高性能植被保护系统防护膨胀土边坡试验研究

2021-09-01刘德志12范广黄政棋12

广西大学学报（自然科学版） 2021年3期

刘德志12范广黄政棋12

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁 530004；2.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西南宁 530004；3.广西鼎丰投资集团有限公司，广西南宁 530200)

0 引言

膨胀土是一种遇水膨胀、失水收缩的高塑性黏土[1]，具有胀缩性、裂隙性、超固结性等基本特性[2]，工程性质差，全球每年因膨胀土灾害造成的损失不小于50亿美元[3]。我国的膨胀土分布较广，总面积在10万km2以上[4]，广西是我国膨胀土主要分布区之一。膨胀土边坡在干湿循环条件下稳定性逐渐降低[5]，在降雨条件下膨胀土边坡容易发生滑坡、崩塌等灾害，膨胀土边坡防护问题已成为工程建设的大难题[6]，是近年来学者们研究的热点。

随着“生态优先，绿色发展”理念的推动，植被生态护坡成为边坡防护研究的热点之一。研究表明，采用生态措施防护膨胀土边坡可以有效降低大气环境对坡面及浅层影响，植被浅根对土体有加筋作用，有利于膨胀土边坡浅表层的稳定[7- 8]。但工程实践表明，仅仅采用植被防护，膨胀土边坡上的植被生长一段时间后，坡面仍会开裂，易发生顺着破裂面的浅层破坏。膨胀土边坡应该采取工程防护和植被防护相结合的防护体系才能对坡面进行有效的防护[9]。

传统边坡防护工程采用的挡土墙、抗滑桩、锚杆框架梁等刚性防护措施自身刚度大，限制坡体变形，膨胀土的胀缩变形得不到释放，产生膨胀力，易造成防护措施破坏，刚性支护对膨胀土边坡的长期防护不利[10]。结合土工合成材料进行的柔性防护措施能限制坡面的裂隙发育[11]，同时允许边坡产生一定变形，释放大部分膨胀产生的破坏力，保证柔性防护的正常使用，起到更好的防护效果[12]，土工格栅柔性支护很早在广西南友高速公路膨胀土路堑边坡中得到应用，起到了良好的支挡效果[13]，近年来各种土工合成材料进行膨胀土边坡柔性防护应用很多，但单独采用柔性防护对坡面的抗冲刷等防护效果有限，有必要建立柔性防护与植物防护相结合体系来综合防护膨胀土边坡。

近年来综合防护体系应用在膨胀土边坡上发展迅速，在襄荆高速公路膨胀土边坡等治理工程[14-15]中，采用土工格室植被护坡等措施治理，有效减小膨胀土的胀缩变形和减弱边坡冲刷，防护膨胀土边坡的效果显著。综合防护体系的机理研究滞后于应用，一方面目前的研究大多采用数值模拟方法，比如张婞文等[16]模拟研究三维网垫植草的防护机理等，刘晓路等[17]模拟分析三维网植草在改善边坡稳定性、提高坡面抗冲刷性能上所起的作用，实验研究偏少；另一方面柔性支护用土工合成材料的耐久性和抗拉强度一般较弱，不利于膨胀土边坡的长期治理。高性能植被保护系统(high performance turf reinforcement mats, HPTRM)是利用活性植物并结合一种新型的高强三维土工合成材料——高性能植被保护垫，在坡面构建的具有自身生长能力的防护系统，是通过植物的生长对边坡进行加固的一项新技术[18]，具有高强耐久、与植被根系结合紧密等特点，适合用于膨胀土边坡防护中，值得深入研究。

近年来HPTRM 系统开始在美国得到应用，主要用于大坝和溢洪道的防护工程中[19-20]。HPTRM 系统用于防护膨胀土边坡的研究不多，目前主要从理论、室内模型试验和模拟分析等方面进行研究。研究表明，HPTRM系统作用在膨胀土边坡坡面上，植被根系与HPTRM的三维网状结构紧密结合生长，约束坡面裂缝开展[21]，可大幅度降低边坡的冲刷量[22]；HPTRM是高强柔性材料，约束坡面的同时允许坡面较小的变形，释放膨胀土大部分膨胀力[10,23]，同时 HPTRM 材料使用年限为 25 年，耐久性能好，适合用于膨胀土边坡的长期防护。但这些研究成果尚缺少工程实际应用的现场验证。

本次研究依托广西南宁市郊的某膨胀土边坡工程，采用HPTRM系统进行坡面防护，监测坡体含水量、温度、膨胀量等指标，分析大气环境对坡面变形、坡体含水率、温度的影响，研究HPTRM系统防护膨胀土边坡的效果。

