彭冲 张一凡 叶宇轩 王茜徵 梁令帅 江亚雄 裴福云 王丽

摘要 连续纤维丝补强土工法作为一种新型的土体改良技术，具有适用广泛、抗剪及抗侵蚀强且更易于植物生长等优点。通过直剪试验和边坡模型抗雨水冲刷试验，分别测定了不同纤维丝含量对加筋补强植生土抗剪切强度的影响及纤维丝对边坡稳定性的影响。直剪试验中共设置4种纤维丝加入量（0、100、200、300 g/m2）和2种基质配方（以原料土为主要成分的配方A、以原料土和普通硅酸盐水泥为主要成分的配方B），边坡模型抗雨水冲刷模拟试验共设置了2种纤维丝加入量（0、300 g/m2）和2种边坡坡度（30°、60°）。试验结果表明，纤维丝对2种基质配方均有较好的补强效果，且对配方A和配方B摩擦角？覫的影响程度均较小。对配方A而言，黏聚力C随着纤维丝加入量的增加呈现先增加后降低的趋势，当纤维丝用量为200 g/m2时，C值达到最高；而对配方B而言，黏聚力C随着纤维丝加入量的增加呈现上升的趋势，纤维丝的最优投加量为300 g/m2。在边坡模型抗雨水冲刷模拟试验中，纤维丝的加入有利于边坡的加筋补强。对于60°的陡坡而言，不加丝的边坡在418 s后即崩塌，而加入纤维丝的边坡在长时间内保持稳定。

关键词 连续纤维丝；抗剪强度；内摩擦角；黏聚力；边坡模型

中图分类号 TU472 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）04-0152-03

随着现代化的发展，水利、公路、铁路、矿山等建筑工程逐渐增多，在工程中土石方边坡开挖破坏了原有的植被，导致大量的土坡和岩石边坡裸露，造成了严重的生态破坏及水土流失现象。因此，边坡生态修复成为我国当前生态建设的重点。

边坡生態修复也称为生态护坡，是用活的植物或植物与非生命材料相结合的方式代替纯工程防护方式，通过种植植物，依靠植物根茎与土壤间的附着力及根茎相互缠绕达到加固边坡的效果。修筑生态护坡可根据边坡的类型、坡度和坡面特征等选用不同的技术措施。目前，在边坡工程上常见的生态修复技术有挂三维网客土喷播、挂铁丝网客土喷播、土工格室绿化、植生袋等。工程实践证明，上述几种生态护坡技术均具有一定的护坡能力，且各具优点，但仍存在适用范围窄、与坡面结合不紧密、工艺复杂、易出现“斑秃”和成本高的问题[1]。因此，寻求一种成本低廉、操作简便、应用范围广、景观性好且与坡面紧密结合的生态护坡技术具有一定的市场前景。连续纤维丝补强土（geofiber）工法由于具有适用广泛、抗剪及抗侵蚀强且更易于植物生长等优点，在欧美国家和日本被广泛应用。但国内因受限于设备、系统操作、施工的复杂性及成本较高等因素，推广应用较少。

本研究通过测定2种植生基材不同纤维丝含量的抗剪切强度，初步研究影响纤维丝加筋补强植生土抗剪切强度的因素，确定了纤维丝在植生基材中的最佳投入量。同时，通过搭建自制边坡模型、构建模拟人工降雨系统[2]，研究纤维丝补强对边坡耐雨水冲刷能力的影响，以期指导工程实践。

1 材料与方法

1.1 植生土配制

本试验中植生基材参考实际边坡工程中的配比进行配制，共设置2种植生基材（A和B）。其中，配方A包括70%原料土、25%有机肥以及5%其他保水剂、调理剂和添加剂等；配方B包括65%原料土、5% 425#普通硅酸盐水泥、25%有机肥以及5%其他保水剂、调理剂和添加剂等。试验所用原料土取自深圳市某边坡，颜色为黄褐色。经测定，该土为级配不连续的不均匀细粒土，比重为2.66，塑性指数为12.91，渗透系数为7.913×10-3 cm/s，渗透性属于中渗透性，压缩模量为3.77 MPa，属于中压缩性土；试验中所用有机肥是由深圳市铁汉生态股份有限公司利用园林废弃物和鸡粪共同发酵腐熟生产的产品。

1.2 纤维丝参数

在综合考虑各方面因素后，最终决定选择强度较高，弹性、抗腐蚀、耐酸碱、耐磨等特性均较强且售价较低的涤纶低弹丝（DTY）作为试验用丝，该纤维丝纤度为150 D，断裂强度为3.15 CN/dtex。

