劉德志12范廣黃政棋12

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004；2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 南寧 530004；3.廣西鼎豐投資集團(tuán)有限公司， 廣西 南寧 530200)

0 引言

膨脹土是一種遇水膨脹、失水收縮的高塑性黏土[1]，具有脹縮性、裂隙性、超固結(jié)性等基本特性[2]，工程性質(zhì)差，全球每年因膨脹土災(zāi)害造成的損失不小于50億美元[3]。我國的膨脹土分布較廣，總面積在10萬km2以上[4]，廣西是我國膨脹土主要分布區(qū)之一。膨脹土邊坡在干濕循環(huán)條件下穩(wěn)定性逐漸降低[5]，在降雨條件下膨脹土邊坡容易發(fā)生滑坡、崩塌等災(zāi)害，膨脹土邊坡防護(hù)問題已成為工程建設(shè)的大難題[6]，是近年來學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。

隨著“生態(tài)優(yōu)先，綠色發(fā)展”理念的推動，植被生態(tài)護(hù)坡成為邊坡防護(hù)研究的熱點(diǎn)之一。研究表明，采用生態(tài)措施防護(hù)膨脹土邊坡可以有效降低大氣環(huán)境對坡面及淺層影響，植被淺根對土體有加筋作用，有利于膨脹土邊坡淺表層的穩(wěn)定[7- 8]。但工程實(shí)踐表明，僅僅采用植被防護(hù)，膨脹土邊坡上的植被生長一段時(shí)間后，坡面仍會開裂，易發(fā)生順著破裂面的淺層破壞。膨脹土邊坡應(yīng)該采取工程防護(hù)和植被防護(hù)相結(jié)合的防護(hù)體系才能對坡面進(jìn)行有效的防護(hù)[9]。

傳統(tǒng)邊坡防護(hù)工程采用的擋土墻、抗滑樁、錨桿框架梁等剛性防護(hù)措施自身剛度大，限制坡體變形，膨脹土的脹縮變形得不到釋放，產(chǎn)生膨脹力，易造成防護(hù)措施破壞，剛性支護(hù)對膨脹土邊坡的長期防護(hù)不利[10]。結(jié)合土工合成材料進(jìn)行的柔性防護(hù)措施能限制坡面的裂隙發(fā)育[11]，同時(shí)允許邊坡產(chǎn)生一定變形，釋放大部分膨脹產(chǎn)生的破壞力，保證柔性防護(hù)的正常使用，起到更好的防護(hù)效果[12]，土工格柵柔性支護(hù)很早在廣西南友高速公路膨脹土路塹邊坡中得到應(yīng)用，起到了良好的支擋效果[13]，近年來各種土工合成材料進(jìn)行膨脹土邊坡柔性防護(hù)應(yīng)用很多，但單獨(dú)采用柔性防護(hù)對坡面的抗沖刷等防護(hù)效果有限，有必要建立柔性防護(hù)與植物防護(hù)相結(jié)合體系來綜合防護(hù)膨脹土邊坡。

近年來綜合防護(hù)體系應(yīng)用在膨脹土邊坡上發(fā)展迅速，在襄荊高速公路膨脹土邊坡等治理工程[14-15]中，采用土工格室植被護(hù)坡等措施治理，有效減小膨脹土的脹縮變形和減弱邊坡沖刷，防護(hù)膨脹土邊坡的效果顯著。綜合防護(hù)體系的機(jī)理研究滯后于應(yīng)用，一方面目前的研究大多采用數(shù)值模擬方法，比如張婞文等[16]模擬研究三維網(wǎng)墊植草的防護(hù)機(jī)理等，劉曉路等[17]模擬分析三維網(wǎng)植草在改善邊坡穩(wěn)定性、提高坡面抗沖刷性能上所起的作用，實(shí)驗(yàn)研究偏少；另一方面柔性支護(hù)用土工合成材料的耐久性和抗拉強(qiáng)度一般較弱，不利于膨脹土邊坡的長期治理。高性能植被保護(hù)系統(tǒng)(high performance turf reinforcement mats, HPTRM)是利用活性植物并結(jié)合一種新型的高強(qiáng)三維土工合成材料——高性能植被保護(hù)墊，在坡面構(gòu)建的具有自身生長能力的防護(hù)系統(tǒng)，是通過植物的生長對邊坡進(jìn)行加固的一項(xiàng)新技術(shù)[18]，具有高強(qiáng)耐久、與植被根系結(jié)合緊密等特點(diǎn)，適合用于膨脹土邊坡防護(hù)中，值得深入研究。