1 试验

试验场地仓库边坡位于南宁市东沟岭，该地区属亚热带海洋气候，夏长冬短，炎热湿润，夏雨冬干，节气分明。年平均气温21.7°C，极端最高气温40.4°C，极端最低气温-2.18°C；年平均降水量1 298 mm，年蒸发量945 mm，每年雨季为5月至9月。现拟削平该边坡用作建设用地，边坡下部设桩锚支护，坡面采用3 m×3 m格构治理边坡。边坡坡度为30°，坡高7.5 m。试验场地剖面图如图1所示。

图1 试验场地剖面图Fig.1 Profile of the test site

试验区0～3 m范围内主要为全风化泥岩，其基本物理力学参数见表1。

表1 全风化泥岩物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of fully weathered mudstone

试验场地的全风化泥岩是古近系湖相半成岩的泥岩及它们的风化物，根据《广西膨胀土地区建筑勘察设计施工技术规程》(DB45/T 396—2007)[24]属A1类膨胀土，胀缩总率>4.5且相对膨胀率>0.7，根据胀缩等级划分属于强胀缩土。

2 试验方案

2.1 试验设备及埋设

本次试验设备主要包括TDR-3土壤水分传感器，TDR-100土壤水分传感器和百分表等，选定2组格构进行对比实验，其中一组为HPTRM系统监测区(下面简称“HPTRM区”)，一组为普通植被监测区(下面简称“普植区”)。通过现场监测仪器采集土体含水率、温度和膨胀量等参数，研究HPTRM系统对膨胀土边坡的防护效果。

监测仪器及其埋设图如图2所示。

(a) TDR-3土壤水分计埋设

(b) HPTRM网铺设

(d) TDR-100土壤水分计

2.2 具体试验方法

① 在每个边坡的同一横断面的0.5、1.0、2.0 m等不同深度埋设TDR-3土壤水分传感器测量深层土体含水率和温度；

② 在HPTRM区的格构未浇筑前铺设新型高强三维土工网并固定在坡面上，分别在HPTRM区和普植区植草；

③ 在边坡表面不同位置布置3个百分表用于测量膨胀土土体膨胀量；

④ 在边坡表面采用可移动型的TDR-100型土壤水分传感器测量表层土体含水率。

监测仪器布置如图3所示，图3中W为TDR-3土壤水分传感器埋设位置，B1、B2、B3为百分表安装位置。

图3 监测仪器布置图 Fig.3 Monitoring instrument layout

土体含水率、温度等数据从2016年3月1日开始采集，土体膨胀量从2016年5月11号开始采集，所有数据每7 d监测一次，有降雨时在降雨后第二天增加一次监测，一直持续监测至2016年7月27日。

3 结果与分析

3.1 大气降雨与大气温度

2016年3月至7月南宁市的降雨与大气温度时程曲线如图4所示。

图4 降雨与大气温度时程曲线Fig.4 Time-history curve of rainfall and atmospheric temperature

观察降雨与大气温度的曲线可知：2016年3月至4月降雨频率和降雨强度均低； 5月至7月是雨季，降雨频率和降雨强度均高。在整个监测期内，大气温度最高为39.5 ℃，最低为27 ℃，总体趋势是随着从春到夏慢慢增大且基本处于高温。

3.2 土体含水率

利用TDR-3与TDR-100型土壤水分传感器测出的HPTRM区与普植区土体体积含水率，绘制边坡土体含水率与降雨时程曲线如图5所示。

(a) HPTRM区

(b) 普植区

图5 边坡土体含水率与降雨时程曲线Fig.5 Time history curve of slope soil moisture content and atmospheric rainfall

观察表层含水率变化的总趋势，3、4月份表层含水率变化幅度不大，基本呈上升状态；5至7月份表层含水率变化幅度很大。对比相应的大气降雨、大气温度曲线， 3、4月份有少量降雨并且温度普遍不高，降雨量大于蒸发量，表层含水率上升；5至7月份温度普遍很高，降雨量大时，降雨量大于蒸发量，表层含水率上升，降雨量小或者无降雨时，降雨量小于蒸发量，表层含水率下降。这说明大气降雨、大气温度的大气环境对边坡表层含水率的影响很大。

