聚丙烯纤维/粘性矿粉复合料边坡加固时效劣化评估研究

束金誉，宗梦繁

(1.江苏省地质矿产局 第六地质大队,江苏 连云港 222023；2.江苏海洋大学，江苏 连云港 222005)

我国黄土高原上的工程活动产生了大量裸露边坡。以“山体开挖和城市建设”和“冲沟土地整理”的大型建设项目为例，新产生的边坡通常会发生浅层破坏，其中浅层滑动、细沟侵蚀、剥落和片蚀是典型代表。这些破坏现象不仅会加剧水土流失，其进一步发展还会导致边坡发生灾难性变化，威胁生命和财产安全[1-3]。因此，对裸露边坡进行表面保护对于区域生态改善和边坡稳定具有重要意义。

对边坡保护方法的研究从未中断，其中传统的保护方法主要包括框架保护、植物基保护、支撑结构保护等[4]。近年来，随着生态保护的发展，有机材料纤维和无机材料等新材料被应用于坡面防护[5]。其中，聚丙烯纤维和矿渣粉分别作为代表性的纤维加筋材料和无机材料，因其良好的保护效果、生态友好性和低成本而吸引了大量关注。与土壤混合的聚丙烯纤维可以形成土壤增强复合材料，其中纤维和土壤颗粒界面之间的摩擦使土壤更具韧性，并进一步提高土壤的抗剪强度、抗压强度和峰值轴向应变[6]。此外，聚丙烯纤维可以有效防止裂缝的发展，从而限制土壤变形。而矿渣粉往往表现出较高的粘性，可以有效填充土壤孔隙并结合颗粒[7]。一些研究人员表明，矿渣粉可以有效提高土壤的抗剪强度和抗侵蚀性，防止边坡的浅层破坏[8]。由此可见，聚丙烯纤维和矿渣粉在黄土边坡上具有一定的应用前景。

坡面保护材料的有效性将随着时间的推移而恶化(时效劣化)，特别是在恶劣的环境条件下。降雨入渗和冲刷、干湿循环、高温和冻融循环是导致退化的主要因素[9]。根据先前的研究，降雨渗透和冲刷可能导致材料水解和结构破坏，进一步导致材料的抗拉强度和抗剪强度下降[10]。而干湿循环可能有助于孔隙和材料界面的水分吸收和扩散。在干湿循环的影响下，孔隙的膨胀会使保护材料从土壤中松动，从而阻碍保护材料和土壤颗粒之间的应力传递。上述影响可能会恶化护坡材料的渗透性、抗剪性和抗崩解性[11]。但目前，较少学者研究有机材料聚丙烯纤维与无机材料矿渣粉加固边坡的时效劣化研究，对护坡材料的劣化尚未涉及太多。

基于此，本研究的目的是以聚丙烯纤维和矿渣粉为例，评估2种生态材料在典型黄土路堑边坡防护试验中的防护效果。使用LiDAR方法对2种保护材料的劣化过程和时空特性进行了量化。进一步研究降雨情况与材料力学性能的劣化规律，以评估边坡长期性能。

1 材料和方法

1.1 防护试验材料配比

本研究选用聚丙烯纤维有机材料和矿渣粉无机材料对黄土边坡进行护坡，在施工前分别与黄土混合[12]，分别命名为聚丙烯纤维加筋土(PFS)和矿渣粉混合土(GGS)。聚丙烯纤维长15毫米，直径0.048毫米。用于试验的黄土直接取自试验现场。用于护坡材料的质量比分别设置为干燥黄土：聚丙烯纤维= 1∶0.003和干燥黄土：矿渣粉=1∶0.0098。混合时，含水量控制在15%，并用小型电动搅拌器将混合物料定速搅拌10 min，直至聚丙烯纤维/矿渣粉均匀分布。然后将护坡材料密封并放入养护室养化48 h。

1.2 护坡材料室内干湿循环试验

在降雨和蒸发的影响下，护坡材料由于干湿交替而劣化。在本研究中，采用干湿循环试验研究了2种护坡材料(即PFS和GGS)的力学参数演变过程。根据试验边坡土壤含水量的波动范围，干湿循环试验的土壤含水量上限值和下限值分别为20%和10%。根据与LiDAR扫描数据相对应的有效降雨事件的累积时间(≥10 mm/d)，样品的干湿循环次数分别设置为0、2、4、6、9、14和16。试样分别通过烘箱干燥法和水膜转移法进行干燥和加湿。干燥加湿后，将土壤样品密封并固化24 h，以确保水在样品中均匀分布。干-湿循环试验后PFS和GGS的劣化结果，具体如图1所示。

(a)聚丙烯纤维加筋土(PFS)

