楊小榮，羅 磊，廖志廣，吳世棟，包小華，吳應(yīng)雄

（1、珠海十字門中央商務(wù)區(qū)建設(shè)控股有限公司 廣東珠海 519000；2、深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 深圳 518000；3、福州大學(xué)土木工程學(xué)院 福州 350000）

0 引言

滑坡災(zāi)害常常給社會與人民財產(chǎn)造成巨大的威脅和損失，而由降雨誘發(fā)的滑坡最為常見［1-4］。為減少滑坡災(zāi)害，需要對邊坡進行監(jiān)測預(yù)防或加固。在目前的邊坡加固修復(fù)工程中，植被護坡已經(jīng)成為一種環(huán)境友好型、成本造價較低的邊坡加固方案。

國內(nèi)外學(xué)者對邊坡破壞機制和植被護坡機制進行了大量的研究［5-8］。張鋒等人［9］基于常規(guī)三軸固結(jié)不排水試驗，探究了植被須根護坡力學(xué)效應(yīng)，得出植被須根可以提高土體的抗剪強度，但與邊坡土體的含水量和須根含量有關(guān)。HU 等人［10］研究了5 種類型根系纖維的加筋效果，結(jié)果表明，根系纖維加筋對土體內(nèi)摩擦角的影響較小，但能使粘聚力提高29.4%～394.6%。SONNENBERG 等人［11］開展了含根系土坡的離心機模型試驗，論證了植被對邊坡的機械加固作用。EAB 等人［12］通過直剪試驗和離心模型試驗對根系纖維加筋土的力學(xué)性能進行探究，結(jié)果表明，香草根纖維提高了土體的抗剪強度，能有效地抑制坡面裂縫的開展。綜上所述，植被根系主要是通過根系加筋提高坡面土體的抗剪強度以及坡面土體的整體性。此外，植被的蒸騰作用也對邊坡的穩(wěn)定性有促進作用［13］。然而，植被護坡仍然存在一些問題，比如植被在前期的生長過程所需時間長且植被容易遭受自然災(zāi)害的影響，此外植被根系耐久性較差，經(jīng)常導(dǎo)致達不到滿意的護坡效果。

作為一種新型加筋材料，纖維具有摻入簡單、性能優(yōu)和分散性好等特點?；谥脖桓档募咏顧C制及其缺點，DIAMBRA 等人［14］采用向土體中添加纖維的方法來代替植被根系。ELDESOUKY 等人［15］進行纖維加筋砂的直剪試驗，發(fā)現(xiàn)其峰值剪切強度提高了50%，同時剪脹性也有所增加。LOVISA 等人［16］研究了長度為10 mm 和15 mm、摻量為0.25%的玻璃纖維加筋砂土特性，發(fā)現(xiàn)在干燥狀態(tài)下纖維加筋為砂土引入了明顯的粘聚力，且隨著含水量的增加粘聚力幾乎沒有變化。YETIMOGLU 等人［17］對聚丙烯纖維加筋土進行抗剪強度試驗，指出纖維加筋土體的殘余剪切強度顯著提高。介玉新等人［18］對素土和纖維加筋土直立坡在逐級加載條件下進行離心模型試驗研究，發(fā)現(xiàn)纖維加筋作用能明顯提高邊坡的穩(wěn)定性，而且改變了邊坡的受力破壞性質(zhì)。孫紅等人［19］運用準(zhǔn)粘聚力的理論分析，發(fā)現(xiàn)將玻璃纖維摻入軟土路堤中可提高路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)，且路堤穩(wěn)定安全系數(shù)與玻璃纖維的長度和摻量成正比。AKAY 等人［20］選用聚丙烯纖維對砂土邊坡進行全坡加固，在側(cè)向滲流條件下進行了邊坡穩(wěn)定性分析，指出纖維能有效抑制坡體破壞。

