降雨条件下纤维浅层固坡机制试验研究

杨小荣，罗 磊，廖志广，吴世栋，包小华，吴应雄

（1、珠海十字门中央商务区建设控股有限公司 广东珠海 519000；2、深圳大学土木与交通工程学院 深圳 518000；3、福州大学土木工程学院 福州 350000）

0 引言

滑坡灾害常常给社会与人民财产造成巨大的威胁和损失，而由降雨诱发的滑坡最为常见［1-4］。为减少滑坡灾害，需要对边坡进行监测预防或加固。在目前的边坡加固修复工程中，植被护坡已经成为一种环境友好型、成本造价较低的边坡加固方案。

国内外学者对边坡破坏机制和植被护坡机制进行了大量的研究［5-8］。张锋等人［9］基于常规三轴固结不排水试验，探究了植被须根护坡力学效应，得出植被须根可以提高土体的抗剪强度，但与边坡土体的含水量和须根含量有关。HU 等人［10］研究了5 种类型根系纤维的加筋效果，结果表明，根系纤维加筋对土体内摩擦角的影响较小，但能使粘聚力提高29.4%～394.6%。SONNENBERG 等人［11］开展了含根系土坡的离心机模型试验，论证了植被对边坡的机械加固作用。EAB 等人［12］通过直剪试验和离心模型试验对根系纤维加筋土的力学性能进行探究，结果表明，香草根纤维提高了土体的抗剪强度，能有效地抑制坡面裂缝的开展。综上所述，植被根系主要是通过根系加筋提高坡面土体的抗剪强度以及坡面土体的整体性。此外，植被的蒸腾作用也对边坡的稳定性有促进作用［13］。然而，植被护坡仍然存在一些问题，比如植被在前期的生长过程所需时间长且植被容易遭受自然灾害的影响，此外植被根系耐久性较差，经常导致达不到满意的护坡效果。

作为一种新型加筋材料，纤维具有掺入简单、性能优和分散性好等特点。基于植被根系的加筋机制及其缺点，DIAMBRA 等人［14］采用向土体中添加纤维的方法来代替植被根系。ELDESOUKY 等人［15］进行纤维加筋砂的直剪试验，发现其峰值剪切强度提高了50%，同时剪胀性也有所增加。LOVISA 等人［16］研究了长度为10 mm 和15 mm、掺量为0.25%的玻璃纤维加筋砂土特性，发现在干燥状态下纤维加筋为砂土引入了明显的粘聚力，且随着含水量的增加粘聚力几乎没有变化。YETIMOGLU 等人［17］对聚丙烯纤维加筋土进行抗剪强度试验，指出纤维加筋土体的残余剪切强度显著提高。介玉新等人［18］对素土和纤维加筋土直立坡在逐级加载条件下进行离心模型试验研究，发现纤维加筋作用能明显提高边坡的稳定性，而且改变了边坡的受力破坏性质。孙红等人［19］运用准粘聚力的理论分析，发现将玻璃纤维掺入软土路堤中可提高路堤的稳定安全系数，且路堤稳定安全系数与玻璃纤维的长度和掺量成正比。AKAY 等人［20］选用聚丙烯纤维对砂土边坡进行全坡加固，在侧向渗流条件下进行了边坡稳定性分析，指出纤维能有效抑制坡体破坏。

综上所述，学者们做了大量试验，都表明纤维作为新型加筋材料可以有效提高土的抗剪强度。但将人造短纤维作为降雨滑坡防治的加固效果还有待进一步验证。草本植物的根系大多分布在地表以下0～30 cm 范围内，如此便具有防止浅层滑坡和地表侵蚀的作用。因此，本研究只在边坡表层添加纤维进行边坡加固，采用模型试验的方法，将离散短聚丙烯纤维均匀分散在模型边坡表层土体中，模拟根系对边坡土体的力学加筋作用。在人工降雨作用下，探究边坡的失稳特性，以期为滑坡防灾减灾提供参考。

1 模型试验概述

1.1 试验装置

模型试验采用的模型槽、降雨系统、传感器及配套的采集系统详见包小华等人［21］的研究成果。

1.2 试验材料及模型制备

模型边坡材料采用粉砂，其粒径级配曲线如图1所示，物理特性指标如表1所示，加固用聚丙烯纤维的基本特性如表2所示。按设计配比（纤维质量∕干土质量）在粉砂中均匀地掺入纤维并加水充分搅拌，搅拌后的加筋土样如图2所示。

