關(guān)鍵詞：邊坡；纖維加筋層厚度；崩解試驗(yàn)；模擬降雨沖刷試驗(yàn)；沖蝕量；含水率

0引言

邊坡在降雨沖刷作用下產(chǎn)生坡面侵蝕的現(xiàn)象十分普遍，其實(shí)質(zhì)是表層土體吸水飽和崩解并被坡面徑流沖刷而下。植物護(hù)坡作為邊坡防護(hù)的主要方式，對(duì)防止地表侵蝕有顯著效果，但植物生長(zhǎng)階段尤其萌芽階段的防護(hù)作用有限。纖維加筋土護(hù)坡是此問(wèn)題的解決方式之一，其既可以在一定程度上提高邊坡的穩(wěn)定性、減少邊坡在降雨沖刷作用下的土壤侵蝕，又可以促進(jìn)護(hù)坡植物幼苗的生長(zhǎng)。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(huì)對(duì)環(huán)境造成不良影響。

學(xué)界和工程界對(duì)纖維加筋土的力學(xué)性質(zhì)、變形行為、耐久性等進(jìn)行了大量研究，如：盧浩等通過(guò)崩解試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)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(qiáng)加筋土的水穩(wěn)性；安寧等探討了聚丙烯纖維長(zhǎng)度與摻量對(duì)加筋土抗崩解性的影響規(guī)律，結(jié)果表明隨纖維長(zhǎng)度與摻量的增大加筋土的抗崩解性先增強(qiáng)后降低，纖維長(zhǎng)度為15mm、纖維摻量為0.5%時(shí)加筋土的抗崩解性最強(qiáng)；蘆葦?shù)?、胡其志等、宮亞峰等通過(guò)對(duì)纖維加筋土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了纖維加筋土中纖維長(zhǎng)度和摻量的最優(yōu)值；陳志波等、吳遠(yuǎn)成等通過(guò)掃描電鏡分析纖維對(duì)土體的改良效果，結(jié)果表明過(guò)量摻加纖維會(huì)增大土體孔隙率、降低土體強(qiáng)度：Jin等通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)秸稈和聚丙烯纖維可以有效抑制加筋土裂縫：Yang等通過(guò)三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)作為加筋材料的椰殼纖維長(zhǎng)度、纖維含量閾值分別約為30mm、0.3%；劉世雄等通過(guò)降雨沖刷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)纖維加筋土具有較強(qiáng)的抗蝕性。這些研究對(duì)深入了解纖維加筋土的性能、纖維加筋技術(shù)的工程應(yīng)用等有重要指導(dǎo)意義。

采用纖維加筋土對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)時(shí)，纖維加筋層厚度的確定仍是一個(gè)需要研究的問(wèn)題，對(duì)此，筆者以麥秸稈纖維為加筋材料，通過(guò)崩解試驗(yàn)分析麥秸稈纖維長(zhǎng)度與摻量對(duì)加筋土抗崩解性的影響并確定最優(yōu)配合比，進(jìn)而通過(guò)模擬降雨沖刷試驗(yàn)分析纖維加筋層厚度對(duì)邊坡防護(hù)效果的影響，旨在探討最優(yōu)纖維加筋層厚度，為纖維加筋技術(shù)的推廣應(yīng)用及相關(guān)研究提供參考。

1試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自張家口市郊區(qū)土質(zhì)邊坡，屬粉質(zhì)黏土（顆粒級(jí)配見(jiàn)表1），其基本物理性質(zhì)指標(biāo)：最大干密度1.84g/cm3，最優(yōu)含水率14%，液限28%，塑限16%。試驗(yàn)用纖維為曬干后壓扁的麥秸稈，見(jiàn)圖1。

1.2崩解試驗(yàn)

按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019），使用SHY-1土壤濕化試驗(yàn)儀對(duì)土體進(jìn)行崩解試驗(yàn)。纖維長(zhǎng)度取5、10、20、30mm，加筋率（纖維質(zhì)量占干土質(zhì)量的比例）取0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%。為確保在整個(gè)土體中形成有效的纖維網(wǎng)絡(luò)，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(huán)刀制作試件，控制試件含水率為14%．干密度為1.56g/cm3。

