稻秸秆泥皮护坡材料对路基水分迁移影响的初步研究

张红日， 王桂尧， 兰素恋， 夏旖琪， 沙琳川

(1.长沙理工大学土木与建筑学院，410076，长沙；2.广西交通科学研究院有限公司，530007，南宁)

稻秸秆泥皮护坡材料对路基水分迁移影响的初步研究

张红日1，2， 王桂尧1， 兰素恋2， 夏旖琪1，2， 沙琳川1

(1.长沙理工大学土木与建筑学院，410076，长沙；2.广西交通科学研究院有限公司，530007，南宁)

为研究晴雨天气下，稻秸秆泥皮护坡材料对路基水分迁移的影响，在测定该材料渗透系数和干湿循环抗渗性能基础上，进行室内路堤边坡模拟试验，分别在连续的自然照射和坡面冲刷条件下，测定路基内部含水量变化，以此分析稻秸秆泥皮护坡材料在极端干旱和连续降雨条件下，对路基内部水分迁移特征的影响。结果表明：稻秸秆泥皮材料渗透系数较小，干湿循环不会导致其抗渗性能明显降低；该材料能有效避免坡面泥皮结构失水干裂，减少干旱天气下，路基内部水分向外过度蒸发迁移，保证路基含水量稳定，坡面植被发育后，保水防裂作用更加明显；该材料具备较强的水分隔阻能力，有效减少强降雨期间的坡面雨水入渗及水分进一步向路基内部扩散迁移，同时有效促进植被生长，泥皮+稻秸秆+草根复合泥皮结构，能进一步提高坡面抗雨水冲蚀性能，形成可靠的边坡生态防护系统。该研究对公路路基设计与施工具有重要的指导意义。

公路路基； 稻秸秆泥皮； 护坡材料； 渗透性； 水分迁移

南方地区天气潮湿、降雨频繁，路基填方完成后，由于边坡裸露，受降雨影响，边坡坡面饱和，其水将会以液态水和气态水2种形态向路基内部迁移[1-2]。诸多研究表明，路基土体的不同温差、压实度、透水性、旱雨交替和冬夏循环等诸多因素，均引起水分迁移冷凝现象[1-6]，造成路床表面含水量很高。过度的水分迁移引起路基沉降、承载力降低，直接导致路面的平整度下降，路面破裂，甚至会引起路基滑移，影响行车舒适和安全。路基一旦破坏，修复治理相当困难，并且治标不治本，即使修复后，舒适度大打折扣，针对路基水分迁移对路基造成的严重伤害，要从预防做起。

填方路基边坡坡面保护，一般采用植被为主，配合拱形骨架等圬工进行防护[7-8]。大量事实及试验[9-15]表明，植被具有良好的保持水土、涵养水源和改善生态环境的作用，植被从林冠至根系，在不同层面上减缓径流对土壤的冲刷，并改善土壤入渗(减少强雨水入渗量和增加弱降雨入渗量)，减少土壤水分蒸发，使水土流失量减少，控制水分迁移，保持土体水分稳定；但是，路基边坡成型后1～2年内，尤其是填筑完成半年内，植被未生长或根系尚未发达，覆盖率低，绿化尚未成型，此时边坡面极易受雨水冲刷而出现滑塌，旱季无植被覆盖，水分过度蒸发，导致路基土含水量变化，土体干缩开裂，引起路基沉降，并降低抗冲刷能力及承载能力。综上所述，有必要研究一种新的防护材料，以解决植被尚未绿化成型、新建路基土水分过度迁移，导致路基承载特性劣化的问题。

笔者受植被生态防护的根土相互作用特点的启发，研发了一种稻秸秆泥皮混合料。该材料能够有效保护路基水分迁移，加强隔阻路基土与外界的水分交换，从而降低水分迁移速度，保护路基稳定，对公路路基设计与施工具有重要的指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料制备