(b)矿渣粉混合土(GGS)图1干湿循环劣化图像Fig.1 Deterioration image of dry wet cycle

干湿循环处理后，分别进行剪切试验、拉伸试验和崩解试验，设定护坡材料试样的含水量分别调整为10%、15%和20%，试验的试样尺寸分别为Φ61.8 mm×20 mm、Φ61.8 mm×80 mm、Φ61 8 mm×40 mm，使用ZLB-1应变控制3组合直接剪切仪确定试样的剪切强度；法向应力设置为100、200和400 kPa，剪切速率设置为0.8 mm/min，直到试样损坏或达到6 mm的最大水平位移；使用自制单轴拉伸试验机测定试样的拉伸强度。样品用薄保鲜膜包裹，主要用于保持试样的含水量。试验通过直接拉伸进行，样品的一端固定，另一端施加拉力，直到样品折断；记录施加的力并转换相应的拉伸应力。使用自制的崩解仪测定了试样的崩解特性，该仪器由2个气缸组成：外筒可以保持水位恒定；内筒用于悬挂样品的浮动筒。试验过程中，浸入水中的样品逐渐解体，内筒漂浮。因此，可以获得样品浮力的变化，并确定相应的样品崩解质量。

2 护坡时效劣化过程评估

2.1 护坡劣化过程的定量评价

根据研究期间7次获得的激光雷达(LiDAR)数据，对3个试验边坡的侵蚀恶化过程和侵蚀质量进行了量化。图2和表1分别为不同时期不同边坡侵蚀质量的光栅图形和统计数据结果。

a-空白测试斜坡(BTS)； b- 聚丙烯纤维加筋土边坡(SPFS)；c-矿渣粉混合土边坡(SGGS)图2 不同时期边坡侵蚀质量的光栅图形Fig.2 Raster graph of slope erosion quality in different periods

表1 不同时期边坡侵蚀质量Tab.1 Slope erosion quality in different periods

图2和表1表明，在不同时期，BTS的侵蚀质量始终最大，SGGS(T5除外)的侵蚀质量最低。整个研究期间，BTS、SPFS和SGGS的总侵蚀质量分别为4 153.13、2 333.65和2 154.64 g/m2。结果表明，在研究期间，聚丙烯纤维有机材料和矿渣粉无机材料分别减少了43.81%和48.12%的边坡侵蚀质量。且矿渣粉无机材料在早期T1～T4表现出更好的保护性能。因此，本研究中使用的2种护坡材料可以有效地提高黄土边坡的抗侵蚀性。

2.2 护坡劣化过程中的时空变化

护坡材料的劣化状态在不同时期差异显著，即时间依赖性劣化。图3为3个边坡在不同时期的侵蚀质量(E)和平均有效降雨强度(I)。其中E/I是侵蚀质量除以有效降雨的平均强度，表示边坡的劣化程度[14]。

(a)不同防护材料作用下边坡侵蚀质量的变化

(b)不同防护材料的防护效果随使用时间变化效果图3 护坡材料的劣化状态Fig.3 Deterioration ofslope protection materials

从图3(a)可以看出，在研究期间，3个斜坡的侵蚀质量总体变化趋势相对一致。T1～T3期间降雨强度较低，侵蚀质量较小；随着T4～T6期间降雨强度的增加，护坡材料表现出明显的退化，侵蚀质量急剧增加。特别是在降雨集中期T5，3个试验边坡的相应侵蚀质量均达到最大值，在整个研究期间，BTS、SPFS和SGGS的侵蚀质量分别占总侵蚀质量的34%、31%和40%。3个边坡的E/I之间的相关系数分别达到0.92、0.97和0.94，表明降雨在影响边坡防护材料侵蚀恶化方面起主导作用。同时，从图3(b)可以看出，2种保护材料在时间依赖性劣化过程中存在一些差异。在初始观察期内，GGS的保护效果略好于PFS；然而，随着使用时间的增加，这种优势降低甚至消失，证明了2种材料本身性能的差异。

2.3 边坡土壤含水量的时空分布

土壤含水量的空间分布与坡面侵蚀程度之间的关系可以为分析坡面水对坡面侵蚀的影响提供依据。在本研究中，监测了试验边坡的土壤含水量；但是，考虑到传感器在低温下的不良灵敏度，因此将冬季期间的观测数据，特别是2021年12月至2022年2月的观测数据未纳入本分析。为了更合理地比较不同坡段的水条件，并使数据更具代表性[15-17]，在随后的分析中使用了给定坡段的4个不同深度10、25、40和60 cm的平均含水量。

研究期间，BTS、SPFS和SGGS不同坡段平均含水量变化结果如图4所示。

图4 边坡不同坡段平均含水量变化规律Fig.4 Variationlaw of average water content of different slope sections

从图4可以看出，下斜坡的平均含水量通常比上斜坡高3.4%～7.0%。这主要受降雨径流和重力势的影响所致。

为了评价不同坡段土壤含水量的波动程度，本文引入峰谷差(V)的平均值，并按照式(1)计算，计算结果如表2所示。

表2 不同坡段土壤含水量和峰谷差平均值Tab.2 Average value of soil water content and peak-valley difference in different slope sections

