錨固加強(qiáng)植被系統(tǒng)在膨脹土邊坡防護(hù)中的應(yīng)用

唐林強(qiáng)　李程程　魏煒

作者簡(jiǎn)介：唐林強(qiáng)（1987—），碩士，工程師，主要從事巖土工程、水利工程領(lǐng)域研究工作;

李程程（1989—），工程師，主要從事綠色建筑、海綿城市領(lǐng)域研究工作;

魏 煒（1988—），碩士，副教授，主要從事結(jié)構(gòu)工程、水文水資源領(lǐng)域研究工作。

摘要：錨固加強(qiáng)植被系統(tǒng)（ARVS系統(tǒng)）由高性能植被保護(hù)墊（HPTRM）、植被和錨桿組成。文章通過(guò)在裸露邊坡、植草邊坡、ARVS系統(tǒng)防護(hù)邊坡進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)比三種邊坡降雨后的土體變形數(shù)據(jù)，評(píng)估ARVS系統(tǒng)防護(hù)膨脹土邊坡的有效性。研究結(jié)果表明：ARVS系統(tǒng)能約束膨脹變形，有效地防護(hù)膨脹土邊坡;ARVS系統(tǒng)施工完成時(shí)，主要由HPTRM與錨桿限制膨脹變形;當(dāng)植被生長(zhǎng)到一定規(guī)模后，HPTRM、錨桿和植被三者共同作用，極大地約束了膨脹變形，有效地防護(hù)膨脹土邊坡;強(qiáng)降雨條件下，ARVS系統(tǒng)防護(hù)膨脹土邊坡的效果明顯優(yōu)于植草邊坡。

關(guān)鍵詞：錨固加強(qiáng)植被系統(tǒng);膨脹土;邊坡防護(hù)

中國(guó)分類號(hào)：U418.5+2A030083

0 引言

膨脹土是富含蒙脫石的特殊黏性土，具有脹縮性、裂隙性，廣泛分布于世界40多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，在我國(guó)主要分布在云南、廣西等地區(qū)。在這些區(qū)域，高速公路、鐵路等修建過(guò)程中必定會(huì)出現(xiàn)大量的膨脹土路基邊坡或者路邊邊坡等。由于膨脹土的特性，膨脹土邊坡比常規(guī)邊坡更易失穩(wěn)，嚴(yán)重威脅到各類工程。膨脹土邊坡的處理方式常分為剛性支護(hù)與柔性支護(hù)。由于膨脹土的脹縮性，剛性支護(hù)容易被破壞[1]，有學(xué)者提出柔性支護(hù)防護(hù)膨脹土邊坡。柔性支護(hù)能有效地限制膨脹土的膨脹作用與脹縮裂隙發(fā)展，從而保護(hù)邊坡，所以許多柔性支護(hù)廣泛應(yīng)用于膨脹土邊坡防護(hù)[2-3]。錨固加強(qiáng)植被系統(tǒng)（ARVS系統(tǒng)）是一種新型的柔性支護(hù)，在國(guó)外被廣泛應(yīng)用于堤壩、渠道等水利工程。而ARVS系統(tǒng)應(yīng)用于膨脹土邊坡的防護(hù)尚處于探索階段，現(xiàn)有成果主要是通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行研究[4]。由于尺寸效應(yīng)、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況等因素，模型試驗(yàn)很難模擬實(shí)際情況，所以本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，探索ARVS系統(tǒng)防護(hù)膨脹土邊坡的效果。

1 膨脹土邊坡失穩(wěn)機(jī)理

膨脹土邊坡破壞的模式有兩種[5]。（1）由于裂隙面強(qiáng)度降低出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)。這種破壞形式主要是因?yàn)榕蛎浲吝吰轮械腫JP+1]非脹縮裂隙面，該裂隙面強(qiáng)度很低，易形成滑動(dòng)面。