稻秸秆泥皮护坡材料以黏土及稻秸秆为主要原料，黏土干结后密实度高、空隙率低和渗透系数小，其覆盖于路基边坡表面时，可有效避免坡面土体直接接受雨水冲刷及强烈日照；利用稻秸秆模拟植物根系的加筋作用和界面特性，提高土体的强度和水稳定性。

稻秸秆泥皮护坡材料的制备均在室内进行，试验黏土取自长沙某工地，其液限36.1%，塑限18.8%，塑性指数17.3，最佳含水量18.0%，最大干密度1.75 t/m3，并通过颗粒筛分，将黏土中大于75 μm的粒径筛除。稻秸秆来源于农民收割水稻废弃堆场。将稻秸秆加工裁剪成5～10 cm长度，黏土加水拌合，然后添加裁剪后的稻秸秆，直至呈均匀流塑状，稻秸秆添加量为20 kg/m3。其拌合好后的状态见图1(a)。

图1 拌好后(a)及干结击碎(b)的泥皮照片Fig.1 Mud with rice straw after mixed well (a) and dried and crushed (b)

此种新型材料由于充分搅拌，土颗粒自然优化排列，干密度在干缩过程中持续增大，实测稻秸秆泥皮材料在干缩后，含水量为14.5%时，干密度达到了1.76 t/m3，比该黏土最优含水量对应室内试验击实功取得的最大干密度还要大，说明稻秸秆泥皮结构密实。另外，稻秸秆泥皮材料干强度大，其干结后经过多次大力锤击才能破碎，破碎后的照片见图1(b)。

1.2 材料渗透系数

稻秸秆泥皮护坡材料的渗透系数决定了其在路基边坡防护工程上的适用性。在试验过程中发现：泥皮结构坚硬，环刀取样困难，采用常规取样进行渗透试验较为困难。笔者将试样采用刀削法进行削样，使试样直径较环刀直径小1～2 cm，然后对试样进行蜡封，将环刀内部涂抹凡士林，对蜡封后的试样进行切割取样，最后测定渗透系数时，以试样有效直径计算渗透面积。渗透试验采用变水头渗透试验方法，环刀内径为61.8 mm，试样有效内径58.2 mm，高40 mm。通过不同击实试验所得的击实土样，以及纯泥皮、稻秸秆泥皮、生长植被(高羊茅(Festucaelata))后的稻秸秆泥皮等6种材料制成的试样进行渗透试验，测得渗透系数见表1。

表1 渗透系数试验结果

从表1可知，击实样在最优含水量(18%)时，渗透系数达到最小值，一般认为饱和土体渗透系数为常量[16]，与初始含水量无直接关联；但是在同样的击实功作用下，最优含水量对应土体的密实度(干密度)最大，土体空隙最小，渗透系数最小。纯泥皮结构渗透系数小于击实黏土，二者区别在于纯泥皮结构重组后，土颗粒合理排列，自然干缩，有利于黏土颗粒间的胶结咬合，不利于孔隙水的排出。稻秸秆泥皮材料渗透性较弱，其原因为稻秸秆固有的吸水和保水特性，吸收一部分水；同时，稻秸秆使自由水渗径延长，增大了渗透时间。稻秸秆泥皮结构生长植被后，根系对内部薄弱空隙的填充及植被吸水性(若植被未被切割上部茎叶，吸水效果更加明显)，更进一步限制孔隙水的流动。

1.3 干湿循环条件下泥皮抗渗稳定性试验

在实际的坡面防护(路基防止水分迁移)中，材料是控制水分迁移最前面的一道防线，要求材料在干湿循环后，依然具备较强的抗渗性能。由于试样干缩，使得土样与蜡分离，无法重复干湿循环条件下的渗透试验。笔者设计一种抗渗试验方案：取泥皮土样制作成方形砖试样，在中间植入环刀，并用蜡封闭，环刀保持1 cm水柱高度的渗透水头，在底部垫一层试纸，当确定试纸湿润时，即可得到整个泥皮层厚渗穿时间，当试样渗穿完成后，静置48 h，使其自然风干，之后再次进行循环渗穿试验。试样尺寸长×宽×高分别为30 cm×30 cm×10 cm，保证水从上部渗透到底部的时间小于厚度方向的渗透时间。生长植被后的稻秸秆泥皮试验照片见图2。

