基于土工网的植草护坡室内模型试验研究

王文博，刘伟璐，郭 飞，乔建刚

（1.沧州交通学院，河北 黄骅 061199；2.河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401；3.北京市政建设集团有限责任公司，北京 100048）

0 引言

强降雨天气导致公路边坡水土流失严重，给公路安全带来极大影响。近年来，国内外诸多学者提出土工网植草边坡防护理论[1-2]。同时，为了提高模拟试验稳定性，减少外界因素对试验的影响，相关学者根据实际影响因素相继设计自主研发的边坡模拟试验装置，以模拟室外条件下的室内边坡降雨冲刷试验。孙萍等[3]设计人工降雨模拟装置，该装置操作方便，降雨均运行良好，但是，装置构件较多，制作复杂。杜婷婷等[4]自行设计室内降雨模拟装置，该装置能够实现不同改良土、降雨强度、降雨历时、坡度等条件下的综合试验，但是该装置尺寸较小，不便于模拟较大尺寸边坡。尹学博[5]设计室内模拟试验装置，该装置将5 cm天然砂铺于低槽下部，可以实现试验土的透水状况与实际相符，但是该装置坡度控制有待于完善。吴谦等[6]提出的室内降雨模拟试验装置配备数字影像实时监测系统与体积含水率采集系统，但是，该装置需要定期添加水，以保证不断降雨。Li等[7]将电脑控制模拟降雨边坡试验装置，自动化程度较高，但是，装置复杂，制作成本较高。卢坤林等[8]提出的抬起式试验装置可以实时监测不同时间节点的边坡土体侵蚀情况。骆汉等[9]提出的模拟试验装置降雨参数可控可调节。程晔等[10]提出的模拟试验装置模拟边坡结实耐用。张永杰等[11]提出的室内降雨模拟试验装置调控方便，模型制作相对复杂，未充分考虑雨量对试验装置的影响。程日盛[12]提出的室内降雨模拟试验装置精准稳定，影响边坡冲刷因素考虑相对较少。现有装置结构比较复杂，装置操作环节较多，影响试验效率。因此，通过实地调研多地公路边坡，结合边坡水土流失的影响因素，设计了符合室外实际降雨情况的室内模拟试验模型，并利用此模型研究了土工网类型对边坡植草生长情况和土工网植草对边坡土体性能的影响，为土工网植草防护应用于公路边坡防护提供了理论依据。

1 试验方案

为研究土工网对植草生长的影响和土工网植草对边坡固土性能影响，以粉质黏土边坡为例，进行了粉质黏土边坡土工网-植草试验、降雨冲刷试验、直剪试验。

1.1 土工网的选用

使用三维网垫（型号EM4）、复合毯、单层网（型号CE111）[13]。3种土工网参数如表1所示。

表1 土工网种类及其参数Tab.1 Parameters and styles of geonets

1.2 降雨强度和历时设定

参考《室外排水设计规范（GB50014—2006）》关于暴雨强度公式编制方法特短历时暴雨强度公式[14]，并且国家将降雨量2.0 mm∕min定为强降雨。冲刷实验设计采用等强度降雨，故通过调节流量计至400 mL∕min，扣除实验时降雨误差和折减计算，设定模拟试验的降雨强度为3 mm∕min。

1.3 边坡土质的选取与测定

由于粉质黏土相对利于植物生长，可减少其他因素对草籽生长的不利影响，因此，选择粉质黏土[15]。利用烘干法测定不同土体含水率，利用室内击实试验测定不同最优含水率。如表2所示。

表2 粉质黏土的物理参数Tab.2 Parameters of the silty clay

利用筛分法测定粉质黏土粒径百分比。如表3所示。

表3 不同粒径颗粒的占比Tab.3 Proportion of different particles for different sizes

1.4 草籽及配合比选取

选用高羊茅、早熟禾、黑麦草为植草试验对象。质量配比为2∶1∶1。

将6个木盒编号1～6，1、4号木盒铺设复合毯，2、5号木盒铺设三维网，3、6号木盒铺设单层网，为了保证植草高度和覆盖度取值均一性，对同种土工网防护的两个盒的植株高度和覆盖度取均值。其中用网格标记法测算植物的覆盖度。利用卷尺测量各木盒内较高的植株高度。

首先在木盒内均匀铺放粉质黏土（厚度3 cm），播撒微量有机质，然后铺设相应土工网，然后将混合种子均匀撒在土工网中间层，最后回填2 cm土体。在植株生长出来前，每天早晚各浇一次水，在生长出来后每3 d浇一次水。前两周每天记录其对应的生长状况，后期可适当减少。待植物生长28 d后，开展模拟降雨冲刷试验和土体直剪试验。试验室植草过程如图1所示。

