锚固加强植被系统在膨胀土边坡防护中的应用

唐林强　李程程　魏炜

作者简介：唐林强（1987—），硕士，工程师，主要从事岩土工程、水利工程领域研究工作;

李程程（1989—），工程师，主要从事绿色建筑、海绵城市领域研究工作;

魏 炜（1988—），硕士，副教授，主要从事结构工程、水文水资源领域研究工作。

摘要：锚固加强植被系统（ARVS系统）由高性能植被保护垫（HPTRM）、植被和锚杆组成。文章通过在裸露边坡、植草边坡、ARVS系统防护边坡进行的现场试验，对比三种边坡降雨后的土体变形数据，评估ARVS系统防护膨胀土边坡的有效性。研究结果表明：ARVS系统能约束膨胀变形，有效地防护膨胀土边坡;ARVS系统施工完成时，主要由HPTRM与锚杆限制膨胀变形;当植被生长到一定规模后，HPTRM、锚杆和植被三者共同作用，极大地约束了膨胀变形，有效地防护膨胀土边坡;强降雨条件下，ARVS系统防护膨胀土边坡的效果明显优于植草边坡。

关键词：锚固加强植被系统;膨胀土;边坡防护

中国分类号：U418.5+2A030083

0 引言

膨胀土是富含蒙脱石的特殊黏性土，具有胀缩性、裂隙性，广泛分布于世界40多个国家和地区，在我国主要分布在云南、广西等地区。在这些区域，高速公路、铁路等修建过程中必定会出现大量的膨胀土路基边坡或者路边边坡等。由于膨胀土的特性，膨胀土边坡比常规边坡更易失稳，严重威胁到各类工程。膨胀土边坡的处理方式常分为刚性支护与柔性支护。由于膨胀土的胀缩性，刚性支护容易被破坏[1]，有学者提出柔性支护防护膨胀土边坡。柔性支护能有效地限制膨胀土的膨胀作用与胀缩裂隙发展，从而保护边坡，所以许多柔性支护广泛应用于膨胀土边坡防护[2-3]。锚固加强植被系统（ARVS系统）是一种新型的柔性支护，在国外被广泛应用于堤坝、渠道等水利工程。而ARVS系统应用于膨胀土边坡的防护尚处于探索阶段，现有成果主要是通过模型试验进行研究[4]。由于尺寸效应、现场地质情况等因素，模型试验很难模拟实际情况，所以本文通过现场试验，探索ARVS系统防护膨胀土边坡的效果。

1 膨胀土边坡失稳机理

膨胀土边坡破坏的模式有两种[5]。（1）由于裂隙面强度降低出现边坡失稳。这种破坏形式主要是因为膨胀土边坡中的[JP+1]非胀缩裂隙面，该裂隙面强度很低，易形成滑动面。

非胀缩裂隙面位置一般比较深，所以这种破坏是深层破坏，常选用刚性支护进行处理。（2）膨胀作用导致的边坡浅层破坏。当膨胀土吸水膨胀后，边坡的应力重分布，该破坏发生在雨水入渗的区域，一般在大气影响深度内，所以是浅层破坏。膨胀土边坡在大气作用下，反复胀缩，裂隙发育，会导致边坡发生浅层的渐进式破坏。而实际工况中膨胀土边坡的破坏是多种因素共同作用的结果，其中裂隙是膨胀土边坡失稳的关键因素，胀缩性是产生裂隙的原因，超固结性能促进边坡破坏，其根本原因是膨胀性[6]。

2 锚固植被加强系统的构造

锚固加强植被系统（ARVS系统）由高性能植被保护垫（HPTRM）、植被和锚杆组成。HPTRM是一种高强度、高耐久、高韧性的三维土工材料，具有95%以上的开放空间。植被生长过程中，根系会与HPTRM紧密缠绕，形成整体覆盖到膨胀土坡面上，防护膨胀土。ARVS系统一般选用长度较短的全注浆锚杆。ARVS系统示意图如图1所示。

3 试验场地

3.1 场地情况

试验场地位于广西南宁市水牛研究所桥头附近的草场，处于一个向南的缓坡上。开挖后的膨胀土边坡坡度为18°，削坡厚度为0.4 m，斜坡长5.5 m。共设置裸露边坡、植草边坡、ARVS系统防护边坡三种边坡，每种边坡宽4 m，坡顶设置宽1 m的平台，外围设置截水沟。边坡的四周用隔墙隔开，并采用砂浆勾缝。边坡土体内部埋有土应变计，用于测量土体变形。具体现场布置如图2所示。

3.2 地层分布

研究土样为试验现场的耕植土、红褐色膨胀土、灰白色膨胀土。土层的性质如表1所示。试验场地的剖面图如图3所示。根据《广西膨胀土地区建筑勘察设计施工技术规程》（DB45/T396-2007）的规定，红褐色膨胀土和灰白色膨胀土为弱膨胀土。