图2 稻秸秆泥皮植被抗渗试验照片Fig.2 Experiment on the anti-permeability of vegetation on the mud with rice straw

1.4 干旱和强降雨对泥皮护坡路基含水量影响试验

1.4.1 试验模型设计 试验装置主要采用角钢及螺丝固定，构成高强玻璃槽形边坡试验仪，其长×宽×高分别为150 cm×30 cm×40 cm。土体按最优含水量进行配比，在边坡试验仪上分层击实，压实度标准为一般路基要求94%，并切割成路堤边坡。将流塑状黏土与稻秸秆混合料均匀摊铺于坡面上，并抹平，随后撒播高羊茅草种。为模拟降雨冲刷入渗对边坡的影响，在坡顶装冲刷装置，通过转子流量计，控制坡面水流速度，边坡模型试验装置见图3。

1.玻璃边坡仪Glass side slope experimental device; 2. 击实路基土Compacted subgrade soil; 3. 稻秸秆泥皮混合料Mud mixed with rice straw; 4. 冲刷装置Scouring device; 5.水管Water pipe; 6.转子流量表Rotor flow meter. 图3 试验装置Fig.3 Test device

1.4.2 试验工况 试验设计5组工况，通过取样器进行横向深度取样，测量土体横向深度(水平)的含水量变化。其各工况为：1)裸露边坡，边坡压实后，按照设计坡比完成削坡；2)纯泥皮护坡，削坡后坡面覆盖10 cm厚纯泥皮；3)稻秸秆泥皮结构护坡，削坡后坡面覆盖稻秸秆泥皮的混合料；4)纯泥皮+植被护坡，在工况2的坡面上撒播草种；5)稻秸秆泥皮+植被护坡，在工况3的坡面上撒播草种。植被撒播草种均为高羊茅，混合料未添加任何肥料，30 d后，工况5坡面植被覆盖度达95%，草层高度达5～8 cm，工况4没有稻秸秆作为养分，植被覆盖率约为45%，草层高度3～5 cm。

1.4.3 干旱和强降雨对路基含水量影响的试验模拟 影响路基土内部水分迁移极端天气因素，一般分为连续干旱天气和连续降雨2种情况。通过取样测试上述工况条件下，路基土中心60 cm横向深度范围内含水量分布情况，研究本材料对路基土水分迁移特征的影响。

干旱试验测试路基水分向外迁移，不需要冲刷装置，使用玻璃边坡仪即可。为了增加路基内部土体的水分迁移速率，试验装置边坡一侧放置透明塑料顶棚内，使得坡面得到太阳光的照射，加速试验的同时，植被可以发育，避免雨水对试验的干扰，而坡体一侧放置在阴凉的房子内，避免路基土水分垂直迁移，而影响试验的准确性。

强降雨冲刷试验主要测试水分从外部向路基内部迁移，通过冲刷装置，对坡面进行持续冲刷，采用尺子量取冲蚀厚度。为加速冲刷效果，采用特大暴雨3倍的雨强(150 mm/h)进行冲刷，换算冲刷流量，测定横向深度60 cm内路基的含水率分布。