綜上所述，學(xué)者們做了大量試驗，都表明纖維作為新型加筋材料可以有效提高土的抗剪強度。但將人造短纖維作為降雨滑坡防治的加固效果還有待進一步驗證。草本植物的根系大多分布在地表以下0～30 cm 范圍內(nèi)，如此便具有防止淺層滑坡和地表侵蝕的作用。因此，本研究只在邊坡表層添加纖維進行邊坡加固，采用模型試驗的方法，將離散短聚丙烯纖維均勻分散在模型邊坡表層土體中，模擬根系對邊坡土體的力學(xué)加筋作用。在人工降雨作用下，探究邊坡的失穩(wěn)特性，以期為滑坡防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 模型試驗概述

1.1 試驗裝置

模型試驗采用的模型槽、降雨系統(tǒng)、傳感器及配套的采集系統(tǒng)詳見包小華等人［21］的研究成果。

1.2 試驗材料及模型制備

模型邊坡材料采用粉砂，其粒徑級配曲線如圖1所示，物理特性指標(biāo)如表1所示，加固用聚丙烯纖維的基本特性如表2所示。按設(shè)計配比（纖維質(zhì)量∕干土質(zhì)量）在粉砂中均勻地摻入纖維并加水充分攪拌，攪拌后的加筋土樣如圖2所示。

圖1 試驗砂土顆粒機配曲線Fig.1 Grain Size Distribution Curve of Sand Used

圖2 纖維分散均勻的加筋粉砂Fig.2 Fiber Reinforced Silty Sand

表1 粉砂物理特性指標(biāo)Tab.1 Physical Properties Index of Silt Sand

表2 聚丙烯纖維材料特性Tab.2 Material Properties of Polypropylene Fibers

試驗用砂土初始質(zhì)量含水率為5%，控制模型邊坡的相對密度為40%，邊坡模型的制備采用質(zhì)量－體積法分層壓實，對于加筋區(qū)域，采用與未加筋區(qū)域相同的密度壓實。降雨實驗采用的鋼化玻璃鋼框架模型箱如圖3所示，測點布置如圖4所示，模型制作的同時，在其中間截面上預(yù)埋傳感器，其中坡角為45°，沿垂直剖面縱向坡寬90 cm。完成準(zhǔn)備工作后，在模型邊坡表面鋪設(shè)塑料薄膜并靜置1 天，防止水分蒸發(fā)且可使土顆粒間形成良好的膠結(jié)效果，確保邊坡內(nèi)部應(yīng)力達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 邊坡試驗用模型槽Fig.3 Model Box for Slope Tests

圖4 試驗傳感器布置Fig.4 Layout of Sensors for the Model Tests （cm）

1.3 試驗方案

本研究共進行3 組邊坡試驗，邊坡的加筋區(qū)域如圖5所示。為了探究加筋纖維的長短對邊坡加固效果的影響，加筋區(qū)域采用了同含量兩種不同長度的纖維加筋方式，具體方案如表3所示。

表3 試驗方案Tab.3 Schemes of Model Test

圖5 纖維加筋區(qū)Fig.5 Fiber Reinforced Area （cm）

1.4 試驗過程

在模型邊坡頂部上方1 m 處安裝降雨裝置，通過閥門和降雨面積調(diào)節(jié)降雨強度為100 mm∕h。實驗過程中監(jiān)測坡體的孔隙水壓力、基質(zhì)吸力、體積含水量，以及破壞形態(tài)的變化。邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)破壞后繼續(xù)觀察，直至破壞趨于穩(wěn)定，停止試驗。