近年來HPTRM 系統(tǒng)開始在美國得到應(yīng)用，主要用于大壩和溢洪道的防護(hù)工程中[19-20]。HPTRM 系統(tǒng)用于防護(hù)膨脹土邊坡的研究不多，目前主要從理論、室內(nèi)模型試驗(yàn)和模擬分析等方面進(jìn)行研究。研究表明，HPTRM系統(tǒng)作用在膨脹土邊坡坡面上，植被根系與HPTRM的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合生長，約束坡面裂縫開展[21]，可大幅度降低邊坡的沖刷量[22]；HPTRM是高強(qiáng)柔性材料，約束坡面的同時(shí)允許坡面較小的變形，釋放膨脹土大部分膨脹力[10,23]，同時(shí) HPTRM 材料使用年限為 25 年，耐久性能好，適合用于膨脹土邊坡的長期防護(hù)。但這些研究成果尚缺少工程實(shí)際應(yīng)用的現(xiàn)場驗(yàn)證。

本次研究依托廣西南寧市郊的某膨脹土邊坡工程，采用HPTRM系統(tǒng)進(jìn)行坡面防護(hù)，監(jiān)測坡體含水量、溫度、膨脹量等指標(biāo)，分析大氣環(huán)境對坡面變形、坡體含水率、溫度的影響，研究HPTRM系統(tǒng)防護(hù)膨脹土邊坡的效果。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)場地倉庫邊坡位于南寧市東溝嶺，該地區(qū)屬亞熱帶海洋氣候，夏長冬短，炎熱濕潤，夏雨冬干，節(jié)氣分明。年平均氣溫21.7°C，極端最高氣溫40.4°C，極端最低氣溫-2.18°C；年平均降水量1 298 mm，年蒸發(fā)量945 mm，每年雨季為5月至9月?，F(xiàn)擬削平該邊坡用作建設(shè)用地，邊坡下部設(shè)樁錨支護(hù)，坡面采用3 m×3 m格構(gòu)治理邊坡。邊坡坡度為30°，坡高7.5 m。試驗(yàn)場地剖面圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)場地剖面圖Fig.1 Profile of the test site

試驗(yàn)區(qū)0～3 m范圍內(nèi)主要為全風(fēng)化泥巖，其基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 全風(fēng)化泥巖物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of fully weathered mudstone

試驗(yàn)場地的全風(fēng)化泥巖是古近系湖相半成巖的泥巖及它們的風(fēng)化物，根據(jù)《廣西膨脹土地區(qū)建筑勘察設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)程》(DB45/T 396—2007)[24]屬A1類膨脹土，脹縮總率>4.5且相對膨脹率>0.7，根據(jù)脹縮等級劃分屬于強(qiáng)脹縮土。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及埋設(shè)

本次試驗(yàn)設(shè)備主要包括TDR-3土壤水分傳感器，TDR-100土壤水分傳感器和百分表等，選定2組格構(gòu)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，其中一組為HPTRM系統(tǒng)監(jiān)測區(qū)(下面簡稱“HPTRM區(qū)”)，一組為普通植被監(jiān)測區(qū)(下面簡稱“普植區(qū)”)。通過現(xiàn)場監(jiān)測儀器采集土體含水率、溫度和膨脹量等參數(shù)，研究HPTRM系統(tǒng)對膨脹土邊坡的防護(hù)效果。

監(jiān)測儀器及其埋設(shè)圖如圖2所示。

(a) TDR-3土壤水分計(jì)埋設(shè)

(b) HPTRM網(wǎng)鋪設(shè)

(c) 百分表安裝

(d) TDR-100土壤水分計(jì)

2.2 具體試驗(yàn)方法

① 在每個(gè)邊坡的同一橫斷面的0.5、1.0、2.0 m等不同深度埋設(shè)TDR-3土壤水分傳感器測量深層土體含水率和溫度；

② 在HPTRM區(qū)的格構(gòu)未澆筑前鋪設(shè)新型高強(qiáng)三維土工網(wǎng)并固定在坡面上，分別在HPTRM區(qū)和普植區(qū)植草；

