張家口地區近10a的降雨情況，參考相關研究，確定模擬降雨強度為12mm/h、持續降雨時間為9h。試驗開始后，每20min記錄各土壤水分儀讀數，在坡面產生徑流后，每隔30min收集一次邊坡沖蝕水樣并測定體積，采樣結束后采用烘干法測算沖蝕量。

2試驗結果分析

2.1崩解試驗結果

試驗中發現，試件的形狀在崩解過程中會發生不規則變化從而導致崩解不穩定，其原因可能是纖維分布不均。在試件剛浸入水中時，水中產生氣泡，試件表面的細小土粒脫離：試件入水20s內，試件邊緣逐漸軟化、產生裂縫、露出纖維、掉落土體，崩解速率不穩定；試件入水20～160s，隨著浸水時間的延長，試件發生持續穩定的崩解，試件形狀逐漸呈金字塔狀。本研究取崩解試驗中期的平均崩解速率，進行試件抗崩解性分析。

圖4為麥秸稈加筋土試樣崩解速率與纖維長度和加筋率的關系。由圖4可以看出：當加筋率一定時試件崩解速率隨纖維長度增加呈先減小、后增大的變化趨勢，纖維長度為20cm時崩解速率最小；當纖維長度一定時試件崩解速率隨加筋率提高呈先減小、后增大的變化趨勢，加筋率為0.3%時崩解速率最小。其原因主要是：隨著纖維長度增加和加筋率提高，纖維之間形成良好的網狀咬合結構，使得試樣整體性變好，纖維與土顆粒之間的空間約束力增強，試樣的水穩性提高，因而崩解速率減小；但是，當加筋率和纖維長度過大時，易造成“纖維成團”現象，導致試樣產生裂縫，從而降低水穩性、增大崩解速率。

當纖維長度為20mm時，加筋率為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的試件與素土相比，平均崩解速率分別降低了26.92%、29.06%、33.33%、24.57%、22.22%；當加筋率為0.3%時，纖維長度為5、10、20、30mm的試件與素土相比，平均崩解速率分別降低了17.74%、17.74%、33.33%、22.22%。據此試驗結果，把纖維長度為20mm、加筋率為0.3%作為麥秸稈纖維加筋土的最佳配比，在這個配比下制作的麥秸稈纖維加筋土的平均崩解速率為0.0312%/s。

2.2模擬降雨沖刷試驗結果

2.2.1纖維加筋層厚度對邊坡土體含水率的影響

不同纖維加筋層厚度的邊坡不同部位土體體積含水率隨降雨時長的變化情況見圖5，土體含水率最大值及其出現時間見表2、表3，降雨結束時不同部位體積含水率見表4。

開始降雨時，邊坡不同部位（坡頂、坡中、坡腳）的土體含水率為15.5%～17.0%。由圖5可以看出，降雨試驗開始后，邊坡土體含水率在降雨前期（降雨時長0～2h）增長較慢、在降雨中期（降雨時長2～7h）增長較快、在降雨后期（降雨時長7～9h）達到峰值后小幅度回落并保持穩定。本研究依據降雨中期和后期的試驗結果進行邊坡含水率的分析。

由圖5及表2～表4可知，在強降雨過程中邊坡各部位土體峰值含水率均隨纖維加筋層厚度增大而增大、峰現時間均隨纖維加筋層厚度增大而延長，說明纖維加筋層厚度對邊坡滲透性及含水率有一定的影響。纖維加筋層厚度為3、6、9cm的邊坡與無纖維加筋層的邊坡相比，土體含水率峰值可提高0～2.0個百分點、降雨結束時土體含水率可提高0.3～2.3個百分點，土體含水率峰現時間延長（推遲）0.5～2.0h，即纖維加筋層對雨水人滲有一定的滯后作用且纖維加筋層越厚滯后效果越明顯。其中：纖維加筋層厚度為3 cm邊坡的土體含水率增長幅度較小，尤其在坡中（W2、W3）未增長，原因是纖維加筋層較薄，容易被強降雨沖刷掉，對雨水的調節作用有限：纖維加筋層厚度為6cm和9cm的邊坡土體含水率增長幅度相對較大，且二者的差異不大，說明纖維加筋層厚度達到6cm時持水性較好，因此把6cm視為適宜的纖維加筋層厚度。