2 三軸排水試驗

進行邊坡模型試驗前，先通過三軸試驗驗證不同長度和含量的纖維加筋效果。不同圍壓下加筋粉砂試樣排水剪切的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖6 所示，表現(xiàn)出弱硬化特性。當(dāng)纖維長度不變，偏應(yīng)力隨著纖維含量增加而增大，當(dāng)纖維含量不變，偏應(yīng)力也隨著纖維長度的增加而增大。纖維含量0.25%、長度12 mm 的加筋粉砂試樣在有效圍壓為50 kPa、100 kPa、200 kPa 時，它們的破壞偏應(yīng)力（εa=15 %）較不加固時分別提高了47.1%、41.1%、30.8%。當(dāng)軸向應(yīng)變較小時，粉砂與纖維加筋粉砂的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線基本重合，表明各加筋試樣初期加筋效果不明顯。隨著軸向應(yīng)變的增加，各試樣的偏應(yīng)力迅速增大，纖維加筋逐漸發(fā)生作用。

圖6 不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.6 Stress-strain Curve under Different Confining Pressure

通過土體破壞狀態(tài)時的極限應(yīng)力圓繪制莫爾強度包線，得到粉砂和各類加筋粉砂的有效應(yīng)力抗剪強度指標(biāo)，如表4 所示，隨著纖維長度的增加，加筋粉砂有效粘聚力明顯提高、內(nèi)摩擦角小幅增加。當(dāng)纖維含量為0.25%、長度為6 mm 時，內(nèi)摩擦角和有效粘聚力都顯著提高。從粉砂到加筋粉砂，粘聚力從2.94 kPa增加到5.77 kPa，內(nèi)摩擦角從34.07°增加到37.47°。當(dāng)纖維含量為0.25%、長度為12 mm時，內(nèi)摩擦角及粘聚力的增幅都比同含量6 mm 纖維的增幅大。尤其是粘聚力，由5.77 kPa 增長到10.58 kPa，而內(nèi)摩擦角的漲幅較小，僅增加了0.28°，整體上纖維加筋效果較為明顯。因此，本研究選取6 mm+0.25%和12 mm+0.25%的加筋方案進行試驗。

表4 試樣的抗剪強度參數(shù)Tab.4 Shear Strength Parameter of Samples

3 邊坡模型試驗

本試驗以水滴降落形式模擬降雨，對坡面有輕微沖刷影響。

3.1 試驗過程及典型現(xiàn)象

素土邊坡試驗失穩(wěn)滑塌的過程如圖7所示。降雨78 min 后，坡腳出現(xiàn)張拉裂縫并沿著縱向坡寬進行擴展。降雨87 min 后，坡腳發(fā)生沖蝕破壞，表現(xiàn)為流體狀態(tài)。隨后，坡面上部土體失去坡腳的支撐，慢慢出現(xiàn)拉裂面，塊體逐漸形成滑動破壞。隨著降雨持續(xù)，失穩(wěn)的塊體慢慢變大。降雨142 min 時，出現(xiàn)較大的塊體滑落，滑裂面位于27 cm高度處，深度約14 cm，坍塌的坡體容易受到降雨侵蝕的解離。同時，坡面上還伴有淺層流滑破壞，不斷延伸至坡頂，由于流滑速率較快導(dǎo)致坡面出現(xiàn)多條沖蝕溝槽，溝槽隨時間不斷加寬加深。失穩(wěn)的塊體及雨水的沖刷使得土體流失嚴重，增大了坡體孔隙率，使邊坡變得松散。在高強降雨條件下，坡面形成暫態(tài)飽和區(qū)，產(chǎn)生較大的變形，造成超靜孔壓，引發(fā)粉砂液化。由于在降雨條件下超靜孔壓不能較快消散，導(dǎo)致流滑型破壞的發(fā)生。隨后，邊坡破壞速度及規(guī)模急劇增大。降雨217 min 時，坡面大部分已經(jīng)失穩(wěn)，滑裂面向上延伸至50 cm高度處。降雨232 min 時，滑坡發(fā)展至坡頂，在坡頂形成較大的拉裂面，最終滑面總體呈圓弧形，深度約為30 cm。

圖7 素土邊坡在不同時刻的破壞形態(tài)Fig.7 Failure Patterns of Bare Soil Slopes at Different Time

