稻秸稈泥皮護(hù)坡材料對(duì)路基水分遷移影響的初步研究

張紅日， 王桂堯， 蘭素戀， 夏旖琪， 沙琳川

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，410076，長(zhǎng)沙；2.廣西交通科學(xué)研究院有限公司，530007，南寧)

稻秸稈泥皮護(hù)坡材料對(duì)路基水分遷移影響的初步研究

張紅日1，2， 王桂堯1， 蘭素戀2， 夏旖琪1，2， 沙琳川1

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，410076，長(zhǎng)沙；2.廣西交通科學(xué)研究院有限公司，530007，南寧)

為研究晴雨天氣下，稻秸稈泥皮護(hù)坡材料對(duì)路基水分遷移的影響，在測(cè)定該材料滲透系數(shù)和干濕循環(huán)抗?jié)B性能基礎(chǔ)上，進(jìn)行室內(nèi)路堤邊坡模擬試驗(yàn)，分別在連續(xù)的自然照射和坡面沖刷條件下，測(cè)定路基內(nèi)部含水量變化，以此分析稻秸稈泥皮護(hù)坡材料在極端干旱和連續(xù)降雨條件下，對(duì)路基內(nèi)部水分遷移特征的影響。結(jié)果表明：稻秸稈泥皮材料滲透系數(shù)較小，干濕循環(huán)不會(huì)導(dǎo)致其抗?jié)B性能明顯降低；該材料能有效避免坡面泥皮結(jié)構(gòu)失水干裂，減少干旱天氣下，路基內(nèi)部水分向外過度蒸發(fā)遷移，保證路基含水量穩(wěn)定，坡面植被發(fā)育后，保水防裂作用更加明顯；該材料具備較強(qiáng)的水分隔阻能力，有效減少?gòu)?qiáng)降雨期間的坡面雨水入滲及水分進(jìn)一步向路基內(nèi)部擴(kuò)散遷移，同時(shí)有效促進(jìn)植被生長(zhǎng)，泥皮+稻秸稈+草根復(fù)合泥皮結(jié)構(gòu)，能進(jìn)一步提高坡面抗雨水沖蝕性能，形成可靠的邊坡生態(tài)防護(hù)系統(tǒng)。該研究對(duì)公路路基設(shè)計(jì)與施工具有重要的指導(dǎo)意義。

公路路基； 稻秸稈泥皮； 護(hù)坡材料； 滲透性； 水分遷移

南方地區(qū)天氣潮濕、降雨頻繁，路基填方完成后，由于邊坡裸露，受降雨影響，邊坡坡面飽和，其水將會(huì)以液態(tài)水和氣態(tài)水2種形態(tài)向路基內(nèi)部遷移[1-2]。諸多研究表明，路基土體的不同溫差、壓實(shí)度、透水性、旱雨交替和冬夏循環(huán)等諸多因素，均引起水分遷移冷凝現(xiàn)象[1-6]，造成路床表面含水量很高。過度的水分遷移引起路基沉降、承載力降低，直接導(dǎo)致路面的平整度下降，路面破裂，甚至?xí)鹇坊疲绊懶熊囀孢m和安全。路基一旦破壞，修復(fù)治理相當(dāng)困難，并且治標(biāo)不治本，即使修復(fù)后，舒適度大打折扣，針對(duì)路基水分遷移對(duì)路基造成的嚴(yán)重傷害，要從預(yù)防做起。

填方路基邊坡坡面保護(hù)，一般采用植被為主，配合拱形骨架等圬工進(jìn)行防護(hù)[7-8]。大量事實(shí)及試驗(yàn)[9-15]表明，植被具有良好的保持水土、涵養(yǎng)水源和改善生態(tài)環(huán)境的作用，植被從林冠至根系，在不同層面上減緩徑流對(duì)土壤的沖刷，并改善土壤入滲(減少?gòu)?qiáng)雨水入滲量和增加弱降雨入滲量)，減少土壤水分蒸發(fā)，使水土流失量減少，控制水分遷移，保持土體水分穩(wěn)定；但是，路基邊坡成型后1～2年內(nèi)，尤其是填筑完成半年內(nèi)，植被未生長(zhǎng)或根系尚未發(fā)達(dá)，覆蓋率低，綠化尚未成型，此時(shí)邊坡面極易受雨水沖刷而出現(xiàn)滑塌，旱季無植被覆蓋，水分過度蒸發(fā)，導(dǎo)致路基土含水量變化，土體干縮開裂，引起路基沉降，并降低抗沖刷能力及承載能力。綜上所述，有必要研究一種新的防護(hù)材料，以解決植被尚未綠化成型、新建路基土水分過度遷移，導(dǎo)致路基承載特性劣化的問題。