試驗(yàn)開(kāi)始前向有機(jī)玻璃水桶中注入適量的清水，將試件放置在金屬方格網(wǎng)的中央位置并緩慢放入水桶中，記錄浮筒的初始讀數(shù)，試驗(yàn)過(guò)程中每隔20s觀察崩解情況并記錄浮筒讀數(shù)。相同條件下進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取其平均值。試驗(yàn)結(jié)束后，分別按式（1）、式（2）計(jì)算崩解量、崩解速率：

1.3模擬降雨沖刷試驗(yàn)

采用自制的長(zhǎng)1.6m、寬0.5m、高1.0m的有機(jī)玻璃箱制作坡角為45°的邊坡模型（如圖2所示）。為防止試驗(yàn)過(guò)程中儀器故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差、便于在模擬降雨過(guò)程中連續(xù)取樣和沖蝕量觀測(cè)，在模型箱兩側(cè)預(yù)留4個(gè)安置土壤水分儀及傳感器的孔洞（編號(hào)分別為W1、W2、W3、W4，具體位置如圖3所示），坡腳設(shè)置儲(chǔ)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(jìn)行裝填并壓實(shí)，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(shè)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(guān)研究，自行制作模擬降雨系統(tǒng)，主要包括霧化噴頭、流量計(jì)、降雨支架、供水管路等。對(duì)模擬降雨系統(tǒng)進(jìn)行率定表明，其降雨均勻度可達(dá)86%，滿足試驗(yàn)要求。根據(jù)張家口地區(qū)近10a的降雨情況，參考相關(guān)研究，確定模擬降雨強(qiáng)度為12mm/h、持續(xù)降雨時(shí)間為9h。試驗(yàn)開(kāi)始后，每20min記錄各土壤水分儀讀數(shù)，在坡面產(chǎn)生徑流后，每隔30min收集一次邊坡沖蝕水樣并測(cè)定體積，采樣結(jié)束后采用烘干法測(cè)算沖蝕量。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1崩解試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，試件的形狀在崩解過(guò)程中會(huì)發(fā)生不規(guī)則變化從而導(dǎo)致崩解不穩(wěn)定，其原因可能是纖維分布不均。在試件剛浸入水中時(shí)，水中產(chǎn)生氣泡，試件表面的細(xì)小土粒脫離：試件入水20s內(nèi)，試件邊緣逐漸軟化、產(chǎn)生裂縫、露出纖維、掉落土體，崩解速率不穩(wěn)定；試件入水20～160s，隨著浸水時(shí)間的延長(zhǎng)，試件發(fā)生持續(xù)穩(wěn)定的崩解，試件形狀逐漸呈金字塔狀。本研究取崩解試驗(yàn)中期的平均崩解速率，進(jìn)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(zhǎng)度和加筋率的關(guān)系。由圖4可以看出：當(dāng)加筋率一定時(shí)試件崩解速率隨纖維長(zhǎng)度增加呈先減小、后增大的變化趨勢(shì)，纖維長(zhǎng)度為20cm時(shí)崩解速率最??；當(dāng)纖維長(zhǎng)度一定時(shí)試件崩解速率隨加筋率提高呈先減小、后增大的變化趨勢(shì)，加筋率為0.3%時(shí)崩解速率最小。其原因主要是：隨著纖維長(zhǎng)度增加和加筋率提高，纖維之間形成良好的網(wǎng)狀咬合結(jié)構(gòu)，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(qiáng)，試樣的水穩(wěn)性提高，因而崩解速率減??；但是，當(dāng)加筋率和纖維長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)，易造成“纖維成團(tuán)”現(xiàn)象，導(dǎo)致試樣產(chǎn)生裂縫，從而降低水穩(wěn)性、增大崩解速率。