③ 在邊坡表面不同位置布置3個(gè)百分表用于測量膨脹土土體膨脹量；

④ 在邊坡表面采用可移動型的TDR-100型土壤水分傳感器測量表層土體含水率。

監(jiān)測儀器布置如圖3所示，圖3中W為TDR-3土壤水分傳感器埋設(shè)位置，B1、B2、B3為百分表安裝位置。

圖3 監(jiān)測儀器布置圖 Fig.3 Monitoring instrument layout

土體含水率、溫度等數(shù)據(jù)從2016年3月1日開始采集，土體膨脹量從2016年5月11號開始采集，所有數(shù)據(jù)每7 d監(jiān)測一次，有降雨時(shí)在降雨后第二天增加一次監(jiān)測，一直持續(xù)監(jiān)測至2016年7月27日。

3 結(jié)果與分析

3.1 大氣降雨與大氣溫度

2016年3月至7月南寧市的降雨與大氣溫度時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4 降雨與大氣溫度時(shí)程曲線Fig.4 Time-history curve of rainfall and atmospheric temperature

觀察降雨與大氣溫度的曲線可知：2016年3月至4月降雨頻率和降雨強(qiáng)度均低； 5月至7月是雨季，降雨頻率和降雨強(qiáng)度均高。在整個(gè)監(jiān)測期內(nèi)，大氣溫度最高為39.5 ℃，最低為27 ℃，總體趨勢是隨著從春到夏慢慢增大且基本處于高溫。

3.2 土體含水率

利用TDR-3與TDR-100型土壤水分傳感器測出的HPTRM區(qū)與普植區(qū)土體體積含水率，繪制邊坡土體含水率與降雨時(shí)程曲線如圖5所示。

(a) HPTRM區(qū)

(b) 普植區(qū)

圖5 邊坡土體含水率與降雨時(shí)程曲線Fig.5 Time history curve of slope soil moisture content and atmospheric rainfall

觀察表層含水率變化的總趨勢，3、4月份表層含水率變化幅度不大，基本呈上升狀態(tài)；5至7月份表層含水率變化幅度很大。對比相應(yīng)的大氣降雨、大氣溫度曲線， 3、4月份有少量降雨并且溫度普遍不高，降雨量大于蒸發(fā)量，表層含水率上升；5至7月份溫度普遍很高，降雨量大時(shí)，降雨量大于蒸發(fā)量，表層含水率上升，降雨量小或者無降雨時(shí)，降雨量小于蒸發(fā)量，表層含水率下降。這說明大氣降雨、大氣溫度的大氣環(huán)境對邊坡表層含水率的影響很大。

比較不同深度含水率的曲線， 在大氣環(huán)境的影響下，表層含水率的變化幅度很大，隨著深度的增加，含水率的大小和變化幅度均變小。

對比HPTRM區(qū)和普植區(qū)不同深度含水率，在相同的大氣環(huán)境條件下，HPTRM區(qū)表層含水率的變化幅度很大，但深度0.5、1、2.0 m的含水率的變化幅度很??；普植區(qū)的表層和深度0.5 m的含水率的變化幅度很大，深度1.0 m的含水率的變化幅度較大,深度2.0 m的含水率的變化幅度很小，但遇強(qiáng)降雨時(shí)深度2.0 m的含水率稍微上升。膨脹土的透水性很差，大氣干濕環(huán)境會使膨脹土發(fā)生脹縮變形而產(chǎn)生裂縫，而普植區(qū)的草根的自由生長發(fā)育助長的土體裂縫的開展，雨水通過裂縫入滲到坡體深層，造成土體深層含水率的變化幅度較大；HPTRM系統(tǒng)的草根和新型高強(qiáng)三維土工網(wǎng)結(jié)合成一個(gè)致密的整體約束土體裂縫的發(fā)展，減小大氣環(huán)境對深層土體含水率的影響。

膨脹土邊坡的穩(wěn)定性和安全系數(shù)會隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而降低[5]。在相同的大氣環(huán)境影響下，HPTRM區(qū)的膨脹土土體含水率的變化更小，則其膨脹土邊坡的穩(wěn)定性和安全系數(shù)更高，HPTRM系統(tǒng)防護(hù)膨脹土邊坡的效果更好。

3.3 土體溫度

利用TDR-3土壤水分計(jì)測得的普植區(qū)與HPTRM區(qū)不同深度的土體溫度，繪制邊坡土體溫度與大氣溫度時(shí)程曲線如圖6所示。

(a) HPTRM區(qū)

(b) 普植區(qū)

圖6 邊坡土體溫度與大氣溫度時(shí)程曲線Fig.6 Time-history curve of slope soil temperature and atmospheric temperature