筆者受植被生態(tài)防護(hù)的根土相互作用特點(diǎn)的啟發(fā)，研發(fā)了一種稻秸稈泥皮混合料。該材料能夠有效保護(hù)路基水分遷移，加強(qiáng)隔阻路基土與外界的水分交換，從而降低水分遷移速度，保護(hù)路基穩(wěn)定，對(duì)公路路基設(shè)計(jì)與施工具有重要的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 材料制備

稻秸稈泥皮護(hù)坡材料以黏土及稻秸稈為主要原料，黏土干結(jié)后密實(shí)度高、空隙率低和滲透系數(shù)小，其覆蓋于路基邊坡表面時(shí)，可有效避免坡面土體直接接受雨水沖刷及強(qiáng)烈日照；利用稻秸稈模擬植物根系的加筋作用和界面特性，提高土體的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。

稻秸稈泥皮護(hù)坡材料的制備均在室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)黏土取自長(zhǎng)沙某工地，其液限36.1%，塑限18.8%，塑性指數(shù)17.3，最佳含水量18.0%，最大干密度1.75 t/m3，并通過顆粒篩分，將黏土中大于75 μm的粒徑篩除。稻秸稈來源于農(nóng)民收割水稻廢棄堆場(chǎng)。將稻秸稈加工裁剪成5～10 cm長(zhǎng)度，黏土加水拌合，然后添加裁剪后的稻秸稈，直至呈均勻流塑狀，稻秸稈添加量為20 kg/m3。其拌合好后的狀態(tài)見圖1(a)。

圖1 拌好后(a)及干結(jié)擊碎(b)的泥皮照片F(xiàn)ig.1 Mud with rice straw after mixed well (a) and dried and crushed (b)

此種新型材料由于充分?jǐn)嚢?，土顆粒自然優(yōu)化排列，干密度在干縮過程中持續(xù)增大，實(shí)測(cè)稻秸稈泥皮材料在干縮后，含水量為14.5%時(shí)，干密度達(dá)到了1.76 t/m3，比該黏土最優(yōu)含水量對(duì)應(yīng)室內(nèi)試驗(yàn)擊實(shí)功取得的最大干密度還要大，說明稻秸稈泥皮結(jié)構(gòu)密實(shí)。另外，稻秸稈泥皮材料干強(qiáng)度大，其干結(jié)后經(jīng)過多次大力錘擊才能破碎，破碎后的照片見圖1(b)。

1.2 材料滲透系數(shù)

稻秸稈泥皮護(hù)坡材料的滲透系數(shù)決定了其在路基邊坡防護(hù)工程上的適用性。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)：泥皮結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬，環(huán)刀取樣困難，采用常規(guī)取樣進(jìn)行滲透試驗(yàn)較為困難。筆者將試樣采用刀削法進(jìn)行削樣，使試樣直徑較環(huán)刀直徑小1～2 cm，然后對(duì)試樣進(jìn)行蠟封，將環(huán)刀內(nèi)部涂抹凡士林，對(duì)蠟封后的試樣進(jìn)行切割取樣，最后測(cè)定滲透系數(shù)時(shí)，以試樣有效直徑計(jì)算滲透面積。滲透試驗(yàn)采用變水頭滲透試驗(yàn)方法，環(huán)刀內(nèi)徑為61.8 mm，試樣有效內(nèi)徑58.2 mm，高40 mm。通過不同擊實(shí)試驗(yàn)所得的擊實(shí)土樣，以及純泥皮、稻秸稈泥皮、生長(zhǎng)植被(高羊茅(Festucaelata))后的稻秸稈泥皮等6種材料制成的試樣進(jìn)行滲透試驗(yàn)，測(cè)得滲透系數(shù)見表1。

