袁俊平，韓春雷，丁　巍，王強林，盧艷平

(1.河海大學　巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇　南京　210098；2.河海大學　巖土工程研究所，

江蘇　南京　210098)

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膨脹土邊坡土工膜防護方案試驗研究

袁俊平1,2，韓春雷1,2，丁巍1,2，王強林1,2，盧艷平1,2

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇南京210098；2.河海大學巖土工程研究所，

江蘇南京210098)

摘要：為了進一步研究采用土工膜防護方案的膨脹土邊坡在降雨和蒸發(fā)過程中水分分布規(guī)律，驗證土工膜防護方案的可行性，進行土工膜防護方案的室內(nèi)模型槽試驗，在人工條件下對膨脹土邊坡進行降雨和蒸發(fā)的若干次循環(huán)，并測量試驗過程中模型邊坡不同深度含水率的變化。結(jié)果表明：土工膜在降雨過程中阻礙了雨水入滲膜下土體，使得膜下土體保持較低含水率，在土水特征曲線上對應較高吸力，這將使土的有效應力增加，增強了邊坡的穩(wěn)定性；坡頂土工膜覆蓋在7～10m范圍時，邊坡邊緣及其下部土體能夠不受雨水入滲和蒸發(fā)的干擾，始終保持較高吸力狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：膨脹土邊坡；土工膜；干濕循環(huán)；模型槽試驗

膨脹土含有大量的蒙脫石和伊利石，是工程界普遍認為的一種難對付的土。在膨脹土地區(qū)建設(shè)的渠坡和公路鐵路邊坡發(fā)生過許多滑坡現(xiàn)象[2-5]。由于膨脹土滑坡具有平緩性和淺層性的特點，以往加固一般土質(zhì)邊坡的方法很難運用到膨脹土邊坡處理當中，膨脹土邊坡的加固方法應緊密結(jié)合膨脹土邊坡的破壞機理，主要針對膨脹土的裂隙性、脹縮性和吸水軟化等特性[6-7]。殷宗澤提出用土工膜覆蓋的方法來加固膨脹土邊坡；吳珺華使用Geostudio軟件的VADOSE/W和SLOPE/W模塊分析了膨脹土邊坡的土工膜防護方案，結(jié)果表明，有膜覆蓋的膨脹土邊坡其穩(wěn)定安全系數(shù)明顯大于無膜覆蓋的情況。以往的研究工作從不同方面證明了土工膜防護方案對膨脹土邊坡穩(wěn)定性的提高，土工膜在坡后的鋪設(shè)范圍也被提及，但只是給出了大概估計，沒有就此問題做詳細討論。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，進一步研究了降雨和蒸發(fā)引起的膨脹土邊坡內(nèi)部水分變化規(guī)律，通過模擬對比了不同土工膜鋪設(shè)范圍的模擬結(jié)果，并給出了建議值。

1試驗方案

1.1　試驗裝置

試驗擬在室內(nèi)進行，在長方體模型槽中填筑膨脹土，然后削土成坡。利用人工降雨裝置和紅外線燈模擬自然環(huán)境中膨脹土邊坡受到的降雨和蒸發(fā)，對邊坡模型進行干濕循環(huán)，坡體中分層埋入體積含水率探頭隨時量測坡體中不同深度的體積含水率變化。

試驗采用針孔降雨裝置，長方體降雨槽底面鉆孔孔徑1mm，所產(chǎn)生的雨滴直徑為2～3mm，用馬氏瓶對其供水。降雨強度控制為中雨強度，1h降雨量2.6～8mm，降雨槽底面距離坡頂1.5m。

室內(nèi)利用紅外線燈對邊坡進行人工控制干燥，紅外線燈距離土體50cm，每個紅外線燈的功率為275w，調(diào)整四個燈的相對位置使邊坡均勻受熱，土體表面溫度控制在36℃左右。

