膨脹土邊坡土工膜防護(hù)方案試驗(yàn)研究

袁俊平，韓春雷，丁　巍，王強(qiáng)林，盧艷平

(1.河海大學(xué)　巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇　南京　210098；2.河海大學(xué)　巖土工程研究所，

江蘇　南京　210098)

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膨脹土邊坡土工膜防護(hù)方案試驗(yàn)研究

袁俊平1,2，韓春雷1,2，丁巍1,2，王強(qiáng)林1,2，盧艷平1,2

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098；2.河海大學(xué)巖土工程研究所，

江蘇南京210098)

摘要：為了進(jìn)一步研究采用土工膜防護(hù)方案的膨脹土邊坡在降雨和蒸發(fā)過(guò)程中水分分布規(guī)律，驗(yàn)證土工膜防護(hù)方案的可行性，進(jìn)行土工膜防護(hù)方案的室內(nèi)模型槽試驗(yàn)，在人工條件下對(duì)膨脹土邊坡進(jìn)行降雨和蒸發(fā)的若干次循環(huán)，并測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中模型邊坡不同深度含水率的變化。結(jié)果表明：土工膜在降雨過(guò)程中阻礙了雨水入滲膜下土體，使得膜下土體保持較低含水率，在土水特征曲線上對(duì)應(yīng)較高吸力，這將使土的有效應(yīng)力增加，增強(qiáng)了邊坡的穩(wěn)定性；坡頂土工膜覆蓋在7～10m范圍時(shí)，邊坡邊緣及其下部土體能夠不受雨水入滲和蒸發(fā)的干擾，始終保持較高吸力狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：膨脹土邊坡；土工膜；干濕循環(huán)；模型槽試驗(yàn)

膨脹土含有大量的蒙脫石和伊利石，是工程界普遍認(rèn)為的一種難對(duì)付的土。在膨脹土地區(qū)建設(shè)的渠坡和公路鐵路邊坡發(fā)生過(guò)許多滑坡現(xiàn)象[2-5]。由于膨脹土滑坡具有平緩性和淺層性的特點(diǎn)，以往加固一般土質(zhì)邊坡的方法很難運(yùn)用到膨脹土邊坡處理當(dāng)中，膨脹土邊坡的加固方法應(yīng)緊密結(jié)合膨脹土邊坡的破壞機(jī)理，主要針對(duì)膨脹土的裂隙性、脹縮性和吸水軟化等特性[6-7]。殷宗澤提出用土工膜覆蓋的方法來(lái)加固膨脹土邊坡；吳珺華使用Geostudio軟件的VADOSE/W和SLOPE/W模塊分析了膨脹土邊坡的土工膜防護(hù)方案，結(jié)果表明，有膜覆蓋的膨脹土邊坡其穩(wěn)定安全系數(shù)明顯大于無(wú)膜覆蓋的情況。以往的研究工作從不同方面證明了土工膜防護(hù)方案對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性的提高，土工膜在坡后的鋪設(shè)范圍也被提及，但只是給出了大概估計(jì)，沒(méi)有就此問(wèn)題做詳細(xì)討論。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了降雨和蒸發(fā)引起的膨脹土邊坡內(nèi)部水分變化規(guī)律，通過(guò)模擬對(duì)比了不同土工膜鋪設(shè)范圍的模擬結(jié)果，并給出了建議值。

1試驗(yàn)方案

1.1　試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)擬在室內(nèi)進(jìn)行，在長(zhǎng)方體模型槽中填筑膨脹土，然后削土成坡。利用人工降雨裝置和紅外線燈模擬自然環(huán)境中膨脹土邊坡受到的降雨和蒸發(fā)，對(duì)邊坡模型進(jìn)行干濕循環(huán)，坡體中分層埋入體積含水率探頭隨時(shí)量測(cè)坡體中不同深度的體積含水率變化。

試驗(yàn)采用針孔降雨裝置，長(zhǎng)方體降雨槽底面鉆孔孔徑1mm，所產(chǎn)生的雨滴直徑為2～3mm，用馬氏瓶對(duì)其供水。降雨強(qiáng)度控制為中雨強(qiáng)度，1h降雨量2.6～8mm，降雨槽底面距離坡頂1.5m。

室內(nèi)利用紅外線燈對(duì)邊坡進(jìn)行人工控制干燥，紅外線燈距離土體50cm，每個(gè)紅外線燈的功率為275w，調(diào)整四個(gè)燈的相對(duì)位置使邊坡均勻受熱，土體表面溫度控制在36℃左右。

