生態袋與粘性土界面摩擦特性試驗研究

馮 峰 蔣希雁 楊尚青 許夢然

(河北建筑工程學院土木工程學院，河北 張家口 075000)

0 引 言

近年來，環境污染和生態破壞的問題受到越來越多的關注，在工程建設中也同樣開始重視環境問題帶來的影響.在傳統的護坡工程中，通常使用混凝土等建材來防護邊坡，隨之帶來的問題是，傳統施工方法的邊坡坡面無法進行植被復綠，造成嚴重的生態破壞.生態袋護坡技術可以有效解決以上問題.生態袋是一種由聚丙烯(PP)或聚酯纖維(PET)為原材料制成的雙面熨燙針刺無紡布加工而成的袋子,具有良好的物理性能,又不受土壤中化學物質的影響,同時又能使植物通過袋體生長[1-2].對此，國內外學者展開了相關的研究，李華翔等[3]基于巖質邊坡研究了生態袋護坡及適用場景,得出了邊坡坡度對生態袋護坡施工的影響以及適種植物的選擇；趙瑞東等[2]提出了用生態加筋護坡技術來穩固石灰巖礦渣堆的方法；張帆等[4]研究了生態袋作為柔性擋土墻的可行性，并針對其進行了理論分析，提出了驗算方法.

以上主要是集中在對生態袋護坡技術的理論研究，但是并沒有考慮到土體力學性質的變化對生態袋與土體之間強度的影響.本文以粘土與生態袋作為研究對象進行了一系列直剪試驗，研究了土體含水率與壓實度的變化對生態袋與土體界面強度的影響.為生態袋護坡的界面作用特性研究提供參考，為生態袋的應用提供一些重要的參考.

1 試驗準備

1.1 試驗材料

試驗選用粘土的基本力學參數見表1.

表1 試樣土的基本力學參數

本試驗選用生態袋為浙江儀征康順土工材料有限公司生產，尺寸規格為81.5×44cm，且通過條帶拉伸試驗測定了生態袋在無側限條件下徑向和緯向的拉伸強度和伸長率，試驗拉伸速率25mm/min，其他相關性能參數見表2.

表2 生態袋基本性能參數

1.2 試驗設備

試驗儀器使用南京泰克奧科技有限公司生產的TKA-DDS-20A型液晶微控中型應變式直剪儀，如圖1所示.該儀器可用于土工模型剪切試驗，儀器上下剪切盒內徑為200×200mm，儀器通過電機驅動水平變速裝置施加均勻荷載，通過電機驅動頂部豎向變速裝置施加法向壓力，并由配套數據采集軟件采集原始數據.

圖1 試驗儀器

2 試驗方案

2.1 試樣制備

將試驗選用的粘性土經過烘干、過篩后，加水配制成含水率分別為8%、12%、16%的土樣備用.按照一般土工試驗方法，在試驗過程中由于法向壓力的作用，生態袋與土體的接觸面會向下凹陷，使實際的剪切破壞并不能如實的發生在生態袋和土體之間，結果不能反應界面強度的特性.因此本試驗中在下剪切盒中用木塊替代粘性土來抵消接觸面的變形[5].按照下剪切盒尺寸制作規格為200mm×200mm×100mm的木塊，將選用的生態袋修剪成200mm的長條，然后把修剪好的生態袋長條固定在木塊上，具體如圖2所示.

2.2 試驗過程

試驗時將固定有生態袋的木塊放入下剪切盒內，放置時使生態袋平整面朝上同時使有生態袋包裹的兩側位于剪切位移的方向.然后將上剪切盒與下剪切盒用銷釘固定，將配制好含水率的粘性土根據控制的壓實度(80%、85%、90%)分三層擊入上剪切盒.

剪切過程中控制剪切速度為0.8mm/min，先后在施加不同的法向壓力50kPa、100kPa、150kPa、200kPa作用下經行水平剪切.儀器每3秒采集一次傳感器數據，然后將實驗結果繪成剪應力τ與剪切位移δ的關系曲線.若τ-δ曲線有峰值點則取峰值點為抗剪強度τf，若無明顯峰值點，則取剪切應變5%對應的剪應力作為抗剪強度τf[5].