非脹縮裂隙面位置一般比較深，所以這種破壞是深層破壞，常選用剛性支護(hù)進(jìn)行處理。（2）膨脹作用導(dǎo)致的邊坡淺層破壞。當(dāng)膨脹土吸水膨脹后，邊坡的應(yīng)力重分布，該破壞發(fā)生在雨水入滲的區(qū)域，一般在大氣影響深度內(nèi)，所以是淺層破壞。膨脹土邊坡在大氣作用下，反復(fù)脹縮，裂隙發(fā)育，會(huì)導(dǎo)致邊坡發(fā)生淺層的漸進(jìn)式破壞。而實(shí)際工況中膨脹土邊坡的破壞是多種因素共同作用的結(jié)果，其中裂隙是膨脹土邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素，脹縮性是產(chǎn)生裂隙的原因，超固結(jié)性能促進(jìn)邊坡破壞，其根本原因是膨脹性[6]。

2 錨固植被加強(qiáng)系統(tǒng)的構(gòu)造

錨固加強(qiáng)植被系統(tǒng)（ARVS系統(tǒng)）由高性能植被保護(hù)墊（HPTRM）、植被和錨桿組成。HPTRM是一種高強(qiáng)度、高耐久、高韌性的三維土工材料，具有95%以上的開(kāi)放空間。植被生長(zhǎng)過(guò)程中，根系會(huì)與HPTRM緊密纏繞，形成整體覆蓋到膨脹土坡面上，防護(hù)膨脹土。ARVS系統(tǒng)一般選用長(zhǎng)度較短的全注漿錨桿。ARVS系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

3 試驗(yàn)場(chǎng)地

3.1 場(chǎng)地情況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于廣西南寧市水牛研究所橋頭附近的草場(chǎng)，處于一個(gè)向南的緩坡上。開(kāi)挖后的膨脹土邊坡坡度為18°，削坡厚度為0.4 m，斜坡長(zhǎng)5.5 m。共設(shè)置裸露邊坡、植草邊坡、ARVS系統(tǒng)防護(hù)邊坡三種邊坡，每種邊坡寬4 m，坡頂設(shè)置寬1 m的平臺(tái)，外圍設(shè)置截水溝。邊坡的四周用隔墻隔開(kāi)，并采用砂漿勾縫。邊坡土體內(nèi)部埋有土應(yīng)變計(jì)，用于測(cè)量土體變形。具體現(xiàn)場(chǎng)布置如圖2所示。

3.2 地層分布

研究土樣為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的耕植土、紅褐色膨脹土、灰白色膨脹土。土層的性質(zhì)如表1所示。試驗(yàn)場(chǎng)地的剖面圖如圖3所示。根據(jù)《廣西膨脹土地區(qū)建筑勘察設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)程》（DB45/T396-2007）的規(guī)定，紅褐色膨脹土和灰白色膨脹土為弱膨脹土。

4 錨固植被加強(qiáng)系統(tǒng)的安裝

本次試驗(yàn)使用長(zhǎng)度為4 m的全注漿錨桿，傾斜角為30°，錨桿孔直徑為15 cm。根據(jù)鮮少華的研究成果[7]，可知ARVS系統(tǒng)防護(hù)膨脹土邊坡的最優(yōu)間距為1.5 m，所以本次試驗(yàn)的錨桿間距為1.5 m，成井字型分布，三行四列，共12根。錨桿采用Ⅱ級(jí)螺紋鋼，18 mm，長(zhǎng)4 m，外徑為20 mm，截面面積為2.54 cm2。錨頭由焊接鋼板制成，每根錨桿設(shè)置兩個(gè)支架，支架由2根8 mm、長(zhǎng)8 cm的鋼筋焊接而成。