表1 滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

從表1可知，擊實(shí)樣在最優(yōu)含水量(18%)時(shí)，滲透系數(shù)達(dá)到最小值，一般認(rèn)為飽和土體滲透系數(shù)為常量[16]，與初始含水量無直接關(guān)聯(lián)；但是在同樣的擊實(shí)功作用下，最優(yōu)含水量對(duì)應(yīng)土體的密實(shí)度(干密度)最大，土體空隙最小，滲透系數(shù)最小。純泥皮結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)小于擊實(shí)黏土，二者區(qū)別在于純泥皮結(jié)構(gòu)重組后，土顆粒合理排列，自然干縮，有利于黏土顆粒間的膠結(jié)咬合，不利于孔隙水的排出。稻秸稈泥皮材料滲透性較弱，其原因?yàn)榈窘斩捁逃械奈捅Ｋ匦裕找徊糠炙?；同時(shí)，稻秸稈使自由水滲徑延長(zhǎng)，增大了滲透時(shí)間。稻秸稈泥皮結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)植被后，根系對(duì)內(nèi)部薄弱空隙的填充及植被吸水性(若植被未被切割上部莖葉，吸水效果更加明顯)，更進(jìn)一步限制孔隙水的流動(dòng)。

1.3 干濕循環(huán)條件下泥皮抗?jié)B穩(wěn)定性試驗(yàn)

在實(shí)際的坡面防護(hù)(路基防止水分遷移)中，材料是控制水分遷移最前面的一道防線，要求材料在干濕循環(huán)后，依然具備較強(qiáng)的抗?jié)B性能。由于試樣干縮，使得土樣與蠟分離，無法重復(fù)干濕循環(huán)條件下的滲透試驗(yàn)。筆者設(shè)計(jì)一種抗?jié)B試驗(yàn)方案：取泥皮土樣制作成方形磚試樣，在中間植入環(huán)刀，并用蠟封閉，環(huán)刀保持1 cm水柱高度的滲透水頭，在底部墊一層試紙，當(dāng)確定試紙濕潤(rùn)時(shí)，即可得到整個(gè)泥皮層厚滲穿時(shí)間，當(dāng)試樣滲穿完成后，靜置48 h，使其自然風(fēng)干，之后再次進(jìn)行循環(huán)滲穿試驗(yàn)。試樣尺寸長(zhǎng)×寬×高分別為30 cm×30 cm×10 cm，保證水從上部滲透到底部的時(shí)間小于厚度方向的滲透時(shí)間。生長(zhǎng)植被后的稻秸稈泥皮試驗(yàn)照片見圖2。

圖2 稻秸稈泥皮植被抗?jié)B試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.2 Experiment on the anti-permeability of vegetation on the mud with rice straw

1.4 干旱和強(qiáng)降雨對(duì)泥皮護(hù)坡路基含水量影響試驗(yàn)

1.4.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì) 試驗(yàn)裝置主要采用角鋼及螺絲固定，構(gòu)成高強(qiáng)玻璃槽形邊坡試驗(yàn)儀，其長(zhǎng)×寬×高分別為150 cm×30 cm×40 cm。土體按最優(yōu)含水量進(jìn)行配比，在邊坡試驗(yàn)儀上分層擊實(shí)，壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)為一般路基要求94%，并切割成路堤邊坡。將流塑狀黏土與稻秸稈混合料均勻攤鋪于坡面上，并抹平，隨后撒播高羊茅草種。為模擬降雨沖刷入滲對(duì)邊坡的影響，在坡頂裝沖刷裝置，通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)，控制坡面水流速度，邊坡模型試驗(yàn)裝置見圖3。

1.玻璃邊坡儀Glass side slope experimental device; 2. 擊實(shí)路基土Compacted subgrade soil; 3. 稻秸稈泥皮混合料Mud mixed with rice straw; 4. 沖刷裝置Scouring device; 5.水管Water pipe; 6.轉(zhuǎn)子流量表Rotor flow meter. 圖3 試驗(yàn)裝置Fig.3 Test device