加筋區(qū)采用6 mm+0.25%方案時的邊坡破壞過程如圖8所示。降雨作用引起的加筋邊坡破壞速度和程度均較素土邊坡（見圖7）都有所減緩。降雨105 min后，坡腳緩慢產(chǎn)生裂縫，貫通速率較慢，也未出現(xiàn)流體狀態(tài)。坡腳破壞后，邊坡失穩(wěn)破壞逐漸延伸至坡頂。由于坡面的抗剪強度有所提高（c=5.77 kPa、φ=37.47°，見表4），拉裂面擴展速度減小。隨后的滑塌塊體比素土邊坡的小，且滑面深度有所降低。降雨185 min 時，滑裂面延伸至邊坡20 cm 高度處，深度約11 cm。在降雨影響下，坡體破壞速度有一定的加快，降雨277 min時，破裂面擴展至35 cm高處。不同于素土邊坡，坍塌的坡體在降雨侵蝕過程中大部分未被解離，在坡腳上方堆積。在隨后的降雨過程中，滑裂面的高度并沒有發(fā)生明顯的變化，在降雨360 min 時，最終滑面穩(wěn)定在36 cm高度處，深度約22 cm。

圖8 纖維加筋邊坡（6 mm+0.25%）在不同時刻的破壞形態(tài)Fig.8 Failure Patterns of Fiber Reinforced Slope（6 mm + 0.25%）at Different Time

加筋區(qū)采用12 mm+0.25%方案時的邊坡破壞過程如圖9所示。纖維長度的增加明顯延緩了邊坡的破壞過程。降雨180 min 時，坡腳處裂縫形成后并未貫通。降雨305 min 時，破壞面延伸至14 cm 高度處，深度約10 cm，且只有表層土體剝落。一方面，在降雨侵蝕影響下，由于長纖維的彎曲交錯，它們的相互牽扯起到一定程度的加固作用，限制大滑塊的形成，且局部失穩(wěn)的土體很難沿坡面移動。另一方面，內(nèi)摩擦角和粘聚力的提高也起到抗滑作用，所以坡面滑塌凹陷較淺。降雨425 min 時，停止試驗。最終坡角出現(xiàn)局部破壞的高度為17 cm，深度約12 cm，但全坡面并無明顯的結(jié)構(gòu)性破壞。

圖9 纖維加筋邊坡（12 mm+0.25%）在不同時刻的破壞形態(tài)Fig.9 Failure Patterns of Fiber Reinforced Slope（12 mm + 0.25%）at Different Time

各邊坡在破壞過程中，滑裂面起點到坡腳位置的距離與時間的變化如圖10 所示。素土邊坡的距離-時間曲線呈現(xiàn)出陡峭趨勢特點，且數(shù)值較大，而6 mm長纖維加筋邊坡的曲線趨勢有所減緩、數(shù)值相對減小。對于12 mm 長的纖維加筋邊坡，其曲線趨勢進一步減緩，后期基本保持水平，表明破壞速度不斷下降，且數(shù)值較小。與素土邊坡相比，數(shù)值由0.60 m 降為0.17 m，降比高達71.6%。因此，12 mm 加筋纖維的存在可有效地抑制坡體的破壞，對降雨下的邊坡有保護作用。

圖10 滑裂面起點到坡腳的水平距離Fig.10 Horizontal Distance from the Starting Point of Slip Surface to the Foot of Slope

3.2 邊坡基質(zhì)吸力的變化

基質(zhì)吸力隨時間的變化曲線如圖11 所示。在降雨過程中，各組試驗的基質(zhì)吸力變化趨勢一致，即先短時間穩(wěn)定-陡降-緩慢趨于穩(wěn)定。25 min 時，T1、T3和T4 幾乎同時驟降，此時雨水幾乎同時入滲到監(jiān)測點的位置。隨后，靠近坡頂面位置處T1、T3 的值基本不變，而坡腳上方處T4 的值再次驟降最終穩(wěn)定在0 kPa 左右。這主要是雨水降落后，小部分入滲到坡內(nèi)，大部分聚集在坡腳處，使得坡腳很快達到飽和。坡體中部T2 發(fā)生驟降的時間相對T1 比較晚，這主要是濕潤峰是從上往下不斷推進。由圖11 可知，隨著加筋纖維長度的增加，T2發(fā)生驟降的時間均有一定的延遲，但最終穩(wěn)定值接近。表明局部纖維加筋在降雨條件下對邊坡未加筋區(qū)的基質(zhì)吸力影響不大。