采用洛陽(yáng)鏟挖掘錨桿的灌漿孔，再對(duì)邊坡坡面進(jìn)行平整，然后鋪設(shè)HPTRM。HPTRM的四周均埋入隔墻之下，以固定HPTRM四周。把制作好的錨桿插入預(yù)先挖好的孔內(nèi)，然后進(jìn)行灌漿、封孔、錨頭加固。錨桿的施工參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB/50330-2013）。坡面植被選用黑麥草、高羊茅、狗牙根。種植時(shí)三種植被的草籽按1∶1∶1混合，均勻播種在坡面上，再灑適量水使耕植土層濕透。最后，用塑料薄膜覆蓋，保濕養(yǎng)護(hù)，待草長(zhǎng)至3 cm高時(shí)，即移去薄膜。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)修筑完成后，16 d內(nèi)沒(méi)有降雨，期間最高溫度在35 ℃，干旱后經(jīng)歷了由臺(tái)風(fēng)引起的暴雨。隨后邊坡經(jīng)歷三次持續(xù)性降雨，降雨歷時(shí)分別為14 d（C1）、11 d（C2）與6 d（C3），降雨強(qiáng)度均為小雨或者中雨。后續(xù)進(jìn)行了三次人工降雨，降雨強(qiáng)度分別為60 mm/h（A1）、80 mm/h（A2）與100 mm/h（A3），歷時(shí)均為1 h。各次降雨后，各類邊坡的土體位移數(shù)據(jù)如圖4所示。

由于開(kāi)挖后邊坡的坡度很小，所測(cè)得的數(shù)據(jù)基本可以視為豎向的膨脹變形。由圖4可知，ARVS系統(tǒng)防護(hù)邊坡的變形最小，在強(qiáng)降雨條件下，能約束30%～40%的變形，持續(xù)性降雨也能約束20%左右的變形，說(shuō)明ARVS系統(tǒng)能有效防護(hù)膨脹土邊坡，特別是強(qiáng)降雨時(shí)效果更明顯。而植草邊坡的防護(hù)效果需要在邊坡修筑完一段時(shí)間后才能體現(xiàn)，僅約束15%～20%的變形，且降雨強(qiáng)度越大，植被護(hù)坡的效果越差。

邊坡修筑完成后的高氣溫、高蒸發(fā)量導(dǎo)致邊坡的含水率降低，土體開(kāi)裂，為變形發(fā)展提供了前提條件。此外，邊坡開(kāi)挖移除上覆土層后，膨脹土?xí)驗(yàn)樾逗啥尫艃?nèi)部能量，導(dǎo)致較大的變形，所以臺(tái)風(fēng)引起的降雨后土體變形最大。此時(shí)，邊坡的植被還未長(zhǎng)成，植被護(hù)坡的效果非常小，而ARVS系統(tǒng)防護(hù)邊坡還有錨桿和HPTRM，兩者的共同作用能限制膨脹土的膨脹變形[9]，所以變形最小。隨著植被的生長(zhǎng)，根系逐漸茂盛，膨脹土的膨脹變形降低，植被護(hù)坡的效果越來(lái)越明顯，所以植草邊坡與裸露邊坡的變形差別越來(lái)越大。ARVS系統(tǒng)防護(hù)的邊坡中植被根系生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)逐漸與HPTRM互鎖，形成整體的3D結(jié)構(gòu)，限制膨脹土的變形，防護(hù)效果優(yōu)于植草邊坡。

6 結(jié)語(yǔ)

ARVS系統(tǒng)防護(hù)膨脹土邊坡時(shí)，能有效地約束膨脹變形，限制膨脹作用。ARVS系統(tǒng)剛施工完成時(shí)，植被還沒(méi)有生長(zhǎng)成型，主要通過(guò)HPTRM與錨桿限制膨脹變形。此時(shí)僅植草的邊坡完全沒(méi)有防護(hù)能力，與ARVS系統(tǒng)防護(hù)邊坡相比，更易出現(xiàn)邊坡失衡。當(dāng)植被生長(zhǎng)到一定規(guī)模后，植被護(hù)坡的效果開(kāi)始體現(xiàn)。ARVS系統(tǒng)防護(hù)邊坡中，植物根系會(huì)與HPTRM纏繞在一起形成整體結(jié)構(gòu)，此時(shí)HPTRM、錨桿和植被三者共同作用，有效地防護(hù)膨脹土邊坡。特別是強(qiáng)降雨條件下，ARVS系統(tǒng)的防護(hù)效果明顯優(yōu)于僅植草邊坡。

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