1.4.2 試驗(yàn)工況 試驗(yàn)設(shè)計(jì)5組工況，通過取樣器進(jìn)行橫向深度取樣，測(cè)量土體橫向深度(水平)的含水量變化。其各工況為：1)裸露邊坡，邊坡壓實(shí)后，按照設(shè)計(jì)坡比完成削坡；2)純泥皮護(hù)坡，削坡后坡面覆蓋10 cm厚純泥皮；3)稻秸稈泥皮結(jié)構(gòu)護(hù)坡，削坡后坡面覆蓋稻秸稈泥皮的混合料；4)純泥皮+植被護(hù)坡，在工況2的坡面上撒播草種；5)稻秸稈泥皮+植被護(hù)坡，在工況3的坡面上撒播草種。植被撒播草種均為高羊茅，混合料未添加任何肥料，30 d后，工況5坡面植被覆蓋度達(dá)95%，草層高度達(dá)5～8 cm，工況4沒有稻秸稈作為養(yǎng)分，植被覆蓋率約為45%，草層高度3～5 cm。

1.4.3 干旱和強(qiáng)降雨對(duì)路基含水量影響的試驗(yàn)?zāi)M 影響路基土內(nèi)部水分遷移極端天氣因素，一般分為連續(xù)干旱天氣和連續(xù)降雨2種情況。通過取樣測(cè)試上述工況條件下，路基土中心60 cm橫向深度范圍內(nèi)含水量分布情況，研究本材料對(duì)路基土水分遷移特征的影響。

干旱試驗(yàn)測(cè)試路基水分向外遷移，不需要沖刷裝置，使用玻璃邊坡儀即可。為了增加路基內(nèi)部土體的水分遷移速率，試驗(yàn)裝置邊坡一側(cè)放置透明塑料頂棚內(nèi)，使得坡面得到太陽(yáng)光的照射，加速試驗(yàn)的同時(shí)，植被可以發(fā)育，避免雨水對(duì)試驗(yàn)的干擾，而坡體一側(cè)放置在陰涼的房子內(nèi)，避免路基土水分垂直遷移，而影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

強(qiáng)降雨沖刷試驗(yàn)主要測(cè)試水分從外部向路基內(nèi)部遷移，通過沖刷裝置，對(duì)坡面進(jìn)行持續(xù)沖刷，采用尺子量取沖蝕厚度。為加速?zèng)_刷效果，采用特大暴雨3倍的雨強(qiáng)(150 mm/h)進(jìn)行沖刷，換算沖刷流量，測(cè)定橫向深度60 cm內(nèi)路基的含水率分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 干濕循環(huán)條件下泥皮抗?jié)B穩(wěn)定性分析

各種材料的滲穿時(shí)間隨循環(huán)次數(shù)變化由圖4可知，試樣滲穿時(shí)間隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而遞減，說明干濕循環(huán)能降低試樣的抗?jié)B性能(滲透系數(shù)在增大)。主要原因是每次干濕循環(huán)后，土體的含水量較前一次增大，而非飽和土體滲透系數(shù)隨著含水量變化而變化，自由水的增加，導(dǎo)致土顆粒間基質(zhì)吸力減小，滲透系數(shù)增大[16-17]，滲穿時(shí)間降低，飽和區(qū)出現(xiàn)時(shí)，意味著基質(zhì)吸力為零，此時(shí)滲透系數(shù)與飽和土體的滲透系數(shù)一致。擊實(shí)樣及純泥皮試樣，滲穿時(shí)間急劇降低，在經(jīng)歷3～4次干濕循環(huán)后，整體開裂無法進(jìn)行試驗(yàn)。稻秸稈泥皮成功完成5次干濕循環(huán)滲穿試驗(yàn)，并且在第4次和第5次滲穿時(shí)間分別為13和12.6 h，兩者相差不多。說明稻秸稈泥皮仍保持主體骨架結(jié)構(gòu)，具備一定的吸水、保水和儲(chǔ)水能力，有效限制土體內(nèi)因含水率急劇變化產(chǎn)生的非穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)范圍，從而減緩?fù)馏w的滲透力作用，有效降低土體的水分流失速率，保證泥皮不會(huì)因失水過快而干裂；同時(shí)，土體內(nèi)稻秸稈起加筋作用，主要承受土體內(nèi)部張拉應(yīng)力，避免土體干縮開裂，使得泥皮結(jié)構(gòu)在干濕循環(huán)后，仍能保持主要骨架結(jié)構(gòu)。稻秸稈泥皮植被試樣第4次和第5次滲穿時(shí)間基本都為21 h，2次時(shí)間基本一致。說明稻秸稈泥皮+植被土體水分滲透穩(wěn)定，植被根系適應(yīng)性生長(zhǎng)及吸水作用，有效減小了水分遷移速度，根系的加筋作用，進(jìn)一步增強(qiáng)泥皮結(jié)構(gòu)的整體和抗裂性能，減少干濕循環(huán)作用下裂縫的產(chǎn)生。