(1)

式中：Mn和mn分别表示第nth次有效降雨事件期间某一斜坡段平均含水量的峰值和谷值；n表示有效降雨事件的累积次数。

峰谷差(V)的定义表明，V值越大，土壤含水量波动越大[18]。SPFS和SGGS不同坡度段的V值始终低于BTS的V值，表明与DTS相比，SPFS和SG的含水量波动较低。此外，较低坡段的含水量波动较大，尤其是在降雨集中期。结果表明，与其他坡段相比，较低坡段的土壤受气候因素(如降雨和蒸发)的影响更为明显和直接。较低边坡的较高持水能力和较大的水波动将更容易削弱防护材料的抗侵蚀能力，并使较低边坡更容易受到侵蚀破坏，同时受到更强的冲刷作用。

2.4 护坡材料的劣化测试

本研究采用室内实验室干湿循环试验，研究了2种护坡材料(PFS、GGS)力学参数的演变过程。内聚力(c)、内摩擦角(φ)、抗拉强度(σt)和不同干湿循环次数下护坡材料的崩解率(v)，并得到了含水量对护坡材料力学参数的影响；测试结果如图5所示。

图5 干湿循环对护坡材料性能的影响Fig.5 Effect of dry and wet cycles on the properties of slope protection materials

3 讨论

从图3可以看出，本研究中使用的2种材料的剪切强度参数：内聚力(c)和内摩擦角(φ)，其随干湿循环次数而变化，具体结果 如图5(a)、(b)所示。2种材料的抗剪强度参数随着干湿循环次数的增加而恶化，当含水量从10%增至15%，再到20%时，劣化程度加剧。然而，随着干湿循环次数的增加，2种材料的抗剪强度参数变化不同。GGS材料的抗剪强度参数最初优于PFS材料，但在4次干湿循环后均显著降低，然后逐渐变差于PFS。经过16次干湿循环后，含水量分别在10%、15%和20%条件下，PFS材料的内聚力和内摩擦角分别降低了21.3%和8.9%；而GGS材料分别降低了55.8%和21.7%。这意味着在长期干湿循环下，GGS的抗剪切性能比PFS材料差。

从图5(c)可以看出，2种材料的抗拉强度近似线性下降，在不同含水率条件下的变化曲线几乎平行。同时还可以发现，在相同条件下，PFS材料的抗拉强度普遍优于GGS材料。这是因为纤维有机材料可以约束土颗粒的运动，加强各土体部位之间的关联，从而缓解拉伸应力条件下的局部应力集中情况。对于GGS材料，其较低的抗拉强度可以解释现场边坡保护试验中网状裂纹现象。这些网状裂缝可以为雨水提供更好的渗透空间[19]，因此容易导致严重的侵蚀破坏，甚至导致坡面整体断裂。

从图5(d)可以看出，干湿循环试验下2种材料的崩解速率变化情况。崩解试验表明，2种材料的崩解速率均随干湿循环次数的增加呈增加趋势。然而，GGS材料的崩解速率非常小，远低于PFS材料，这表明干湿循环对GGS材料抗崩解性的影响很小。崩解试验还表明，PFS材料颗粒在水中快速分离，使水浑浊；而残余样品分散并堆积在崩解试验中使用的网格框架上。对于GGS材料的崩解试验，水始终是清澈的，表明残余样品在一定程度上是未破裂的[20]。因此，干湿循环下的崩解试验表明，GGS材料的抗崩解性远优于PFS材料，且PFS材料更容易受到水侵蚀破坏。

4 结语

本文对有机材料聚丙烯纤维和无机材料矿渣粉2种生态保护材料进行了原位护坡试验，定量评价了典型裸边坡的侵蚀劣化过程及其时空特征。本研究不仅将为边坡生态保护材料的评价和改进提供实证参考和理论支持，也有助于黄土区生态保护效果的推广。

(1)基于激光雷达的方法可以有效捕获护坡材料的劣化过程。聚丙烯纤维矿渣粉材料均能对试验边坡产生较好的保护效果，研究期间侵蚀质量分别降低了43.81%和48.12%。矿渣粉材料在初始阶段略好于聚丙烯纤维材料；

(2)在降雨和材料性质的综合影响下，护坡材料出现了不同的劣化情况。冲刷侵蚀主要在聚丙烯纤维材料中观察到；而在矿渣粉材料中观察到表面剥落。2种材料的侵蚀沿边坡向下呈不同的逐步增长。干湿循环试验表明，聚丙烯纤维材料抗崩解性的快速衰减是导致2种材料劣化的主要原因；

(3)结合矿渣粉和聚丙烯纤维的优点，将提高护坡材料的长期力学性能和抗冲刷性能，从而提高其在护坡方面的综合性能。同时，辅以生态干预(如增加边坡植被盖度)和边坡截留排水优化，可以进一步增强边坡保护效果。