图1 试验砂土颗粒机配曲线Fig.1 Grain Size Distribution Curve of Sand Used

图2 纤维分散均匀的加筋粉砂Fig.2 Fiber Reinforced Silty Sand

表1 粉砂物理特性指标Tab.1 Physical Properties Index of Silt Sand

表2 聚丙烯纤维材料特性Tab.2 Material Properties of Polypropylene Fibers

试验用砂土初始质量含水率为5%，控制模型边坡的相对密度为40%，边坡模型的制备采用质量－体积法分层压实，对于加筋区域，采用与未加筋区域相同的密度压实。降雨实验采用的钢化玻璃钢框架模型箱如图3所示，测点布置如图4所示，模型制作的同时，在其中间截面上预埋传感器，其中坡角为45°，沿垂直剖面纵向坡宽90 cm。完成准备工作后，在模型边坡表面铺设塑料薄膜并静置1 天，防止水分蒸发且可使土颗粒间形成良好的胶结效果，确保边坡内部应力达到稳定状态。

图3 边坡试验用模型槽Fig.3 Model Box for Slope Tests

图4 试验传感器布置Fig.4 Layout of Sensors for the Model Tests （cm）

1.3 试验方案

本研究共进行3 组边坡试验，边坡的加筋区域如图5所示。为了探究加筋纤维的长短对边坡加固效果的影响，加筋区域采用了同含量两种不同长度的纤维加筋方式，具体方案如表3所示。

表3 试验方案Tab.3 Schemes of Model Test

图5 纤维加筋区Fig.5 Fiber Reinforced Area （cm）

1.4 试验过程

在模型边坡顶部上方1 m 处安装降雨装置，通过阀门和降雨面积调节降雨强度为100 mm∕h。实验过程中监测坡体的孔隙水压力、基质吸力、体积含水量，以及破坏形态的变化。边坡出现失稳破坏后继续观察，直至破坏趋于稳定，停止试验。

2 三轴排水试验

进行边坡模型试验前，先通过三轴试验验证不同长度和含量的纤维加筋效果。不同围压下加筋粉砂试样排水剪切的应力-应变关系曲线如图6 所示，表现出弱硬化特性。当纤维长度不变，偏应力随着纤维含量增加而增大，当纤维含量不变，偏应力也随着纤维长度的增加而增大。纤维含量0.25%、长度12 mm 的加筋粉砂试样在有效围压为50 kPa、100 kPa、200 kPa 时，它们的破坏偏应力（εa=15 %）较不加固时分别提高了47.1%、41.1%、30.8%。当轴向应变较小时，粉砂与纤维加筋粉砂的应力-应变关系曲线基本重合，表明各加筋试样初期加筋效果不明显。随着轴向应变的增加，各试样的偏应力迅速增大，纤维加筋逐渐发生作用。

图6 不同围压下的应力-应变关系曲线Fig.6 Stress-strain Curve under Different Confining Pressure

通过土体破坏状态时的极限应力圆绘制莫尔强度包线，得到粉砂和各类加筋粉砂的有效应力抗剪强度指标，如表4 所示，随着纤维长度的增加，加筋粉砂有效粘聚力明显提高、内摩擦角小幅增加。当纤维含量为0.25%、长度为6 mm 时，内摩擦角和有效粘聚力都显著提高。从粉砂到加筋粉砂，粘聚力从2.94 kPa增加到5.77 kPa，内摩擦角从34.07°增加到37.47°。当纤维含量为0.25%、长度为12 mm时，内摩擦角及粘聚力的增幅都比同含量6 mm 纤维的增幅大。尤其是粘聚力，由5.77 kPa 增长到10.58 kPa，而内摩擦角的涨幅较小，仅增加了0.28°，整体上纤维加筋效果较为明显。因此，本研究选取6 mm+0.25%和12 mm+0.25%的加筋方案进行试验。