比较不同深度含水率的曲线，在大气环境的影响下，表层含水率的变化幅度很大，随着深度的增加，含水率的大小和变化幅度均变小。

对比HPTRM区和普植区不同深度含水率，在相同的大气环境条件下，HPTRM区表层含水率的变化幅度很大，但深度0.5、1、2.0 m的含水率的变化幅度很小；普植区的表层和深度0.5 m的含水率的变化幅度很大，深度1.0 m的含水率的变化幅度较大,深度2.0 m的含水率的变化幅度很小，但遇强降雨时深度2.0 m的含水率稍微上升。膨胀土的透水性很差，大气干湿环境会使膨胀土发生胀缩变形而产生裂缝，而普植区的草根的自由生长发育助长的土体裂缝的开展，雨水通过裂缝入渗到坡体深层，造成土体深层含水率的变化幅度较大；HPTRM系统的草根和新型高强三维土工网结合成一个致密的整体约束土体裂缝的发展，减小大气环境对深层土体含水率的影响。

膨胀土边坡的稳定性和安全系数会随着干湿循环次数的增加而降低[5]。在相同的大气环境影响下，HPTRM区的膨胀土土体含水率的变化更小，则其膨胀土边坡的稳定性和安全系数更高，HPTRM系统防护膨胀土边坡的效果更好。

3.3 土体温度

利用TDR-3土壤水分计测得的普植区与HPTRM区不同深度的土体温度，绘制边坡土体温度与大气温度时程曲线如图6所示。

(a) HPTRM区

(b) 普植区

图6 边坡土体温度与大气温度时程曲线Fig.6 Time-history curve of slope soil temperature and atmospheric temperature

对比图6中曲线可见，HPTRM区与普植区不同深度土体的温度与大气温度的变化趋势大致相同，这说明数据可靠。HPTRM区随着深度的增加，温度的总趋势是越来越小，普植区温度随深度的变化不大。

根据图6进行统计分析不同深度下HPTRM区与普植区的土体温度最大值、最小值和最大温度差见表2。

比较最大温度差可得，在相同的大气环境影响条件下，HPTRM区表层附近(0.5 m)温度的变化幅度与普植区相差不大，说明表层附近受日照与降雨等大气环境的影响显著；HPTRM区较深层(1.0、2.0 m)温度的变化幅度显著小于普植区，大气环境对HPTRM区较深层(1.0、2.0 m)温度的影响明显减小，说明HPTRM系统能明显降低大气环境变化对膨胀土边坡的影响。有关研究表明温度变化越大，边坡的稳定系数越低[7]。而不同深度下，HPTRM 区的最大温差均比普植区的小，故HPTRM系统比普通植草防护膨胀土边坡的效果更好。

表2 土体温度特征值表Tab.2 soil temperature characteristic value table

3.4 土体竖向膨胀量

利用百分表测得HPTRM区与普植区不同位置(B1,B2,B3)的土体竖向膨胀量，绘制土体竖向膨胀量与降雨时程曲线如图7所示。

图7 土体竖向膨胀量与降雨时程曲线Fig.7 Vertical expansion of soil and atmospheric rainfall time history curve

对比不同位置的竖向膨胀量的曲线， HPTRM区和普植区中心位置(B2)的竖向膨胀量要远远大于靠近坡边位置(B1，B3)，这是因为边坡的中心位置(B2)远离混凝土格构边缘，受格构的影响最小，故边坡中心位置(B2)最能体现HPTRM系统和普通植草防护对边坡土体的膨胀量的约束作用。

分析边坡中心点的膨胀量(B2)的曲线总趋势，边坡中心位置(B2)的膨胀量前期呈上升状态；后期呈下降状态。对比降雨的曲线，2016年5月11日至6月21日有强降雨，温度较低，降雨量大于蒸发量，土体含水率上升，膨胀量增大；6月21日至7月27日降雨量较小，温度很高，降雨量小于蒸发量，土体含水率下降，膨胀量减小，可见大气环境的变化对膨胀土边坡的胀缩变形影响很大。

对比HPTRM区和普植区相应位置的竖向膨胀量曲线，不同位置的普植区土体的膨胀量的变化幅度和最大值均大于HPTRM区。由于监测期比较短，两个区域的膨胀量均比较小，但仍存在一定的规律。HPTRM区中心位置(B2)的竖向膨胀量的最大值为2.68 mm,普植区中心位置(B2)的竖向膨胀量的最大值为3.57 mm，HPTRM系统可以显著减小膨胀土边坡的竖向膨胀量，这和鲜少华[25]的室内试验研究结果相吻合。HPTRM系统能够在一定程度上减小大气环境对膨胀土竖向膨胀量的影响，更好地限制土体膨胀变形，防护膨胀土边坡的效果更好。