向模型槽填土過程中將傳感器埋入土體中，如圖1所示，在5個不同深度分別埋入含水率探頭。為確保探頭與土接觸良好，要首先用膨脹土泥漿包裹傳感器探頭，再將其埋入土體中，輕輕壓實。

1.2　土和土工膜基本物理性質(zhì)

試驗用土取自河南淅川南水北調(diào)中線渠段，自由膨脹率79%～91%，屬強膨脹土，液限為45%，塑性為21，而根據(jù)塑性判定該膨脹土屬弱膨脹土，綜合判定從淅川段取回的膨脹土屬于中、強膨脹土。

選用的復合土工膜規(guī)格為576g/m2，厚度2mm，滲透系數(shù)1×10-11cm/s，斷裂強度14kN/m，頂破強度2.8kN，撕破強度0.4kN，耐靜水壓力0.6MPa。

1.3　試驗步驟

(1)填筑土坡，鋪設(shè)土工膜，預埋體積含水率探頭。將土料風干、碾碎，過5mm篩，配制23%含水率，按干密度1.41g/cm3分層向模型槽中填土擊實；填土過程中在距坡頂25cm處鋪設(shè)復合土工膜，覆蓋整個坡體截面，并延伸到其下部坡面將坡面覆蓋，防止雨水經(jīng)坡面滲入土工膜以下坡體；在距離坡頂5、10、15、20和30cm深度預埋體積含水率探頭，實時監(jiān)測膜上和膜下土體中體積含水率變化情況；待削坡完畢靜置24h，測量邊坡各位置初始體積含水率。

(2)安裝調(diào)試降雨裝置，開始降雨，控制雨強為中雨強度持續(xù)降雨1h，靜置12h，使雨水充分下滲。

(3)開啟紅外線燈對坡頂和坡面強光照射，模擬自然環(huán)境的蒸發(fā)過程，該過程持續(xù)12h。

(4)重復步驟(2)、(3)，對膨脹土邊坡進行5次干濕循環(huán)，期間每隔1h讀取一次坡體各層土的體積含水率值。

2結(jié)果與分析

圖2是干濕循環(huán)過程中坡體不同深度體積含水率隨時間變化的關(guān)系。圖中虛線表示降雨開始的時刻，降雨時間持續(xù)1h，兩次降雨間隔24h。從圖中可以看出，第一次降雨后，土中各位置體積含水率沒有立即增長，只有深度5cm處的土體在經(jīng)過5h后體積含水率明顯增加，說明初始狀態(tài)土中沒有裂隙情況下，膨脹土保持低滲性；經(jīng)過第一個干濕循環(huán)，坡頂和坡面均產(chǎn)生許多不規(guī)則裂隙，從含水率監(jiān)測結(jié)果上看，在5、10、15及20cm深度，土體在隨后的歷次干濕循環(huán)中監(jiān)測值波動越來越大，裂隙發(fā)育逐漸完全，使雨水頻繁進出土體；30cm深度土體由于有土工膜覆蓋，前兩個干濕循環(huán)過程其含水率幾乎沒有增長，土工膜發(fā)揮了其防滲作用；但在后來的三次降雨中其含水率都迅速變大，這是由于土工膜以上土體經(jīng)過數(shù)次脹縮變形，與剛性的模型槽之間產(chǎn)生空隙，雨水通過這些空隙進入膜下土體。由于土工膜阻礙了膜下土體中水分蒸發(fā)，膜下受到雨水浸入大于蒸發(fā)，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加總體呈增大趨勢。