1.3 样品制备和试验方法

1.3.1 抗剪试验。土样试件的制备和剪切试验程序严格按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）进行[3]。土样共设置纤维丝加入量（0、100、200、300 g/m2）和基质配方（配方A、配方B）2个试验变量。其中，纤维丝加入量表示对12 cm厚的土单位面积中加入纤维丝的量。制样前，将原料土过2 mm筛后于105 ℃烘箱中烘干，并保证其他试验材料干燥，根据基质配方和纤维丝加入量进行混合配制，制成内径6.18 cm、高2 cm的圆柱形试件[4]。为保证纤维丝尽量均匀地分布在基质中，采用逐层法将称量好的连续纤维丝与基质同步混匀。试样制好后在自然通风条件下干燥、养护1周再进行直剪试验。直剪试验分别在100、200、300、400 kPa 4个正向应力下施加水平剪应力进行剪切，读出测量表读数，并进行相应数据处理[5]。

1.3.2 边坡模型抗雨水冲刷模拟试验。试验中采用的边坡模型装置为自制而成，主要由土槽和降雨系统2个部分组成，如图1（a）所示。试验边坡模型总长180 cm（其中主体部分为150 cm）、宽50 cm、深30 cm，并在距模型底部30 cm处开一长5 cm、宽5 cm的出水槽用于试验中径流液的收集。在模型主体部分均匀固定5根锚杆，如图 1（b）所示。同时，在模型内用木螺钉固定若干木条，用以模拟实际边坡工程操作中的溜沟，如图1（c）所示。降雨系统主要由进水管、阀门、喷射器、稳定架等部件构成，通过前期预试验确定其流量，保证在各组试验中的小时降雨量均为250 mm（模拟特大暴雨）。

模型试验共设置不同坡度、是否添加纤维丝2组参数作为变量，设计4组试验，每组试验均以配方A作为植生基材，各组试验的参数见表1。

试验前，将边坡模型固定至设计坡度，按照预先设计的参数进行装土。先将过筛后的土样按相应的基质配方混合后分2层装入试验土槽，控制第1层土样厚度为5 cm、第2层厚度为12～13 cm，装土过程中须边填边压实，并注意2层之间结合良好，避免出现分层现象；填土完成后使试验土槽内土壤密度控制在1.40～1.45 g/cm3。添加纤维丝的B与D组中，在第1层土样填充完成后，开始启动喷丝机，在规定时间内完成第2层土与纤维丝的均匀混合。装填完成后，用平尺将表面刮平。为保证每次试验初始条件保持一致，土样装填完毕后用喷壶在土样表面均匀洒水，水量控制在使土壤表面接近饱和但未形成径流，并养护1 d。本试验中所使用喷丝机为深圳市铁汉生态环境股份有限公司自主研发并拥有自主知识产权的产品。

试验过程中，按预先设定的250 mm/h降雨量开启降雨系统，同时开始计时；自计时开始每隔10 min收集100 mL径流，并记录收集所用的时间；径流采集试验共进行60 min，全程观察边坡土样的动态[6]。径流收集结束后，经滤纸（孔径为50 μm）过滤、烘干、称重、计算等过程得出侵蚀量。

侵蚀量（%）=（过滤后烘干滤纸质量-过滤前烘干滤纸质量）/（边坡面积·收集时间）×100

2 结果与分析

2.1 纤维丝含量对抗剪强度参数指标的影响

本试验选取剪应力峰值表征抗剪强度，无峰值时取剪切位移为8mm时所对应的剪应力为抗剪强度，将抗剪强度与垂直压力的关系进行拟合（图2、3），得出土样的黏聚力C和内摩擦角？覫（表2、3）。

2.1.1 配方A。由图2和表2可以看出，对于配方A而言随着纤维丝加入量的增加，内摩擦角的值最大变化量仅为2.48°，可见加丝量对内摩擦角？覫的影响较小。而黏聚力C随着纤维丝加入量的增加呈现先增加后降低的趋势，且对黏聚力C的影响均为正。C值在200 g/m2的加丝量下最高，达到28.36 kPa，相较于不加丝的情况下增加了95.99%。可见，配方A的纤维丝最优投入量为200 g/m2，加入纤维丝可以较大程度地提高土体A的黏聚力，具有较好的加筋补强效果。

2.1.2 配方B。由图3和表3可以看出，对于配方B而言，加丝量的变化所引起的内摩擦角？覫的变化<0.4°，可见纤维丝的加入对内摩擦角？覫几乎无影响。而土壤黏聚力C则随着加丝量的增加呈现逐渐升高的趋势。在加丝量为300 g/m2时，土壤黏聚力C的值达到9.69 kPa，为不加丝土体的3.4倍。可见，在试验投加范围内，纤维丝的最优投加量为300 g/m2，对配方B有较好的加筋补强效果。