图1 试验室植草生长过程Fig.1 The grass growth in the laboratory

1.5 模拟边坡降雨试验装置及试验方案

1.5.1 模拟边坡降雨试验装置

考虑设定因素与试验工况较多，为了达到重复试验效果，故采取小型模拟边坡降雨试验装置，该装置主要包括边坡模拟装置、降雨模拟装置、冲刷土收集装置3部分。边坡模拟装置包括可调节钢架支座、上部玻璃槽，在其内部放置一个木盒（净长470 mm×宽290 mm×高50 mm，板厚1.5 cm）用于模拟土质无限边坡，木盒要放置好土体后再放置于玻璃槽内。本试验模拟边坡降雨试验装置如图2所示。

图2 边坡模拟降雨试验装置Fig.2 The equipment of simulating slope and rainfall in the laboratory

1.5.2 模拟边坡降雨冲刷试验方案

1）试验准备

首先调整钢架尾端砝码数量，至所需坡度，然后用刮刀将木盒底部打毛，再喷洒适量水（防止土体覆盖木盒上立即滑落），再均匀铺装土体（厚度为2 cm），铺装土工网，再均匀铺装土体（厚度为2～3 cm），土体厚度总计为5 cm。铺盖一层防水塑料布，调节水管阀门至设定的流量，待流量计读数稳定后，揭下塑料布进行降雨冲刷。

2）降雨冲刷

试验降雨强度为3 mm∕min。在降雨开始后的前15 min内，每隔5 min收集水和泥沙一次，15 min以后每隔15 min收集一次，共进行1 h。试验中若出现土体部分开始滑落，则记录其开始滑落时间，并减小记录的间隔时间直至土体全部滑落，同时观察坡面的土体流失形态，拍照记录试验过程中各个时间节点的试验现象。

3）烘干称重

将收集的水土流失物静置24 h后，用滤纸过滤烘干称量。再改变坡度和土工材料重复进行相关试验。

因此，本次降雨冲刷试验工况如表4所示。

表4 不同边坡模拟工况Tab.4 Different simulated conditions

1.6 直剪试验方案

在冲刷试验完成后，待盒内含水量恢复，剪掉其植株上部，按照《公路土工试验规程（JTG E40-2007）》直剪试验要求，对不同土工网种植盒内的土体取样。采样过程中发现环刀内的植株根数大致为12～15根，裁剪植株使其长度大致在5～8 cm，得知草籽出芽效果相当。故后期数据分析不考虑植物根数对土体抗剪强度的影响，仅对比分析不同土工网材料的植物根系土体和未进行土工材料防护的植物根系土体的抗剪强度。

其中根-土复合体直剪试验过程大致可分为4个部分[16]。

1）首先取根-土样，采用环刀法在进行的种植去根-土复合土试样。将环刀的刀面切入木盒内，然后用相关的锤击物将环刀全部切入土体内部，慢慢移动土样至完整的取出，削去多余部分使试样平整。

2）放上土盒，并插入固定插销。

3）将环刀刃口向上，反放在土盒上，并使环刀顶边嵌入上盒顶面的浅槽中对准孔位。用推土塞将试样轻轻地压入剪切盒中，并依次放上透水石，活塞和传力钢珠。

4）在试验过程中通过不断调整砝码重量，调整垂直压力加压系统，以保证土样的垂直压力，垂直压力σa依次为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。按照规定的试验时间进行相关剪切试验，匀速转动手轮，待3～5 min内测微表读数不再增加乃至减少时，并记录位移数据R。

直剪试验过程如图3所示。

图3 剪切试验Fig.3 Direct shear test

土体抗剪强度计算公式为

式中：τf为土体抗剪强度，kPa；ζ代表应力钢环变形系数，kPa∕0.01 mm；R代表剪切过程中应力钢环百分表的变形值，0.01 mm。

以垂直压力σa为横坐标，单位为kPa；以τf为纵坐标，绘制土体抗剪强度-垂直压力(τf-σa)关系曲线，可近似地用库伦公示表示。库伦公式为

式中：c为直线与纵坐标轴交点的纵坐标为土体黏聚力数值，kPa；tanφ为直线斜率为土体内摩擦角正切值。

2 结果分析

2.1 不同土工网防护边坡植株高度、覆盖度分析

对比、分析不同土工网防护边坡的植株高度、覆盖度，对比结果如图4所示。

图4 3种土工网防护边坡植株高度、覆盖度-生长天数关系Fig.4 Height and coverage of grass-days on the slope protected by three kinds of geonets

如图4所示，对于3种土工网防护边坡，其植株覆盖度发展过程大致相当，植株生长高度有差异。其中单层网防护边坡植株生长较快，达到全部覆盖度所需要的时间较短，因为单层网材料覆盖厚度较小，内部结构相对简单，对植物生长阻挡较小；复合毯、三维网自身材料层数相对较多，厚度相对较大，在生长前期部分植株未能较好生长，在后期植株达到一定生长高度，土工网对其生长影响较小。同时植株在3种材料中生长高度相差较小，表明土工网材料对植株后期生长影响相对较小。