表4 试样的抗剪强度参数Tab.4 Shear Strength Parameter of Samples

3 边坡模型试验

本试验以水滴降落形式模拟降雨，对坡面有轻微冲刷影响。

3.1 试验过程及典型现象

素土边坡试验失稳滑塌的过程如图7所示。降雨78 min 后，坡脚出现张拉裂缝并沿着纵向坡宽进行扩展。降雨87 min 后，坡脚发生冲蚀破坏，表现为流体状态。随后，坡面上部土体失去坡脚的支撑，慢慢出现拉裂面，块体逐渐形成滑动破坏。随着降雨持续，失稳的块体慢慢变大。降雨142 min 时，出现较大的块体滑落，滑裂面位于27 cm高度处，深度约14 cm，坍塌的坡体容易受到降雨侵蚀的解离。同时，坡面上还伴有浅层流滑破坏，不断延伸至坡顶，由于流滑速率较快导致坡面出现多条冲蚀沟槽，沟槽随时间不断加宽加深。失稳的块体及雨水的冲刷使得土体流失严重，增大了坡体孔隙率，使边坡变得松散。在高强降雨条件下，坡面形成暂态饱和区，产生较大的变形，造成超静孔压，引发粉砂液化。由于在降雨条件下超静孔压不能较快消散，导致流滑型破坏的发生。随后，边坡破坏速度及规模急剧增大。降雨217 min 时，坡面大部分已经失稳，滑裂面向上延伸至50 cm高度处。降雨232 min 时，滑坡发展至坡顶，在坡顶形成较大的拉裂面，最终滑面总体呈圆弧形，深度约为30 cm。

图7 素土边坡在不同时刻的破坏形态Fig.7 Failure Patterns of Bare Soil Slopes at Different Time

加筋区采用6 mm+0.25%方案时的边坡破坏过程如图8所示。降雨作用引起的加筋边坡破坏速度和程度均较素土边坡（见图7）都有所减缓。降雨105 min后，坡脚缓慢产生裂缝，贯通速率较慢，也未出现流体状态。坡脚破坏后，边坡失稳破坏逐渐延伸至坡顶。由于坡面的抗剪强度有所提高（c=5.77 kPa、φ=37.47°，见表4），拉裂面扩展速度减小。随后的滑塌块体比素土边坡的小，且滑面深度有所降低。降雨185 min 时，滑裂面延伸至边坡20 cm 高度处，深度约11 cm。在降雨影响下，坡体破坏速度有一定的加快，降雨277 min时，破裂面扩展至35 cm高处。不同于素土边坡，坍塌的坡体在降雨侵蚀过程中大部分未被解离，在坡脚上方堆积。在随后的降雨过程中，滑裂面的高度并没有发生明显的变化，在降雨360 min 时，最终滑面稳定在36 cm高度处，深度约22 cm。

图8 纤维加筋边坡（6 mm+0.25%）在不同时刻的破坏形态Fig.8 Failure Patterns of Fiber Reinforced Slope（6 mm + 0.25%）at Different Time

加筋区采用12 mm+0.25%方案时的边坡破坏过程如图9所示。纤维长度的增加明显延缓了边坡的破坏过程。降雨180 min 时，坡脚处裂缝形成后并未贯通。降雨305 min 时，破坏面延伸至14 cm 高度处，深度约10 cm，且只有表层土体剥落。一方面，在降雨侵蚀影响下，由于长纤维的弯曲交错，它们的相互牵扯起到一定程度的加固作用，限制大滑块的形成，且局部失稳的土体很难沿坡面移动。另一方面，内摩擦角和粘聚力的提高也起到抗滑作用，所以坡面滑塌凹陷较浅。降雨425 min 时，停止试验。最终坡角出现局部破坏的高度为17 cm，深度约12 cm，但全坡面并无明显的结构性破坏。

图9 纤维加筋边坡（12 mm+0.25%）在不同时刻的破坏形态Fig.9 Failure Patterns of Fiber Reinforced Slope（12 mm + 0.25%）at Different Time

各边坡在破坏过程中，滑裂面起点到坡脚位置的距离与时间的变化如图10 所示。素土边坡的距离-时间曲线呈现出陡峭趋势特点，且数值较大，而6 mm长纤维加筋边坡的曲线趋势有所减缓、数值相对减小。对于12 mm 长的纤维加筋边坡，其曲线趋势进一步减缓，后期基本保持水平，表明破坏速度不断下降，且数值较小。与素土边坡相比，数值由0.60 m 降为0.17 m，降比高达71.6%。因此，12 mm 加筋纤维的存在可有效地抑制坡体的破坏，对降雨下的边坡有保护作用。