向模型槽填土過(guò)程中將傳感器埋入土體中，如圖1所示，在5個(gè)不同深度分別埋入含水率探頭。為確保探頭與土接觸良好，要首先用膨脹土泥漿包裹傳感器探頭，再將其埋入土體中，輕輕壓實(shí)。

1.2　土和土工膜基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)用土取自河南淅川南水北調(diào)中線渠段，自由膨脹率79%～91%，屬?gòu)?qiáng)膨脹土，液限為45%，塑性為21，而根據(jù)塑性判定該膨脹土屬弱膨脹土，綜合判定從淅川段取回的膨脹土屬于中、強(qiáng)膨脹土。

選用的復(fù)合土工膜規(guī)格為576g/m2，厚度2mm，滲透系數(shù)1×10-11cm/s，斷裂強(qiáng)度14kN/m，頂破強(qiáng)度2.8kN，撕破強(qiáng)度0.4kN，耐靜水壓力0.6MPa。

1.3　試驗(yàn)步驟

(1)填筑土坡，鋪設(shè)土工膜，預(yù)埋體積含水率探頭。將土料風(fēng)干、碾碎，過(guò)5mm篩，配制23%含水率，按干密度1.41g/cm3分層向模型槽中填土擊實(shí)；填土過(guò)程中在距坡頂25cm處鋪設(shè)復(fù)合土工膜，覆蓋整個(gè)坡體截面，并延伸到其下部坡面將坡面覆蓋，防止雨水經(jīng)坡面滲入土工膜以下坡體；在距離坡頂5、10、15、20和30cm深度預(yù)埋體積含水率探頭，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)膜上和膜下土體中體積含水率變化情況；待削坡完畢靜置24h，測(cè)量邊坡各位置初始體積含水率。

(2)安裝調(diào)試降雨裝置，開(kāi)始降雨，控制雨強(qiáng)為中雨強(qiáng)度持續(xù)降雨1h，靜置12h，使雨水充分下滲。

(3)開(kāi)啟紅外線燈對(duì)坡頂和坡面強(qiáng)光照射，模擬自然環(huán)境的蒸發(fā)過(guò)程，該過(guò)程持續(xù)12h。

(4)重復(fù)步驟(2)、(3)，對(duì)膨脹土邊坡進(jìn)行5次干濕循環(huán)，期間每隔1h讀取一次坡體各層土的體積含水率值。

2結(jié)果與分析

圖2是干濕循環(huán)過(guò)程中坡體不同深度體積含水率隨時(shí)間變化的關(guān)系。圖中虛線表示降雨開(kāi)始的時(shí)刻，降雨時(shí)間持續(xù)1h，兩次降雨間隔24h。從圖中可以看出，第一次降雨后，土中各位置體積含水率沒(méi)有立即增長(zhǎng)，只有深度5cm處的土體在經(jīng)過(guò)5h后體積含水率明顯增加，說(shuō)明初始狀態(tài)土中沒(méi)有裂隙情況下，膨脹土保持低滲性；經(jīng)過(guò)第一個(gè)干濕循環(huán)，坡頂和坡面均產(chǎn)生許多不規(guī)則裂隙，從含水率監(jiān)測(cè)結(jié)果上看，在5、10、15及20cm深度，土體在隨后的歷次干濕循環(huán)中監(jiān)測(cè)值波動(dòng)越來(lái)越大，裂隙發(fā)育逐漸完全，使雨水頻繁進(jìn)出土體；30cm深度土體由于有土工膜覆蓋，前兩個(gè)干濕循環(huán)過(guò)程其含水率幾乎沒(méi)有增長(zhǎng)，土工膜發(fā)揮了其防滲作用；但在后來(lái)的三次降雨中其含水率都迅速變大，這是由于土工膜以上土體經(jīng)過(guò)數(shù)次脹縮變形，與剛性的模型槽之間產(chǎn)生空隙，雨水通過(guò)這些空隙進(jìn)入膜下土體。由于土工膜阻礙了膜下土體中水分蒸發(fā)，膜下受到雨水浸入大于蒸發(fā)，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加總體呈增大趨勢(shì)。