由此可见，3种土工材料对植物的生长影响较小，并且对于有一定厚度的土工网材料，在种植过程中要注意种子的播撒位置，可以减小土工材料对种子生长初期的影响。

2.2 不同土工网防护粉质黏土边坡土体流失分析

2.2.1 不同土工网防护粉质黏土边坡土体流失现象分析

为探究植草对边坡固土性能的影响，以1∶1坡度、粉质黏土边坡为例，分别进行植草与未植草边坡冲刷试验，边坡冲刷现象如图5～图7。

图5 雨水冲刷前3种土工网防护植草边坡情况Fig.5 The phenomenon of the grass slope protected by three kinds of geonets before rainfall

图6 25 min时3种土工网防护植草边坡冲刷情况Fig.6 The phenomenon of soil erosion for the grass slope protected by three kinds of geonets at 25 min

如图5～图7所示，对于相同防护材料，未植草边坡均发生了明显的土体流失，植草边坡的流失面积均小于未植草边坡。在降雨冲刷过程中，植株可以起到阻挡降雨的作用，叶面不仅能够减蚀，而且减少了雨水对边坡的冲刷。首先雨水较多降落在植株叶面，然后在叶面滑落，雨水的冲击势能随之降低，同时随着植株叶子被雨水打散，大多数叶面均贴向坡面，植物与土工网有机结合，减少了坡面水流量，延缓了坡面径流的出现，所以，植草边坡收集装置中的水土流失物相对较少。

图7 25 min时未植草边坡冲刷情况Fig.7 The phenomenon of soil erosion for the non-grass slope protected by three kinds of geonets at 25 min

2.2.2 不同土工网防护粉质黏土边坡土体流失面积分析

对比1∶1坡度、不同土工网防护植草和未植草的边坡土体累积流失量-降雨累积量曲线。对比结果如图8、图9所示。

如图8、图9a）所示，虽然植草边坡仍有一定的土体流失，但是流失量要小于未植草边坡的流失量。并且对于植草防护边坡，单层网流失量最大，三维网次之，复合毯最小。相对于图9a），在降雨后期，植草边坡的土体累积流失量增加量远小于未植草边坡，表明在降雨后期植草可以有效提高边坡固土性能。

图8 不同土工网防护植草边坡土体累积流失量-降雨累积量曲线Fig.8 Accumulated amount of soil erosion-accumulated rainfall curves for the grass slope protected by three kinds of geonets

图9 不同土工网防护未植草边坡土体累积流失量-降雨累积量曲线Fig.9 Accumulated amount of soil erosion-accumulated rainfall curves for the non-grass slope protected by three kinds of geonets

2.3 不同土工网防护粉质黏土边坡土体直剪试验分析

绘制1∶1坡度不同土工网防护粉质黏土边坡土体抗剪强度-垂直压力(τf-σa)关系曲线。如图10所示。

其中，根据直线斜率可得出不同土工网防护边坡土体的内摩擦角正切值（tanφ），根据直线与纵坐标轴的截距，可得出不同土工网防护边坡土体的黏聚力值（c）。如图10所示，复合毯-根系土体黏聚力（c）依次大于单层网，三维网，素土边坡。因为三维网厚度较大，土体根系分布密度较小，如图3a）所示，导致剪切过程中边坡土体易剪切滑移。因为剪切环高度为20 mm[16]，单层网厚度约为2 mm，下层土体厚度约为20 mm，两个剪切环接触位置正好处于单层网部位，所以单层网-根系边坡产生的抗剪切滑移应力一部分来源于土体的抗剪应力，另一部分来源于单层网材料的抗剪应力。而三维网厚度约为15 mm，三维网材料所在位置完全处于上方的剪切环内，三维网-根系边坡产生的抗剪切滑移应力主要来源于土体的抗剪应力，所以单层网-根系边坡抗剪强度值高于三维网-根系。

图10 3种土工网防护植草边坡、未植草边坡土体抗剪强度-垂直压力关系曲线Fig.10 Shear strength-vertical pressure curves for the grass slope and the non-grass slope protected by three kinds of geonets

由此可见，与其他土工材料相比，复合毯材料在增强土体抗剪强度上有较大的优势，该根系复合土体抗剪切强度分布相对均匀，对表层土体保护作用较好。

考虑3种土工网防护植株边坡土体抗剪强度-垂直压力关系均以库伦方程形式表示，所以，将土工网材料厚度作为变量，拟合3种土工网材料防护植株边坡的抗剪强度公式。拟合公式如下：

式中：d为土工网厚度，取值范围为2～23 mm；σa为垂直压力，kPa。

4 结论

1）根据实践调研和相关理论研究，设计室内模拟降雨冲刷试验装置，增加与室外试验的相似性，减少室外试验条件不稳定性、不可重复性。

2）不同土工网材料在不同时期对植株生长影响不同。在生长前期三维网、复合毯对植株有影响，在生长后期3种土工网对植株高度和覆盖度影响较小。

3）得到了不同土工网植草边坡土体黏聚力和内摩擦角变化规律，提出不同土工网厚度、垂直压力与抗剪强度关系，为公路土工网生态防护提供了理论依据，为植物生长提供新参考。