2.2.2纖維加筋層厚度對邊坡土體沖蝕量的影響

不同纖維加筋層厚度的邊坡土體累計沖蝕量隨降雨時長的變化情況見圖6。在降雨開始后1h內，有無纖維加筋層的邊坡土體沖蝕量均較小：之后，隨著降雨的持續，各類邊坡累計沖蝕量均逐漸增大，其中無纖維加筋層的邊坡土體累計沖蝕量在降雨時長為4h后急劇增長（原因是坡頂和坡面發生了局部坍塌，見圖7），而不同纖維加筋層厚度的邊坡土體沖蝕量在降雨中后期均明顯較無纖維加筋層邊坡的小，即不同厚度的纖維加筋層均可有效增強邊坡的抗蝕性。纖維加筋層的減蝕機理是：纖維加筋層表面存在的少量分散土在降雨初期受到雨滴濺蝕和坡面徑流沖刷，因而累計沖蝕量有逐漸最大趨勢：隨著降雨的持續，與土體緊密黏合且錯綜排列的纖維改變了雨水在坡面上的徑流方向和形式，在有效減少雨滴濺蝕的同時減少了坡面沖蝕量。在降雨開始后2h內3種厚度纖維加筋層邊坡的累計沖蝕量無明顯差異，但降雨時長大于2h尤其超過4h后，纖維加筋層厚度為3cm邊坡的累計沖蝕量明顯大于纖維加筋層厚度為6cm和9cm邊坡的，而纖維加筋層厚度為6、9cm邊坡的累計沖蝕量差異不明顯，這與前述邊坡土體含水率試驗結果類似。

在降雨結束時，無纖維加筋層邊坡土體的累計沖蝕量為7130g，纖維加筋層厚度為3、6、9cm邊坡的累計沖蝕量分別為3326、2423、2354g，分別較無纖維加筋層邊坡的累計沖蝕量減少了53.4%、66.0%、67.0%。由圖8可以看出，在降雨結束時，無纖維加筋層保護的邊坡破壞比較嚴重且坡面出現大量裂縫，纖維加筋層厚度為3cm的邊坡出現了少量沖溝，纖維加筋層厚度為6cm和9cm的邊坡均未出現明顯破壞。綜上所述，綜合考慮坡面防護效果和成本等，纖維加筋層最優厚度為6cm。

3結論

1）麥秸稈纖維長度與摻量對纖維加筋土的水穩性有顯著影響，纖維長度為20mm、摻量為0.3%的麥秸稈纖維加筋土試樣的抗崩解性最優、崩解速率最小。

2）受麥秸稈纖維加筋層保護邊坡的持水性良好，在強降雨情況下，纖維加筋層厚度越大邊坡土體體積含水率越高，但厚度達到6cm后邊坡土體含水率隨厚度繼續增大不再明顯增大，只會推遲含水率峰現時間。

3）麥秸稈纖維加筋層提高邊坡抗蝕性效果明顯，在強降雨情況下，纖維加筋層厚度為3、6、9cm，邊坡的沖蝕量分別較無纖維加筋層邊坡的沖蝕量減少53.4%、66.0%、67.0%，纖維加筋層厚度越大邊坡土體沖蝕量越小，但厚度達到6cm后邊坡土體沖蝕量隨厚度繼續增大不再明顯減小。

4）從纖維加筋層對邊坡土體含水率和抗蝕性的影響、整體防護效果及成本等方面綜合分析，認為麥秸稈纖維加筋層最優厚度為6cm。