圖11 基質(zhì)吸力隨時間變化曲線Fig.11 Variation of Suction with Time

3.3 邊坡含水量的變化

如圖12 所示，素土邊坡和加筋邊坡試驗中，體積含水量隨時間的變化趨勢大致相同。試驗前期，雨水入滲到各監(jiān)測點，此時體積含水量迅速增加，隨后平緩增加至最大值。在各組試驗中，M3 和M4 的驟升與對應(yīng)位置的T3、T4 的驟降基本同步，說明非飽和土體的吸力隨含水量的增加而降低。坡腳位置上方的M4較快達到最大值，這與該位置處的吸力變化相呼應(yīng)。對于M2，其值的增長表現(xiàn)出兩個階段增長的特征，第一次均增加至約25%。保持一段時間的相對穩(wěn)定后，再次增加。這主要是在降雨過程中，一方面坡頂下方的雨水直接入滲，另一方面從坡面入滲的雨水很快到達坡底并集聚，引起坡體水位逐漸抬升。坡體水和坡頂面入滲的雨水共同提高了M2 位置處的土體水分。由監(jiān)測得到的各位置處的體積含水量可知，局部纖維的添加對降雨影響下的破體內(nèi)滲流場影響相對較小。

圖12 體積含水量隨時間變化曲線Fig.12 Variation of Volumetric Water Content with Time

3.4 纖維加固邊坡機制

降雨過程中，土體含水量增加，基質(zhì)吸力減小，表現(xiàn)為吸濕軟化，抗剪強度逐漸減小，使得邊坡的抗滑力不斷下降。由三軸試驗可知，一方面，纖維的添加有效提高了土體的抗剪強度；另一方面，短纖維的摻和可以填充土體間的孔隙，使坡體變得密實，長纖維在填充孔隙的同時容易彎曲交錯，與包裹的土體形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效的限制了土顆粒的位移，減緩邊坡土體的滑移，起到良好的邊坡穩(wěn)固作用。由基質(zhì)吸力和體積含水量的變化可知，局部加筋纖維對邊坡土體的非飽和滲流場的影響不大，所以纖維對邊坡的保護作用主要取決于其骨架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的提升作用。

4 結(jié)論

本文基于人造短纖維加固土體三軸試驗效果，設(shè)計并實施可考慮降雨作用的邊坡模型試驗，主要選取了不同長度的纖維加固粉砂邊坡淺表層，探究加固后的邊坡失穩(wěn)特性，得出如下結(jié)論：

⑴相比未加固的粉砂，纖維加筋后粉砂的抗剪強度明顯提高。主要表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角和粘聚力均隨著纖維長度的增加而增大。其中，纖維加筋能顯著提高土體的粘聚力，但對內(nèi)摩擦角的影響較小。

⑵在降雨作用下，纖維加固能明顯改善原始邊坡的破壞程度。主要表現(xiàn)為坡腳裂縫擴展慢且最終未貫通、滑塌體積減小且滑塌速度變緩。隨著坡面淺表層加筋區(qū)纖維長度的增加，邊坡破壞模式由全坡破壞到坡面局部破壞再到無明顯破壞。

⑶由于纖維能均布在土體中，采用纖維加筋土填筑邊坡坡面，可作為一種抵抗?jié)B流侵蝕作用的邊坡穩(wěn)定性加固技術(shù)，為邊坡的加固和修復(fù)提供理論和實踐參考。