2.2 干旱對(duì)泥皮護(hù)坡路基含水量的影響

試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)共50 d(2014-09-10—10-30)，試驗(yàn)期間為夏末秋初，降雨較少，天氣干燥，較高溫天氣有利于試驗(yàn)的進(jìn)行。干旱0、10、20、30、40和50 d后，路基含水率分布情況見圖5。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干旱30和40 d后，泥皮過度干燥，無法保證草種的存活；因此，對(duì)泥皮表層，每隔3 d進(jìn)行少許的噴霧補(bǔ)水，以滿足種子發(fā)芽的基本需求。浸潤(rùn)深度小于0.5 cm，不影響泥皮及內(nèi)部路基的水分遷移，補(bǔ)水時(shí)間從邊坡施工后15～25 d，所測(cè)得在20 d的數(shù)據(jù)，在淺層0 m處含水率明顯過大。

圖4 滲穿時(shí)間隨循環(huán)次數(shù)變化圖Fig.4 Change of infiltration time with cycle times

圖5 路基內(nèi)部60 cm含水率分布情況Fig.5 Distribution of water content inside 60 cm of subgrade

由圖5可知，土體中水分由于日照和風(fēng)吹不斷向外遷移而流失。工況1中，橫向深度0和60 cm處，土體含水量分別由18.1%(0 d)和18.1%(0 d)降低至7.61%(50 d)和16.8%(50 d)；工況2～工況5試驗(yàn)開始10 d內(nèi)，泥皮水分向土層內(nèi)遷移，使10～20 cm內(nèi)土體的含水量明顯增高；工況2和工況4坡面泥皮在第13天出現(xiàn)細(xì)微裂紋，并在第24和28天裂紋貫穿坡面，在第50天路基60 cm橫向深度含水率分別下降到17.2%和17.3%，即裂縫的出現(xiàn)和貫穿，加速了路基土水分的向外遷移；工況3和工況5在試驗(yàn)30 d后，泥皮含水率為20.6%～26.7%，大于路基土體內(nèi)部含水量，即水分仍處于向路基內(nèi)部遷移狀態(tài)；工況3坡面有少許細(xì)微裂紋，裂紋深度止于稻秸稈，50 d后泥皮含水率下降到13.6%，小于路基土體含水率18.1%，路基土內(nèi)部水分開始向外遷移；工況5由于植被茂盛，根系發(fā)達(dá)，50 d后稻秸稈泥皮基本無裂紋，含水率在17.2%～21.4%，大于路基土含水率，即土體含水率穩(wěn)定。

2.3 強(qiáng)降雨對(duì)泥皮護(hù)坡路基含水量影響

工況1為擊實(shí)后立即進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，工況2采用放置10 d后進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，工況3根據(jù)試驗(yàn)1水分遷移特性情況，放置20 d后進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，工況4和工況5用于放置并養(yǎng)護(hù)30 d，待植被綠化后進(jìn)行沖刷，以驗(yàn)證植被狀態(tài)下試驗(yàn)材料的適用性。試驗(yàn)開始后，測(cè)試得0、10和30 min及1、3和6 h的路基土內(nèi)部含水率變化，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 連續(xù)沖刷路基內(nèi)部60 cm含水率分布情況Fig.6 Water content distribution of subgrade internal 60 cm by continuous scouring