圖3表示出了每次降雨結(jié)束時(shí)刻邊坡中不同深度的體積含水率。第一次降雨后，與初始狀態(tài)含水率相比各位置體積含水率幾乎沒(méi)有變化，只有距坡頂5cm的地方有潤(rùn)濕現(xiàn)象；第二次降雨后距坡頂5cm處土體含水率猛增，第一次強(qiáng)光蒸發(fā)使得裂隙開(kāi)展到這一深度，雨水沿著裂隙進(jìn)入該深度土體，該深度以下土體受影響不大；第三次降雨10cm和15cm深度含水率達(dá)到最大，20cm深度也有明顯增長(zhǎng)，說(shuō)明第二次強(qiáng)光蒸發(fā)使得裂隙開(kāi)展到了該位置，裂隙深度大約在15～20cm之間；第四、第五次降雨后，并沒(méi)有等到20cm深度飽和，30cm深度的含水率即突然增大，如上文所說(shuō)的，雨水沿著土體和模型槽間的空隙進(jìn)入土工膜下伏土體，雨水繞過(guò)了土工膜而并沒(méi)有穿過(guò)它。

土工膜上下各一層土工布，中間夾一層防滲隔膜，具有很好的防滲作用，且具有一定強(qiáng)度。在邊坡坡面防護(hù)中，能起到很好的防滲效果，在試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)土工膜的檢查并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)因膨脹土土體變形而產(chǎn)生撕裂破壞或防滲效果降低，因此可以采用土工膜作為膨脹土邊坡的防護(hù)材料，達(dá)到加固邊坡的目的。在工程應(yīng)用中要做好土工膜相互搭接，防止雨水繞過(guò)土工膜滲入下伏土體。與之相應(yīng)的應(yīng)考慮坡后土工膜鋪設(shè)范圍對(duì)邊坡土體含水率變化的影響，防止降水從坡后繞過(guò)土工膜對(duì)邊坡內(nèi)部含水率產(chǎn)生影響，為此本文進(jìn)行了相關(guān)數(shù)值模擬。

3數(shù)值模擬

本文采用VADOSE/W有限元程序進(jìn)行相關(guān)模擬，該程序能夠考慮降雨、地表水入滲、地下水、地表蒸發(fā)和植被蒸騰作用等各種自然環(huán)境因素。

所建立的有限元邊坡模型如圖4所示，邊坡為均質(zhì)土坡，長(zhǎng)65m，坡頂高26m，坡腳高16m，按1:2比例放坡，地表以下1m鋪設(shè)土工膜，厚度2cm，坡腳和坡面全部覆蓋，坡頂延伸長(zhǎng)度分別為5、7和10m。

土水特征曲線反映了體積含水率和基質(zhì)吸力的關(guān)系，圖5由本次實(shí)驗(yàn)所用膨脹土測(cè)得。非飽和滲透系數(shù)隨含水率變化不是一個(gè)常量，實(shí)驗(yàn)室測(cè)量費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以保證結(jié)果準(zhǔn)確，本文采用的滲透函數(shù)曲線是利用VG模型由土水特征曲線推算而來(lái)。

該邊坡模型中，縱坐標(biāo)0～2m高度有2m常水頭作為地下水，地表為水氣交換邊界，底部為不透水邊界，其它邊界為潛在滲流邊界。計(jì)算初始溫度為25℃。計(jì)算分60個(gè)時(shí)步，1天為1時(shí)步，20天為一個(gè)降雨蒸發(fā)循環(huán)，前10天為降雨過(guò)程，后10天為蒸發(fā)過(guò)程，共經(jīng)歷3個(gè)干濕循環(huán)過(guò)程。降雨和蒸發(fā)過(guò)程中環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、降雨量和潛在蒸發(fā)量值見(jiàn)表1。

以復(fù)合土工膜向坡后覆蓋5m長(zhǎng)度為例，圖6為復(fù)合土工膜上0.5m(地表下0.5m深度)和膜以下2m(地表下3m深度)體積含水率和吸力隨時(shí)間變化的情況。從圖上可以看到，膜上土體直接和大氣接觸，受到降雨和蒸發(fā)的直接影響，體積含水率和吸力隨干濕循環(huán)周期變化，起伏很大，總體上隨干濕循環(huán)次數(shù)增加體積含水率增大，吸力降低。復(fù)合土工膜以下2m(地表下3m深處)體積含水率和吸力比較穩(wěn)定。