3 試驗結果與分析

3.1 實驗結果

在不同壓實度的作用下生態袋與粘性土間的剪切應力-位移關系如圖3～圖5所示，由剪應力-位移曲線，提取不同法向應力對應的抗剪強度，而后以抗剪強度τf法向應力σ為橫坐標，擬合得τf-σ的關系曲線如圖6～圖8所示.根據劉毓氚的對非飽和高液限粘土-土工織物界面剪切特性的研究，定義界面摩擦系數f=tanφ=剪切強度/法向應力，其中φ為界面摩擦角[6].

(a)壓實度80% (b)壓實度85% (c)壓實度90%

(a)壓實度80% (b)壓實度85% (c)壓實度90%

(a)壓實度80% (b)壓實度85% (c)壓實度90%

(a)壓實度80% (b)壓實度85% (c)壓實度90%

(a)壓實度80% (b)壓實度85% (c)壓實度90%

(a)壓實度80% (b)壓實度85% (c)壓實度90%

3.2 結果分析

通過對試驗數據的整理分析，得出了含水率及壓實度對界面剪切特性的影響.由圖6～圖8得出，生態袋與粘性土間摩擦特性服從摩爾-庫倫強度理論.從圖3～圖5可以看出，生態袋與粘性土之間的剪應力隨剪切位移的增加而增大，當剪切位移增大到一定程度后,生態袋與粘性土之間的剪應力趨于穩定，并且剪應力-位移曲線沒有出現峰值和軟化現象.從剪應力與位移τ-δ曲線上可以看出，隨著壓實度的增大,在生態袋與粘性土界面發生較小的相對位移的情況下，界面的剪應力增加相當顯著，剪應力達到穩定時的位移相對減小，這是因為生態袋與粘性土間的剪切力是從生態袋受水平荷載一端向另一端傳遞發揮的，壓實度越大，粘性土與生態袋之間的界面作用越強，從而需要的水平位移也越小;并且生態袋與粘性土之間剪應力趨于穩定時發生的相對位移減小.

由圖6～圖8分別為不同壓實度下對應含水率變化時的τ-σ曲線.可以看出，含水率對生態袋與粘性土界面摩擦系數的影響相對較小.在壓實度為80%時，界面摩擦系數對含水率的變化不敏感，在壓實度為85%的情況下時，隨著含水率的增加界面摩擦系數呈現先下降后上升的趨勢，含水率由8%增加到12%時，界面摩擦系數降低73%，含水量由12%增加到16%時，界面摩擦系數增加15.1%.這表明，在85%壓實度下隨著含水量的增加存在一個最小值，含水量在12%附近時，生態袋與粘性土界面之間的剪切特性的界面摩擦系數最小，粘性土與生態袋界面剪切強度較小.在壓實度90%時，隨著含水率的增加界面摩擦系數顯著下降.這是由于在高壓實度下，生態袋與粘性土的水穩定性較差，這與粘性土浸水軟化特性、含水量增加使生態袋與粘性土界面上含水量富集而增大接觸面潤滑作用.同時，根據有效應力原理，不排水狀態下，接觸面上超靜孔隙水壓力積聚，生態袋與粘性土之間的有效法向應力減小，同樣降低了界面間的摩擦系數.

4 結 論

(1)生態袋與粘性土界面關系也滿足摩爾-庫倫強度理論.界面特性受壓實度度影響顯著，表現為隨著壓實度增大，在生態袋與粘性土之間發生較小相對位移的情況下,界面剪應力增加顯著，并且生態袋與粘性土之間抗剪強度達到峰值的相對位移減小，這對生態袋與粘性土接觸面應力應變關系有直接影響.

(2)在80%壓實度下，含水率對生態袋與粘性土界面特性的影響并不顯著，在85%壓實度下，界面摩擦系數隨著含水量的增加呈現先下降后增加的趨勢,說明界面摩擦系數隨著含水量的增加存在一個最小值，且該值處在粘性土的塑限含水率附近.

(3)在90%壓實度下，摩擦系數隨含水量的增加而顯著降低,這與粘性土水穩性較差表現出的浸水軟化、接觸面上水的富集及潤滑作用，以及不排水狀態下，有效法向應力降低有關.