圖3表示出了每次降雨結(jié)束時刻邊坡中不同深度的體積含水率。第一次降雨后，與初始狀態(tài)含水率相比各位置體積含水率幾乎沒有變化，只有距坡頂5cm的地方有潤濕現(xiàn)象；第二次降雨后距坡頂5cm處土體含水率猛增，第一次強光蒸發(fā)使得裂隙開展到這一深度，雨水沿著裂隙進入該深度土體，該深度以下土體受影響不大；第三次降雨10cm和15cm深度含水率達到最大，20cm深度也有明顯增長，說明第二次強光蒸發(fā)使得裂隙開展到了該位置，裂隙深度大約在15～20cm之間；第四、第五次降雨后，并沒有等到20cm深度飽和，30cm深度的含水率即突然增大，如上文所說的，雨水沿著土體和模型槽間的空隙進入土工膜下伏土體，雨水繞過了土工膜而并沒有穿過它。

土工膜上下各一層土工布，中間夾一層防滲隔膜，具有很好的防滲作用，且具有一定強度。在邊坡坡面防護中，能起到很好的防滲效果，在試驗結(jié)束后對土工膜的檢查并沒有發(fā)現(xiàn)因膨脹土土體變形而產(chǎn)生撕裂破壞或防滲效果降低，因此可以采用土工膜作為膨脹土邊坡的防護材料，達到加固邊坡的目的。在工程應用中要做好土工膜相互搭接，防止雨水繞過土工膜滲入下伏土體。與之相應的應考慮坡后土工膜鋪設(shè)范圍對邊坡土體含水率變化的影響，防止降水從坡后繞過土工膜對邊坡內(nèi)部含水率產(chǎn)生影響，為此本文進行了相關(guān)數(shù)值模擬。

3數(shù)值模擬

本文采用VADOSE/W有限元程序進行相關(guān)模擬，該程序能夠考慮降雨、地表水入滲、地下水、地表蒸發(fā)和植被蒸騰作用等各種自然環(huán)境因素。

所建立的有限元邊坡模型如圖4所示，邊坡為均質(zhì)土坡，長65m，坡頂高26m，坡腳高16m，按1:2比例放坡，地表以下1m鋪設(shè)土工膜，厚度2cm，坡腳和坡面全部覆蓋，坡頂延伸長度分別為5、7和10m。

土水特征曲線反映了體積含水率和基質(zhì)吸力的關(guān)系，圖5由本次實驗所用膨脹土測得。非飽和滲透系數(shù)隨含水率變化不是一個常量，實驗室測量費時費力，難以保證結(jié)果準確，本文采用的滲透函數(shù)曲線是利用VG模型由土水特征曲線推算而來。

該邊坡模型中，縱坐標0～2m高度有2m常水頭作為地下水，地表為水氣交換邊界，底部為不透水邊界，其它邊界為潛在滲流邊界。計算初始溫度為25℃。計算分60個時步，1天為1時步，20天為一個降雨蒸發(fā)循環(huán)，前10天為降雨過程，后10天為蒸發(fā)過程，共經(jīng)歷3個干濕循環(huán)過程。降雨和蒸發(fā)過程中環(huán)境溫度、濕度、風速、降雨量和潛在蒸發(fā)量值見表1。

以復合土工膜向坡后覆蓋5m長度為例，圖6為復合土工膜上0.5m(地表下0.5m深度)和膜以下2m(地表下3m深度)體積含水率和吸力隨時間變化的情況。從圖上可以看到，膜上土體直接和大氣接觸，受到降雨和蒸發(fā)的直接影響，體積含水率和吸力隨干濕循環(huán)周期變化，起伏很大，總體上隨干濕循環(huán)次數(shù)增加體積含水率增大，吸力降低。復合土工膜以下2m(地表下3m深處)體積含水率和吸力比較穩(wěn)定。