當(dāng)纖維長(zhǎng)度為20mm時(shí)，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(dāng)加筋率為0.3%時(shí)，纖維長(zhǎng)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(jù)此試驗(yàn)結(jié)果，把纖維長(zhǎng)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(gè)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(yàn)結(jié)果

2.2.1纖維加筋層厚度對(duì)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(shí)長(zhǎng)的變化情況見(jiàn)圖5，土體含水率最大值及其出現(xiàn)時(shí)間見(jiàn)表2、表3，降雨結(jié)束時(shí)不同部位體積含水率見(jiàn)表4。

開(kāi)始降雨時(shí)，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(yàn)開(kāi)始后，邊坡土體含水率在降雨前期（降雨時(shí)長(zhǎng)0～2h）增長(zhǎng)較慢、在降雨中期（降雨時(shí)長(zhǎng)2～7h）增長(zhǎng)較快、在降雨后期（降雨時(shí)長(zhǎng)7～9h）達(dá)到峰值后小幅度回落并保持穩(wěn)定。本研究依據(jù)降雨中期和后期的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行邊坡含水率的分析。

由圖5及表2～表4可知，在強(qiáng)降雨過(guò)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(xiàn)時(shí)間均隨纖維加筋層厚度增大而延長(zhǎng)，說(shuō)明纖維加筋層厚度對(duì)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(wú)纖維加筋層的邊坡相比，土體含水率峰值可提高0～2.0個(gè)百分點(diǎn)、降雨結(jié)束時(shí)土體含水率可提高0.3～2.3個(gè)百分點(diǎn)，土體含水率峰現(xiàn)時(shí)間延長(zhǎng)（推遲）0.5～2.0h，即纖維加筋層對(duì)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(zhǎng)幅度較小，尤其在坡中（W2、W3）未增長(zhǎng)，原因是纖維加筋層較薄，容易被強(qiáng)降雨沖刷掉，對(duì)雨水的調(diào)節(jié)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(zhǎng)幅度相對(duì)較大，且二者的差異不大，說(shuō)明纖維加筋層厚度達(dá)到6cm時(shí)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(duì)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(jì)沖蝕量隨降雨時(shí)長(zhǎng)的變化情況見(jiàn)圖6。在降雨開(kāi)始后1h內(nèi)，有無(wú)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(xù)，各類(lèi)邊坡累計(jì)沖蝕量均逐漸增大，其中無(wú)纖維加筋層的邊坡土體累計(jì)沖蝕量在降雨時(shí)長(zhǎng)為4h后急劇增長(zhǎng)（原因是坡頂和坡面發(fā)生了局部坍塌，見(jiàn)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(wú)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(qiáng)邊坡的抗蝕性。纖維加筋層的減蝕機(jī)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(jì)沖蝕量有逐漸最大趨勢(shì)：隨著降雨的持續(xù)，與土體緊密黏合且錯(cuò)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(shí)減少了坡面沖蝕量。在降雨開(kāi)始后2h內(nèi)3種厚度纖維加筋層邊坡的累計(jì)沖蝕量無(wú)明顯差異，但降雨時(shí)長(zhǎng)大于2h尤其超過(guò)4h后，纖維加筋層厚度為3cm邊坡的累計(jì)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(jì)沖蝕量差異不明顯，這與前述邊坡土體含水率試驗(yàn)結(jié)果類(lèi)似。

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

3結(jié)論

1）麥秸稈纖維長(zhǎng)度與摻量對(duì)纖維加筋土的水穩(wěn)性有顯著影響，纖維長(zhǎng)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(yōu)、崩解速率最小。

2）受麥秸稈纖維加筋層保護(hù)邊坡的持水性良好，在強(qiáng)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(dá)到6cm后邊坡土體含水率隨厚度繼續(xù)增大不再明顯增大，只會(huì)推遲含水率峰現(xiàn)時(shí)間。

3）麥秸稈纖維加筋層提高邊坡抗蝕性效果明顯，在強(qiáng)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(wú)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(dá)到6cm后邊坡土體沖蝕量隨厚度繼續(xù)增大不再明顯減小。

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