图10 滑裂面起点到坡脚的水平距离Fig.10 Horizontal Distance from the Starting Point of Slip Surface to the Foot of Slope

3.2 边坡基质吸力的变化

基质吸力随时间的变化曲线如图11 所示。在降雨过程中，各组试验的基质吸力变化趋势一致，即先短时间稳定-陡降-缓慢趋于稳定。25 min 时，T1、T3和T4 几乎同时骤降，此时雨水几乎同时入渗到监测点的位置。随后，靠近坡顶面位置处T1、T3 的值基本不变，而坡脚上方处T4 的值再次骤降最终稳定在0 kPa 左右。这主要是雨水降落后，小部分入渗到坡内，大部分聚集在坡脚处，使得坡脚很快达到饱和。坡体中部T2 发生骤降的时间相对T1 比较晚，这主要是湿润峰是从上往下不断推进。由图11 可知，随着加筋纤维长度的增加，T2发生骤降的时间均有一定的延迟，但最终稳定值接近。表明局部纤维加筋在降雨条件下对边坡未加筋区的基质吸力影响不大。

图11 基质吸力随时间变化曲线Fig.11 Variation of Suction with Time

3.3 边坡含水量的变化

如图12 所示，素土边坡和加筋边坡试验中，体积含水量随时间的变化趋势大致相同。试验前期，雨水入渗到各监测点，此时体积含水量迅速增加，随后平缓增加至最大值。在各组试验中，M3 和M4 的骤升与对应位置的T3、T4 的骤降基本同步，说明非饱和土体的吸力随含水量的增加而降低。坡脚位置上方的M4较快达到最大值，这与该位置处的吸力变化相呼应。对于M2，其值的增长表现出两个阶段增长的特征，第一次均增加至约25%。保持一段时间的相对稳定后，再次增加。这主要是在降雨过程中，一方面坡顶下方的雨水直接入渗，另一方面从坡面入渗的雨水很快到达坡底并集聚，引起坡体水位逐渐抬升。坡体水和坡顶面入渗的雨水共同提高了M2 位置处的土体水分。由监测得到的各位置处的体积含水量可知，局部纤维的添加对降雨影响下的破体内渗流场影响相对较小。

图12 体积含水量随时间变化曲线Fig.12 Variation of Volumetric Water Content with Time

3.4 纤维加固边坡机制

降雨过程中，土体含水量增加，基质吸力减小，表现为吸湿软化，抗剪强度逐渐减小，使得边坡的抗滑力不断下降。由三轴试验可知，一方面，纤维的添加有效提高了土体的抗剪强度；另一方面，短纤维的掺和可以填充土体间的孔隙，使坡体变得密实，长纤维在填充孔隙的同时容易弯曲交错，与包裹的土体形成三维网状结构，有效的限制了土颗粒的位移，减缓边坡土体的滑移，起到良好的边坡稳固作用。由基质吸力和体积含水量的变化可知，局部加筋纤维对边坡土体的非饱和渗流场的影响不大，所以纤维对边坡的保护作用主要取决于其骨架结构力学性能的提升作用。

4 结论

本文基于人造短纤维加固土体三轴试验效果，设计并实施可考虑降雨作用的边坡模型试验，主要选取了不同长度的纤维加固粉砂边坡浅表层，探究加固后的边坡失稳特性，得出如下结论：

⑴相比未加固的粉砂，纤维加筋后粉砂的抗剪强度明显提高。主要表现为内摩擦角和粘聚力均随着纤维长度的增加而增大。其中，纤维加筋能显著提高土体的粘聚力，但对内摩擦角的影响较小。

⑵在降雨作用下，纤维加固能明显改善原始边坡的破坏程度。主要表现为坡脚裂缝扩展慢且最终未贯通、滑塌体积减小且滑塌速度变缓。随着坡面浅表层加筋区纤维长度的增加，边坡破坏模式由全坡破坏到坡面局部破坏再到无明显破坏。

⑶由于纤维能均布在土体中，采用纤维加筋土填筑边坡坡面，可作为一种抵抗渗流侵蚀作用的边坡稳定性加固技术，为边坡的加固和修复提供理论和实践参考。