工況1未采用泥皮結(jié)構(gòu)防護(hù)，沖刷開始后，淺層土體迅速飽和，與非飽和區(qū)域形成非穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)，使15 cm深度內(nèi)的土體含水率在滲透壓力作用下，迅速抬升，沖刷30 min后，坡面表層5 cm路基土被沖蝕，沖刷 3 h后增大到10 cm，水分向內(nèi)進(jìn)一步遷移，60 cm橫向深度含水率由18.1%增大到18.4%，到6 h時(shí)沖蝕量超過15 cm，整體路基含水量明顯提高。

工況2～工況5邊坡沖刷試驗(yàn)開始后，泥皮表層含水量迅速提升。其中，工況2在試驗(yàn)進(jìn)行30 min后，橫向深度15 cm處路基土體含水量提升，即泥皮結(jié)構(gòu)層已進(jìn)入飽和狀態(tài)，水分開始向內(nèi)遷移；工況3、工況4和工況5橫向深度15 cm處路基土體含水量提升時(shí)間分別為1、1和3 h，在沖刷作用下，稻秸稈泥皮隔阻效應(yīng)明顯。尤其是工況5(稻秸稈泥皮+植被)，在稻秸稈和植被根莖葉共同作用下，連續(xù)沖刷3 h，水分才開始向內(nèi)遷移。到達(dá)第4小時(shí)，工況2外層5 cm泥皮被沖蝕而變薄，水分迅速向路基內(nèi)部遷移，到第6小時(shí)時(shí)，橫向深度60 cm內(nèi)路基土含水率顯著提高，此時(shí)工況3和工況4路基含水量只是輕微提高，而工況5只有第20 cm橫向深度的土體含水率略微增加。

3 討論

稻秸稈的加入，明顯減少干旱路基水分向外遷移，植被生長(zhǎng)和草根繁茂對(duì)泥皮的保水性提高效果明顯。從工況5的取樣可知，部分草根已經(jīng)伸入到路基填土，稻秸稈和草根相互纏繞，根系與稻秸稈的雙重保水作用，確保泥皮結(jié)構(gòu)含水量的穩(wěn)定，形成一個(gè)封閉的外包結(jié)構(gòu)，有效保證了路基土含水率的穩(wěn)定。對(duì)工況5進(jìn)行延長(zhǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，第75天表層植被開始干枯，邊坡土體出現(xiàn)細(xì)微裂紋，但裂紋只是淺層裂縫，在稻秸稈和草根雙重加筋作用下，總體泥皮結(jié)構(gòu)依然穩(wěn)定，理論上依然具備控制路基土內(nèi)部水分遷移的能力。

稻秸稈和草根的作用明顯減少了單純泥皮結(jié)構(gòu)受雨水沖蝕量，泥皮抗?jié)B能力明顯提高，有效防止水分向路基土內(nèi)部遷移；由于稻秸稈的保水性能，在草種發(fā)芽過程中提供了需要的養(yǎng)分和水分，工況5的植被發(fā)芽覆蓋率和植被根莖發(fā)育程度要明顯優(yōu)于未添加稻秸稈的工況4。在茂盛的植被根系和稻秸稈的雙重作用下，工況5其抗沖刷能力有效提升，這點(diǎn)從試驗(yàn)沖刷水流一直是澄清的狀態(tài)也可證明(圖7)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證其抗沖刷能力，試驗(yàn)延長(zhǎng)沖刷時(shí)間，第7天發(fā)現(xiàn)，原來被雨水沖刷倒下的坡面植被有所復(fù)蘇，部分重新挺拔。說明植被蔥郁后，稻秸稈泥皮結(jié)構(gòu)具備有效的抗沖蝕能力；同時(shí)，含水量測(cè)試發(fā)現(xiàn)，整個(gè)路基土體含水率整體僅僅略有提升，說明水分遷移量較小，土體含水量穩(wěn)定。