2 结果与分析

2.1 干湿循环条件下泥皮抗渗稳定性分析

各种材料的渗穿时间随循环次数变化由图4可知，试样渗穿时间随干湿循环次数增加而递减，说明干湿循环能降低试样的抗渗性能(渗透系数在增大)。主要原因是每次干湿循环后，土体的含水量较前一次增大，而非饱和土体渗透系数随着含水量变化而变化，自由水的增加，导致土颗粒间基质吸力减小，渗透系数增大[16-17]，渗穿时间降低，饱和区出现时，意味着基质吸力为零，此时渗透系数与饱和土体的渗透系数一致。击实样及纯泥皮试样，渗穿时间急剧降低，在经历3～4次干湿循环后，整体开裂无法进行试验。稻秸秆泥皮成功完成5次干湿循环渗穿试验，并且在第4次和第5次渗穿时间分别为13和12.6 h，两者相差不多。说明稻秸秆泥皮仍保持主体骨架结构，具备一定的吸水、保水和储水能力，有效限制土体内因含水率急剧变化产生的非稳态渗流场范围，从而减缓土体的渗透力作用，有效降低土体的水分流失速率，保证泥皮不会因失水过快而干裂；同时，土体内稻秸秆起加筋作用，主要承受土体内部张拉应力，避免土体干缩开裂，使得泥皮结构在干湿循环后，仍能保持主要骨架结构。稻秸秆泥皮植被试样第4次和第5次渗穿时间基本都为21 h，2次时间基本一致。说明稻秸秆泥皮+植被土体水分渗透稳定，植被根系适应性生长及吸水作用，有效减小了水分迁移速度，根系的加筋作用，进一步增强泥皮结构的整体和抗裂性能，减少干湿循环作用下裂缝的产生。

2.2 干旱对泥皮护坡路基含水量的影响

试验时长共50 d(2014-09-10—10-30)，试验期间为夏末秋初，降雨较少，天气干燥，较高温天气有利于试验的进行。干旱0、10、20、30、40和50 d后，路基含水率分布情况见图5。试验发现，干旱30和40 d后，泥皮过度干燥，无法保证草种的存活；因此，对泥皮表层，每隔3 d进行少许的喷雾补水，以满足种子发芽的基本需求。浸润深度小于0.5 cm，不影响泥皮及内部路基的水分迁移，补水时间从边坡施工后15～25 d，所测得在20 d的数据，在浅层0 m处含水率明显过大。

图4 渗穿时间随循环次数变化图Fig.4 Change of infiltration time with cycle times

图5 路基内部60 cm含水率分布情况Fig.5 Distribution of water content inside 60 cm of subgrade

由图5可知，土体中水分由于日照和风吹不断向外迁移而流失。工况1中，横向深度0和60 cm处，土体含水量分别由18.1%(0 d)和18.1%(0 d)降低至7.61%(50 d)和16.8%(50 d)；工况2～工况5试验开始10 d内，泥皮水分向土层内迁移，使10～20 cm内土体的含水量明显增高；工况2和工况4坡面泥皮在第13天出现细微裂纹，并在第24和28天裂纹贯穿坡面，在第50天路基60 cm横向深度含水率分别下降到17.2%和17.3%，即裂缝的出现和贯穿，加速了路基土水分的向外迁移；工况3和工况5在试验30 d后，泥皮含水率为20.6%～26.7%，大于路基土体内部含水量，即水分仍处于向路基内部迁移状态；工况3坡面有少许细微裂纹，裂纹深度止于稻秸秆，50 d后泥皮含水率下降到13.6%，小于路基土体含水率18.1%，路基土内部水分开始向外迁移；工况5由于植被茂盛，根系发达，50 d后稻秸秆泥皮基本无裂纹，含水率在17.2%～21.4%，大于路基土含水率，即土体含水率稳定。

2.3 强降雨对泥皮护坡路基含水量影响

工况1为击实后立即进行冲刷试验，工况2采用放置10 d后进行冲刷试验，工况3根据试验1水分迁移特性情况，放置20 d后进行冲刷试验，工况4和工况5用于放置并养护30 d，待植被绿化后进行冲刷，以验证植被状态下试验材料的适用性。试验开始后，测试得0、10和30 min及1、3和6 h的路基土内部含水率变化，其结果如图6所示。

图6 连续冲刷路基内部60 cm含水率分布情况Fig.6 Water content distribution of subgrade internal 60 cm by continuous scouring