為了找到土工膜在坡后的最佳覆蓋范圍，調(diào)整了土工膜的覆蓋范圍，對(duì)比不同覆蓋范圍的結(jié)果，如圖7所示。坡后覆蓋范圍分別為5、7和10m，圖中列出了土工膜以下2m深度土體體積含水率和吸力變化。經(jīng)歷第一次降雨以后，覆蓋范圍為5m的情況，體積含水率開(kāi)始增大，吸力降低，即使在蒸發(fā)階段仍然呈體積含水率增大和吸力降低到狀態(tài)，這是由于蒸發(fā)過(guò)程中土工膜起到了隔溫和阻礙水分毛細(xì)運(yùn)動(dòng)的作用，導(dǎo)致水分在土工膜下積聚，制服下伏膨脹土的蒸發(fā)和含水率變化。經(jīng)過(guò)了三次干濕循環(huán)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)覆蓋范圍為10m時(shí)，體積含水率和吸力幾乎不變；當(dāng)覆蓋范圍為7m時(shí)，體積含水率升高，吸力降低，但變化幅度很小，吸力只降低了5kPa；而當(dāng)覆蓋范圍為5m時(shí)，體積含水率和吸力較前兩種情況變化明顯，吸力降低了25kPa，這對(duì)于邊坡安全是不利的。因此，推薦在工程中復(fù)合土工膜在坡后的覆蓋范圍應(yīng)為7～10m。

表1　降雨和蒸發(fā)過(guò)程中的自然環(huán)境條件

4結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了復(fù)合土工膜作為一種不透水材料，在膨脹土邊坡防護(hù)中能發(fā)揮很好的防滲效果，且復(fù)合土工膜上下各有一層土工布，使這種土工膜具有了一定強(qiáng)度，起到了保護(hù)防滲膜的作用。

2)通過(guò)邊坡在不同覆蓋范圍情況下經(jīng)歷降雨蒸發(fā)循環(huán)的有限元模擬，推薦在工程中坡頂土工膜覆蓋范圍應(yīng)在7～10m之間。

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(特約編輯李軍)

Experimentalstudyongeo-membraneprotectionschemeforexpansive

soilslope

YUANJun-ping1,2,HANChun-lei1,2,DINGWei1,2,WANGQiang-lin1,2,LUYan-ping1,2

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforGeomechanicsandEmbankmentEngineering,HohaiUniversity,

JiangsuNanjing210098,China;2.ResearchInstituteofGeotechnicalEngineering,HohaiUniversity,

JiangsuNanjing210098,China)

Abstract：Inordertofurtherstudythewaterdistributionofexpansivesoilslopeprotectedbygeo-membraneprotectionschemeduringrainfallandevaporation,andverifythefeasibilityofgeo-membraneprotectionscheme,laboratorymodeltestforgeo-membraneprotectionprogramisconducted.Maketheexpansivesoilslopemodelgothroughthecycleofartificialrainfallandevaporation,inwhichvolumetricwatercontentprobesareburiedatdifferentdepths,sothatthemoisturecontentatdifferentdepthsintheslopemodelcanbemeasuredatanytime.Theresultsshowthatthegeo-membraneimpederainwaterinfiltratingintosoilunderthegeo-membraneduringwetanddrycycle,whichmakethesoilundergeo-membranemaintainalowermoisturecontentcorrespondingwithahighersuctioninthesoilwatercharacteristiccurve.Thiswillincreasetheeffectivestressofthesoilandthestabilityoftheslope.Inthispaper,todiscussthecoverageofthegeo-membraneatthebackoftheslope,theVADOSE/WmoduleinthefiniteelementsoftwareGeoStudioisusedtosimulateanexpansivesoilsubjectedtorainfallandevaporationcycleinthenatural.Bycomparingthevolumemoisturecontentandsuctioninslopesofdifferentcoverage,itstatesthatwhenthecoverageofgeo-membraneatthebackoftheslopeisbetween7and10meters,soilunderthegeo-membraneattheedgeoftheslopewon’tbeinterferedwithrainfallandevaporationandmaintainsahighsuctionstate.

Keywords：expansivesoilslope;compositegeo-membrane;wet-drycycle;modeltest

中圖分類號(hào)：TU443

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-9469(2015)04-0006-05doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2015.04.002

作者簡(jiǎn)介：袁俊平(1975-)，男，湖北麻城人，博士，副教授，從事非飽和土和堤壩工程方面的研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378008)；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAB10B04)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(B15020060)

收稿日期：2015-08-20