對比圖6中曲線可見，HPTRM區(qū)與普植區(qū)不同深度土體的溫度與大氣溫度的變化趨勢大致相同，這說明數(shù)據(jù)可靠。HPTRM區(qū)隨著深度的增加，溫度的總趨勢是越來越小，普植區(qū)溫度隨深度的變化不大。

根據(jù)圖6進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析不同深度下HPTRM區(qū)與普植區(qū)的土體溫度最大值、最小值和最大溫度差見表2。

比較最大溫度差可得，在相同的大氣環(huán)境影響條件下，HPTRM區(qū)表層附近(0.5 m)溫度的變化幅度與普植區(qū)相差不大，說明表層附近受日照與降雨等大氣環(huán)境的影響顯著；HPTRM區(qū)較深層(1.0、2.0 m)溫度的變化幅度顯著小于普植區(qū)，大氣環(huán)境對HPTRM區(qū)較深層(1.0、2.0 m)溫度的影響明顯減小，說明HPTRM系統(tǒng)能明顯降低大氣環(huán)境變化對膨脹土邊坡的影響。有關(guān)研究表明溫度變化越大，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)越低[7]。而不同深度下，HPTRM 區(qū)的最大溫差均比普植區(qū)的小，故HPTRM系統(tǒng)比普通植草防護(hù)膨脹土邊坡的效果更好。

表2 土體溫度特征值表Tab.2 soil temperature characteristic value table

3.4 土體豎向膨脹量

利用百分表測得HPTRM區(qū)與普植區(qū)不同位置(B1,B2,B3)的土體豎向膨脹量，繪制土體豎向膨脹量與降雨時(shí)程曲線如圖7所示。

圖7 土體豎向膨脹量與降雨時(shí)程曲線Fig.7 Vertical expansion of soil and atmospheric rainfall time history curve

對比不同位置的豎向膨脹量的曲線， HPTRM區(qū)和普植區(qū)中心位置(B2)的豎向膨脹量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靠近坡邊位置(B1，B3)，這是因?yàn)檫吰碌闹行奈恢?B2)遠(yuǎn)離混凝土格構(gòu)邊緣，受格構(gòu)的影響最小，故邊坡中心位置(B2)最能體現(xiàn)HPTRM系統(tǒng)和普通植草防護(hù)對邊坡土體的膨脹量的約束作用。

分析邊坡中心點(diǎn)的膨脹量(B2)的曲線總趨勢，邊坡中心位置(B2)的膨脹量前期呈上升狀態(tài)；后期呈下降狀態(tài)。對比降雨的曲線，2016年5月11日至6月21日有強(qiáng)降雨，溫度較低，降雨量大于蒸發(fā)量，土體含水率上升，膨脹量增大；6月21日至7月27日降雨量較小，溫度很高，降雨量小于蒸發(fā)量，土體含水率下降，膨脹量減小，可見大氣環(huán)境的變化對膨脹土邊坡的脹縮變形影響很大。

對比HPTRM區(qū)和普植區(qū)相應(yīng)位置的豎向膨脹量曲線，不同位置的普植區(qū)土體的膨脹量的變化幅度和最大值均大于HPTRM區(qū)。由于監(jiān)測期比較短，兩個(gè)區(qū)域的膨脹量均比較小，但仍存在一定的規(guī)律。HPTRM區(qū)中心位置(B2)的豎向膨脹量的最大值為2.68 mm,普植區(qū)中心位置(B2)的豎向膨脹量的最大值為3.57 mm，HPTRM系統(tǒng)可以顯著減小膨脹土邊坡的豎向膨脹量，這和鮮少華[25]的室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果相吻合。HPTRM系統(tǒng)能夠在一定程度上減小大氣環(huán)境對膨脹土豎向膨脹量的影響，更好地限制土體膨脹變形，防護(hù)膨脹土邊坡的效果更好。

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場HPTRM邊坡與普通植草邊坡對比試驗(yàn)，研究HPTRM防護(hù)系統(tǒng)的護(hù)坡效果，得到如下結(jié)論：

① HPTRM系統(tǒng)能夠減少大氣環(huán)境對邊坡深層含水率的影響。

② HPTRM系統(tǒng)可以減小大氣環(huán)境對溫度的影響，降低大氣環(huán)境變化對膨脹土邊坡的影響。

③ HPTRM系統(tǒng)能夠更好地約束土體膨脹變形，防護(hù)膨脹土邊坡的效果更好。