工况1未采用泥皮结构防护，冲刷开始后，浅层土体迅速饱和，与非饱和区域形成非稳态渗流场，使15 cm深度内的土体含水率在渗透压力作用下，迅速抬升，冲刷30 min后，坡面表层5 cm路基土被冲蚀，冲刷 3 h后增大到10 cm，水分向内进一步迁移，60 cm横向深度含水率由18.1%增大到18.4%，到6 h时冲蚀量超过15 cm，整体路基含水量明显提高。

工况2～工况5边坡冲刷试验开始后，泥皮表层含水量迅速提升。其中，工况2在试验进行30 min后，横向深度15 cm处路基土体含水量提升，即泥皮结构层已进入饱和状态，水分开始向内迁移；工况3、工况4和工况5横向深度15 cm处路基土体含水量提升时间分别为1、1和3 h，在冲刷作用下，稻秸秆泥皮隔阻效应明显。尤其是工况5(稻秸秆泥皮+植被)，在稻秸秆和植被根茎叶共同作用下，连续冲刷3 h，水分才开始向内迁移。到达第4小时，工况2外层5 cm泥皮被冲蚀而变薄，水分迅速向路基内部迁移，到第6小时时，横向深度60 cm内路基土含水率显著提高，此时工况3和工况4路基含水量只是轻微提高，而工况5只有第20 cm横向深度的土体含水率略微增加。

3 讨论

稻秸秆的加入，明显减少干旱路基水分向外迁移，植被生长和草根繁茂对泥皮的保水性提高效果明显。从工况5的取样可知，部分草根已经伸入到路基填土，稻秸秆和草根相互缠绕，根系与稻秸秆的双重保水作用，确保泥皮结构含水量的稳定，形成一个封闭的外包结构，有效保证了路基土含水率的稳定。对工况5进行延长试验发现，第75天表层植被开始干枯，边坡土体出现细微裂纹，但裂纹只是浅层裂缝，在稻秸秆和草根双重加筋作用下，总体泥皮结构依然稳定，理论上依然具备控制路基土内部水分迁移的能力。

稻秸秆和草根的作用明显减少了单纯泥皮结构受雨水冲蚀量，泥皮抗渗能力明显提高，有效防止水分向路基土内部迁移；由于稻秸秆的保水性能，在草种发芽过程中提供了需要的养分和水分，工况5的植被发芽覆盖率和植被根茎发育程度要明显优于未添加稻秸秆的工况4。在茂盛的植被根系和稻秸秆的双重作用下，工况5其抗冲刷能力有效提升，这点从试验冲刷水流一直是澄清的状态也可证明(图7)。为了进一步验证其抗冲刷能力，试验延长冲刷时间，第7天发现，原来被雨水冲刷倒下的坡面植被有所复苏，部分重新挺拔。说明植被葱郁后，稻秸秆泥皮结构具备有效的抗冲蚀能力；同时，含水量测试发现，整个路基土体含水率整体仅仅略有提升，说明水分迁移量较小，土体含水量稳定。

图7 工况5边坡冲刷照片Fig.7 Slope scouring of condition 5

王铁行[18]研究显示，路基湿软区域大小受到土体密实度的显著影响，增加土体密实度，对防止雨水入渗危害也是有利的。试验数据显示，稻秸秆泥皮材料干密度大，渗透系数小，多次干湿循环抗渗穿能力强，水分迁移速率小，是理想的隔阻路基内部水分迁移材料。干旱和强降雨的试验数据说明，稻秸秆泥皮结构具有较强保水性，能有效减少泥皮结构自身的水分向外迁移速率，加上稻秸秆以及植被草根的加筋和吸水等作用，避免泥皮结构迅速失水开裂，形成致密的隔阻体，进而能有效保护路基土体含水率的稳定，防止水分迁移效果显著。