圖7 工況5邊坡沖刷照片F(xiàn)ig.7 Slope scouring of condition 5

王鐵行[18]研究顯示，路基濕軟區(qū)域大小受到土體密實(shí)度的顯著影響，增加土體密實(shí)度，對(duì)防止雨水入滲危害也是有利的。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，稻秸稈泥皮材料干密度大，滲透系數(shù)小，多次干濕循環(huán)抗?jié)B穿能力強(qiáng)，水分遷移速率小，是理想的隔阻路基內(nèi)部水分遷移材料。干旱和強(qiáng)降雨的試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，稻秸稈泥皮結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)保水性，能有效減少泥皮結(jié)構(gòu)自身的水分向外遷移速率，加上稻秸稈以及植被草根的加筋和吸水等作用，避免泥皮結(jié)構(gòu)迅速失水開裂，形成致密的隔阻體，進(jìn)而能有效保護(hù)路基土體含水率的穩(wěn)定，防止水分遷移效果顯著。

4 結(jié)論

1)稻秸稈泥皮材料干密度大，滲透系數(shù)小，多次干濕循環(huán)抗?jié)B穿能力強(qiáng)，水分遷移速率小，從材料分析是理想的隔阻路基內(nèi)部水分遷移材料。

2)稻秸稈泥皮材料，能有效避免泥皮結(jié)構(gòu)的失水干裂，隔阻水分；植被根系生長(zhǎng)發(fā)育后，與稻秸稈泥皮共同作用，達(dá)到減少干旱氣候?qū)β坊鶅?nèi)部含水量向外遷移變化的影響作用。

3)稻秸稈泥皮護(hù)坡能有效促進(jìn)植被綠化，大幅降低坡面的滲透性，有效減少?gòu)?qiáng)降雨的坡面雨水入滲和沖刷，從而阻隔水分進(jìn)一步向路基內(nèi)部遷移；同時(shí)，泥皮+稻秸稈+草根復(fù)合泥皮結(jié)構(gòu)，能有效提高坡面的抗強(qiáng)降雨沖蝕和阻隔水分遷移性能。

4)稻秸稈泥皮材料可以有效促進(jìn)植被生長(zhǎng)，最終形成泥皮+稻秸稈+草根結(jié)構(gòu)，保持路基穩(wěn)定的含水量，形成綠色生態(tài)環(huán)保的防護(hù)系統(tǒng)，對(duì)公路生態(tài)建設(shè)意義重大。

[1] 王桂堯,李斌,付宏淵. 非飽和路基土水分運(yùn)移的室內(nèi)試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué),2010,31(1):61. WANG Guiyao, LI Bing, FU Hongyuan. Experimental study of moisture migration of unsaturated soil in embankment[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010,31(1):61.

[2] 付強(qiáng). 紅粘土路基水汽運(yùn)移特性及防排水優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D]. 長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué), 2010: 48. FU Qiang. Research on vapor transportation characteristics and optimal design of drainage in red clay subgrade[D]. Changsha：Changsha University of Science and Technology,2010:48.

[3] 黃弈茗. 非飽和路基土的水分?jǐn)U散與冷凝遷移試驗(yàn)研究[D]. 長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué), 2013: 43. HUANG Yiming. The research on moisture migration of unsaturated subgrade soil[D]. Changsha：Changsha University of Science and Technology,2013: 43.

[4] 趙明華,劉小平,陳安. 非飽和土路基毛細(xì)作用分析[J]. 公路交通科技,2008,25(8):26. ZHAO Minghua, LIU Xiaoping, CHEN An. Analysis of capillary effect in unsaturated roadbed[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2008,25(8):26.

[5] 王協(xié)群,鄒維列,駱以道,等. 壓實(shí)度與級(jí)配對(duì)路基重塑黏土土-水特征曲線的影響[J]. 巖土力學(xué),2011,32(增刊1):181. WANG Xiequn, ZOU Weilie, LUO Yidao, et al.Influence of compaction degree and gradation on SWCC of compacted clay soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011,32(S1):181.

[6] 傅智,李紅. 完善我國(guó)公路防排水技術(shù)[J]. 公路,2009(4):56. FU Zhi, LI Hong. Perfect the highway water proof and drainage technology in China [J]. Highway, 2009(4): 56.

[7] 中華人民共和國(guó)交通部. 公路路基施工技術(shù)規(guī)范：JTG F10—2006[S].北京：人民交通出版社，2006: 60. Ministry of Communications of the People’s Republic of China. Technical specification for construction of highway subgrades:JTG F10-2006[S]. Beijing：China Communications Press, 2006: 60.