為了找到土工膜在坡后的最佳覆蓋范圍，調(diào)整了土工膜的覆蓋范圍，對比不同覆蓋范圍的結(jié)果，如圖7所示。坡后覆蓋范圍分別為5、7和10m，圖中列出了土工膜以下2m深度土體體積含水率和吸力變化。經(jīng)歷第一次降雨以后，覆蓋范圍為5m的情況，體積含水率開始增大，吸力降低，即使在蒸發(fā)階段仍然呈體積含水率增大和吸力降低到狀態(tài)，這是由于蒸發(fā)過程中土工膜起到了隔溫和阻礙水分毛細運動的作用，導致水分在土工膜下積聚，制服下伏膨脹土的蒸發(fā)和含水率變化。經(jīng)過了三次干濕循環(huán)，發(fā)現(xiàn)當覆蓋范圍為10m時，體積含水率和吸力幾乎不變；當覆蓋范圍為7m時，體積含水率升高，吸力降低，但變化幅度很小，吸力只降低了5kPa；而當覆蓋范圍為5m時，體積含水率和吸力較前兩種情況變化明顯，吸力降低了25kPa，這對于邊坡安全是不利的。因此，推薦在工程中復合土工膜在坡后的覆蓋范圍應為7～10m。

表1　降雨和蒸發(fā)過程中的自然環(huán)境條件

4結(jié)論

1)實驗驗證了復合土工膜作為一種不透水材料，在膨脹土邊坡防護中能發(fā)揮很好的防滲效果，且復合土工膜上下各有一層土工布，使這種土工膜具有了一定強度，起到了保護防滲膜的作用。

2)通過邊坡在不同覆蓋范圍情況下經(jīng)歷降雨蒸發(fā)循環(huán)的有限元模擬，推薦在工程中坡頂土工膜覆蓋范圍應在7～10m之間。

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(特約編輯李軍)

Experimentalstudyongeo-membraneprotectionschemeforexpansive

soilslope

YUANJun-ping1,2,HANChun-lei1,2,DINGWei1,2,WANGQiang-lin1,2,LUYan-ping1,2

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforGeomechanicsandEmbankmentEngineering,HohaiUniversity,

JiangsuNanjing210098,China;2.ResearchInstituteofGeotechnicalEngineering,HohaiUniversity,

JiangsuNanjing210098,China)

Abstract：Inordertofurtherstudythewaterdistributionofexpansivesoilslopeprotectedbygeo-membraneprotectionschemeduringrainfallandevaporation,andverifythefeasibilityofgeo-membraneprotectionscheme,laboratorymodeltestforgeo-membraneprotectionprogramisconducted.Maketheexpansivesoilslopemodelgothroughthecycleofartificialrainfallandevaporation,inwhichvolumetricwatercontentprobesareburiedatdifferentdepths,sothatthemoisturecontentatdifferentdepthsintheslopemodelcanbemeasuredatanytime.Theresultsshowthatthegeo-membraneimpederainwaterinfiltratingintosoilunderthegeo-membraneduringwetanddrycycle,whichmakethesoilundergeo-membranemaintainalowermoisturecontentcorrespondingwithahighersuctioninthesoilwatercharacteristiccurve.Thiswillincreasetheeffectivestressofthesoilandthestabilityoftheslope.Inthispaper,todiscussthecoverageofthegeo-membraneatthebackoftheslope,theVADOSE/WmoduleinthefiniteelementsoftwareGeoStudioisusedtosimulateanexpansivesoilsubjectedtorainfallandevaporationcycleinthenatural.Bycomparingthevolumemoisturecontentandsuctioninslopesofdifferentcoverage,itstatesthatwhenthecoverageofgeo-membraneatthebackoftheslopeisbetween7and10meters,soilunderthegeo-membraneattheedgeoftheslopewon’tbeinterferedwithrainfallandevaporationandmaintainsahighsuctionstate.

Keywords：expansivesoilslope;compositegeo-membrane;wet-drycycle;modeltest

中圖分類號：TU443

文獻標識碼：A

文章編號：1673-9469(2015)04-0006-05doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2015.04.002

作者簡介：袁俊平(1975-)，男，湖北麻城人，博士，副教授，從事非飽和土和堤壩工程方面的研究。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51378008)；“十二五”國家科技支撐計劃項目(2011BAB10B04)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(B15020060)

收稿日期：2015-08-20