4 锚固植被加强系统的安装

本次试验使用长度为4 m的全注浆锚杆，倾斜角为30°，锚杆孔直径为15 cm。根据鲜少华的研究成果[7]，可知ARVS系统防护膨胀土边坡的最优间距为1.5 m，所以本次试验的锚杆间距为1.5 m，成井字型分布，三行四列，共12根。锚杆采用Ⅱ级螺纹钢，18 mm，长4 m，外径为20 mm，截面面积为2.54 cm2。锚头由焊接钢板制成，每根锚杆设置两个支架，支架由2根8 mm、长8 cm的鋼筋焊接而成。

采用洛阳铲挖掘锚杆的灌浆孔，再对边坡坡面进行平整，然后铺设HPTRM。HPTRM的四周均埋入隔墙之下，以固定HPTRM四周。把制作好的锚杆插入预先挖好的孔内，然后进行灌浆、封孔、锚头加固。锚杆的施工参考《建筑边坡工程技术规范》（GB/50330-2013）。坡面植被选用黑麦草、高羊茅、狗牙根。种植时三种植被的草籽按1∶1∶1混合，均匀播种在坡面上，再洒适量水使耕植土层湿透。最后，用塑料薄膜覆盖，保湿养护，待草长至3 cm高时，即移去薄膜。

5 试验结果分析

试验现场修筑完成后，16 d内没有降雨，期间最高温度在35 ℃，干旱后经历了由台风引起的暴雨。随后边坡经历三次持续性降雨，降雨历时分别为14 d（C1）、11 d（C2）与6 d（C3），降雨强度均为小雨或者中雨。后续进行了三次人工降雨，降雨强度分别为60 mm/h（A1）、80 mm/h（A2）与100 mm/h（A3），历时均为1 h。各次降雨后，各类边坡的土体位移数据如图4所示。

由于开挖后边坡的坡度很小，所测得的数据基本可以视为竖向的膨胀变形。由图4可知，ARVS系统防护边坡的变形最小，在强降雨条件下，能约束30%～40%的变形，持续性降雨也能约束20%左右的变形，说明ARVS系统能有效防护膨胀土边坡，特别是强降雨时效果更明显。而植草边坡的防护效果需要在边坡修筑完一段时间后才能体现，仅约束15%～20%的变形，且降雨强度越大，植被护坡的效果越差。

边坡修筑完成后的高气温、高蒸发量导致边坡的含水率降低，土体开裂，为变形发展提供了前提条件。此外，边坡开挖移除上覆土层后，膨胀土会因为卸荷而释放内部能量，导致较大的变形，所以台风引起的降雨后土体变形最大。此时，边坡的植被还未长成，植被护坡的效果非常小，而ARVS系统防护边坡还有锚杆和HPTRM，两者的共同作用能限制膨胀土的膨胀变形[9]，所以变形最小。随着植被的生长，根系逐渐茂盛，膨胀土的膨胀变形降低，植被护坡的效果越来越明显，所以植草边坡与裸露边坡的变形差别越来越大。ARVS系统防护的边坡中植被根系生长过程中会逐渐与HPTRM互锁，形成整体的3D结构，限制膨胀土的变形，防护效果优于植草边坡。

6 结语

ARVS系统防护膨胀土边坡时，能有效地约束膨胀变形，限制膨胀作用。ARVS系统刚施工完成时，植被还没有生长成型，主要通过HPTRM与锚杆限制膨胀变形。此时仅植草的边坡完全没有防护能力，与ARVS系统防护边坡相比，更易出现边坡失衡。当植被生长到一定规模后，植被护坡的效果开始体现。ARVS系统防护边坡中，植物根系会与HPTRM缠绕在一起形成整体结构，此时HPTRM、锚杆和植被三者共同作用，有效地防护膨胀土边坡。特别是强降雨条件下，ARVS系统的防护效果明显优于仅植草边坡。

参考文献：

[1]杨和平，王 静，湛文涛，等.南宁外环膨胀土路基处治技术及设计方案研究[J].岩土力学，2011（S2）：359-365.

[2]袁俊平，韩春雷，丁 巍，等.膨胀土边坡防护方案比选研究[J].水利水电科技进展，2017，37（1）：68-72.

[3]Zhang Rui，Long Mingxu，Lan Tian，et al.Stability analysis method of geogrid reinforced expansive soil slopes and its engineering application[J].Journal of Central South University，2020，27（S7）：1 965-1 980.

[4]鲜少华，许英姿，姚海林，等.锚固加强植被系统约束膨胀土变形模型试验研究[J].岩土力学，2017，38（S1）：158-166.

[5]程展林，龚壁卫.膨胀土边坡[M].北京：科学出版社，2015.

[6]丁金華.膨胀土边坡浅层失稳机理及土工格栅加固处理研究[D].杭州：浙江大学，2014.

[7]鲜少华.锚固加强植被系统防护膨胀土边坡坡面效果的研究[D].南宁：广西大学，2016.

[8]裴圣瑞.新型锚固加强植被系统加固南宁膨胀岩的试验研究[D].南宁：广西大学，2014.

[9]Tan Huiming，Chen Fumao，Chen Jia，et al.Direct shear tests of shear strength of soils reinforced by geomats and plant roots[J].Geotextiles and Geomembranes，2019，47（6）：780-791.

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