4 结论

1)稻秸秆泥皮材料干密度大，渗透系数小，多次干湿循环抗渗穿能力强，水分迁移速率小，从材料分析是理想的隔阻路基内部水分迁移材料。

2)稻秸秆泥皮材料，能有效避免泥皮结构的失水干裂，隔阻水分；植被根系生长发育后，与稻秸秆泥皮共同作用，达到减少干旱气候对路基内部含水量向外迁移变化的影响作用。

3)稻秸秆泥皮护坡能有效促进植被绿化，大幅降低坡面的渗透性，有效减少强降雨的坡面雨水入渗和冲刷，从而阻隔水分进一步向路基内部迁移；同时，泥皮+稻秸秆+草根复合泥皮结构，能有效提高坡面的抗强降雨冲蚀和阻隔水分迁移性能。

4)稻秸秆泥皮材料可以有效促进植被生长，最终形成泥皮+稻秸秆+草根结构，保持路基稳定的含水量，形成绿色生态环保的防护系统，对公路生态建设意义重大。

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Effects of mud with rice straw as slope protection material on the water migrationin highway subgrade

ZHANG Hongri1, 2, WANG Guiyao1, LAN Sulian2, XIA Yiqi1,2, SHA Linchuan1

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science&Technology, 410076, Changsha, China; 2. Guangxi Transportation Research & Consulting Co., Ltd., 530007, Nanning, China)

[Background] In the southern China moist region, rainwater infiltration of slope surface and water migration in subgrade are the main factors for its bearing capacity degradation. Lacking protection will lead to cracking or excessive erosion on slope surface. In order to reduce water content changing in subgrade in sunny or rainy weather, a new material consisting of clay and rice straw is developed, and its application for slope protection is probed in this paper. [Methods] Firstly, the mud with rice straw was prepared by mixing the shredded clay with water and rice straw in 5-10 cm. And then the permeability coefficient and anti-penetrability performance of compacted clay, pure mud, mud with rice straw and vegetation was determined by variable head permeability test and impermeability test. Afterwards, an indoor-test simulating embankment slope in continuous natural radiation and continuous slope scouring was executed to probe soil moisture inside subgrade in condition 1: bare slope, condition 2: slope under the protection of pure mud, condition 3: slope under the protection of mud with rice straw, condition 4: condition 2 + grass seeds, and condition 5: condition 3 + grass seeds. Through the sampling test of the water content distribution in subgrade center of 60 cm horizontal depth under above conditions, the water migration characteristics of the subgrade under extreme weather conditions were studied. [Result] The permeability coefficient of the material of mud with rice straw was 0.81×10-5cm/s. The permeation time of mud with rice straw and vegetation samples was 21 h in the 4th and 5th dry-wet cycle penetration tests. In the dry weather condition, the moisture content of the mud decreased to 13.6% after 50 days in condition 3, and the moisture content was 17.2%-21.4% after 50 days in condition 5 in which the water content of the soil was stable. In the heavy rainfall scouring test, the water content of the condition 3 and condition 4 was only slightly increased at the 6th hour, while the water content of the soil in the horizontal depth of 20 cm was slightly increased in condition 5. [Conclusions] Mud with rice straw presents small permeability coefficient and optimal permeability. The mud cracks was reduced in dry weather and soil moisture was effectively maintained, what was beneficial to the plant growth. The mud with rice straw can improve the moisture migration performance in slope surface under heavy rainfall erosion, and keep the stability of the internal moisture content in subgrade. After the vegetation root growth and development, it can form a green ecological environmental protection system, thus, it has a great significance to highway ecological construction.

highway subgrade; mud with rice straw; material for slope protection; permeability; water migration

2016-07-26

2016-09-01

项目名称： 国家自然科学基金“路基土的水分扩散和冷凝迁移及路基软化机理研究”(51178063),“生态防护边坡的雨水入渗及其对植被根系固土防滑作用的影响机理研究”(51578082)；广西交通科学研究院科技项目“类植物根系有机坡面防护技术研究”(KJ2014-014)

张红日(1983—)，男，博士研究生，高级工程师。主要研究方向：边坡稳定和水土保持。E-mail：18778057258@139.com

TU411； P642.1

A

2096-2673(2017)02-0146-07

10.16843/j.sswc.2017.02.019