2.2 纤维丝对边坡稳定性的影响

边坡模型抗雨水冲刷模拟试验的相关结果见图4～7。

由图4～7可见，在植生基质配方A下，不论在较小坡度（30°）或者较大坡度（60°）下纤维丝对边坡均有较好的加筋补强效果。

2.2.1 30°边坡。对比图4（a）及图4（b），在较小坡度下，经过60 min的模拟降雨之后，不加丝的边坡被雨水侵蚀得更加严重。试验中观察发现，不加丝边坡表层较为松散，模拟降雨开始时侵蚀量较多（即因粒径≥50 μm而被滤纸截留的颗粒较多）；随后侵蚀量急剧下降，结合试验中发现滤纸过滤后滤液仍浑浊的现象推断边坡上流失的土粒以小颗粒为主（粒径<50 μm，未被滤纸截留而流入滤液）。而加丝边坡在降雨开始初期侵蚀量呈現上升的趋势，如图5所示。这是由于开始表面径流尚未形成，击溅侵蚀由于表面纤维丝的紧固及缓冲作用，部分随水流流失，部分由于重力作用沉积在表面，随着地表径流逐渐形成，侵蚀量逐渐加大。降雨10 min之后，由于薄层水流、径流以及击溅侵蚀的相互作用，流失的大颗粒土粒（粒径≥50 μm，被滤纸截留）逐渐减少，小颗粒土粒（粒径<50 μm，流入滤液）则呈现先增多后降低的趋势。

2.2.2 60°边坡。对60°的边坡而言，加丝对边坡的补强效果更加明显。由图6（a）可见，不加丝的边坡在模拟降雨开启418 s后即达到稳定的临界值，发生崩塌，降雨60 min后整个边坡几乎完全冲垮；而加丝的边坡经历60 min的暴雨冲刷后，仍保持完好状态，见图6（b）。同时，结合侵蚀量随时间的变化曲线（图7）及观测滤液的浑浊程度可知，径流液滤液均较为清澈，说明添加纤维丝的60°边坡受降雨侵蚀的主要是较大粒径的土粒，这可能是由于在坡度较大时的表面侵蚀过程中小粒径颗粒会由于重力等作用形成大粒径颗粒；侵蚀量随时间的变化呈现升高、降低再升高的趋势，据此推测边坡的表面是逐层被降水侵蚀的，并且随着侵蚀时间的延长，侵蚀量的峰值也逐步降低。

3 结论

本文在直剪试验的基础上，研究了连续纤维丝添加量对加筋补强植生土抗剪切强度的影响，并探讨了其影响机理；同时，通过边坡模型试验，研究了纤维丝对缓坡和陡坡的加筋补强效果，得到如下结论。

（1）纤维丝的加入对配方A和配方B均有较好的加筋补强效果，且对配方A和配方B摩擦角？覫的影响均较小。对配方A而言，黏聚力C随着纤维丝加入量的增加呈现先增加后降低的趋势，在200 g/m2的加丝量下，C值达到最高；而对配方B而言，黏聚力C随着纤维丝加入量的增加呈现增加的趋势，在试验投加范围内，纤维丝的最优投加量为300 g/m2。

（2）在自制的边坡模型抗雨水冲刷模拟试验中，以配方A为植生基材的条件下，不论是在缓坡（30°）还是陡坡（60°）的坡度条件下，添加纤维丝的边坡其加筋补强效果均优于不加纤维丝的边坡。在30°的缓坡条件下，不加丝边坡较加丝边坡被雨水侵蚀得更严重，纤维丝对稳固坡面较大粒径的土粒具有重要作用；而在60°的陡坡条件下，不加丝边坡仅在降雨418 s后即崩塌，而加入纤维丝的边坡在长时间内未发生崩塌现象。

4 参考文献

[1] 史文飞，彭冲，何灿.裸露山体缺口生态修复新技术及景观影响度评价[J].亚热带水土保持，2012，24（2）：34-37.

[2] 郑粉莉，赵军.人工模拟降雨大厅及模拟降雨设备简介[J].水土保持研究，2004，11（4）：177-178.

[3] 国家质量技术监督局，中华人民共和国建设部.土工试验方法标准：GB/T 50123—1999[S].北京：中国计划出版社，1999.

[4] TANG C，SHI B，GAO W，et al.Strength and Mechanical Behavior of Short Polypropylene Fiber Reinforced and Cement Stabilized Clayey Soil[J].Geotextiles and Geomembranes，2007，25（3）：194-202.

[5] 程睿.用于边坡防护的纤维丝加筋补强植生土强度参数及作用机理研究[J].亚热带水土保持，2015，27（3）：17-20.

[6] 刘世雄，曹兴松，程睿，等.纤维丝固土护坡植生法在边坡防护中的水土保持效应[J].山地学报，2013，31（6）：701-709.