[8] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部. 公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范:JTG D30—2015[S].北京：人民交通出版社，2015: 34. Ministry of Transport of the People’s Republic of China. Specifications for design of highway subgrades:JTG D30-2015[S]. Beijing：China Communications Press, 2015: 34.

[9] 牛皓,高建恩,楊世偉,等.地膚根系的力學(xué)性質(zhì)及對(duì)道路侵蝕的影響[J].人民長(zhǎng)江,2009,40(11):65. NIU Hao, GAO Jianen, YANG Shiwei, et al. The mechanical properties of broom cypress root and the effect on road erosion[J]. Yangtze River, 2009, 40(11) : 65.

[10] 周自瑋,孟廣濤,毛熔,等. 三種多年生牧草保水能力及土壤改良作用的研究[J]. 中國(guó)草地學(xué)報(bào),2008,30(1):66. ZHOU Ziwei，MENG Guangtao, MAO Rong, et al. Study on ability of water conservation and soil improvement of three perennial forage species[J]. Chinese Journal of Grassland, 2009, 30(1) : 66.

[11] 王協(xié)康,方鐸.植被措施控制水土流失機(jī)理及其效益研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2000,32(2):13. WANG Xiekang, FANG Duo. Study on the principles and pbenefits of plants to control water and soil losses[J]. Journal of Sichuan University (Engineering Science Edition), 2000,32(2):13.

[12] 戴全厚,喻理飛,薛萐,等. 植被控制水土流失機(jī)理及功能研究[J]. 水土保持研究,2008,15(2):32. DAI Quanhou, YU Lifei, XUE Sha, et al. Study on the Mechanism and Function of Soil and Water Loss Controlled by Vegetation[J]. Research ofSoil and Water Conservation,2008, 15(2):32.

[13] 蒙仲舉,孫鐵軍,高永,等. 草地雀麥坡地水土保持作用的研究[J]. 水土保持通報(bào),2008,28(4):86. MENG Zhongju, SUN Tiejun, GAO Yong, et al. Effects of soil and water conservation by meadow brome planted on a sloping land[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2008, 28(4):86.

[14] 程龍飛,李林燕. 庫(kù)區(qū)坡面植被水土保持生態(tài)建設(shè)模式[J]. 水土保持研究,2010,17(5):251. CHENG Longfei, LI Linyan. The ecosystem development mode of slope vegetation for water and soil conservancy in Three Gorges[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2010,17(5):251.

[15] 習(xí)金根,吳浩,王一承,等. 花生秸稈覆蓋栽培對(duì)菠蘿生長(zhǎng)的影響[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,38(27):14915. XI Jingen, WU Hao, WANG Yicheng, et al. Effects of cover cultivation on plant and root growth of pineapple[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2010,38(27):14915.

[16] 劉禮領(lǐng),殷坤龍. 暴雨型滑坡降水入滲機(jī)理分析[J]. 巖土力學(xué),2008,29(4):1061. LIU Liling, YIN Kunlong. Analysis of rainfall infiltration mechanism of rainstorm landslide[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008,29(4):1061.

[17] 張昭,劉奉銀,張國(guó)平. 土在全含水率范圍內(nèi)持水及非飽和滲透特性的模型描述[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),2014,(36)11:2069. ZHANG Zhao, LIU Fengyin, ZHANG Guoping. Models for water retention and unsaturated permeability in full range of water content[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014,(36)11:2069.

[18] 王鐵行. 非飽和黃土路基水分場(chǎng)的數(shù)值分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),2008,30(1):41. WANG Tiehang. Moisture migration in unsaturated loess subgrade[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008, 30(1):41.

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

項(xiàng)目名稱： 國(guó)家自然科學(xué)基金“路基土的水分?jǐn)U散和冷凝遷移及路基軟化機(jī)理研究”(51178063),“生態(tài)防護(hù)邊坡的雨水入滲及其對(duì)植被根系固土防滑作用的影響機(jī)理研究”(51578082)；廣西交通科學(xué)研究院科技項(xiàng)目“類植物根系有機(jī)坡面防護(hù)技術(shù)研究”(KJ2014-014)

張紅日(1983—)，男，博士研究生，高級(jí)工程師。主要研究方向：邊坡穩(wěn)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