生態袋與河道岸坡土體界面摩擦特性室內試驗研究

李慶斌，高德彬，馬學通

（長安大學地質工程與測繪學院，西安 710054）

0 引 言

隨著城市化的不斷推進，河流污染日趨嚴重，嚴重影響城市生態環境［1］。因此，做好河道整治工作就顯得十分重要。傳統岸坡治理常選用漿砌塊石、混凝土預制塊、現澆混凝土等剛性措施，該類防護具有明顯的封閉僵硬的缺點，強行切斷了水體與岸坡之間的水力聯系，降低了岸坡土體、植物、生物三者之間的連通性［2］，破壞了原有岸坡的生態系統，導致水體無法得到凈化，水質逐步惡化，因此經濟環保的生態袋護坡技術應運而生。生態袋護坡技術具有強度高、耐久性好、工藝簡單、成本低廉、環境友好等優點［3］。目前生態袋護坡技術在河湖岸坡治理中得到廣泛應用，眾多科技工作者對其防護原理、施工工藝、工程應用等方面進行了系統研究，取得了大量研究成果［4-6］。而對生態袋與岸坡界面的摩擦特性研究資料相對較少，生態袋作為護坡體，袋體織物與岸坡土體之間會形成復合體，當復合體受到外力作用時，加固作用主要通過袋土界面的摩擦作用來實現［7，8］，二者之間的摩擦作用對坡體的穩定性和耐久性有較大的影響［9，10］，因此，開展生態袋材與河道岸坡土界面摩擦特性試驗研究具有重要的意義。

目前土工織物與巖土體界面摩擦試驗方法主要有直剪試驗、斜板試驗、拉拔試驗等［11-15］。姜海波等［16］進行了復合土工膜與粗粒料的摩擦特性試驗研究，發現復合土工膜與壩體粗粒料墊層結構面的剪應力-剪應變關系為應變軟化型。田巍巍［17］開展了復合土工膜與砂漿界面直剪摩擦試驗，發現復合土工膜與砂漿界面的摩擦過程在不同階段基本上為黏聚力和滑動摩擦力在發揮作用，且復合土工膜和砂漿的破壞形態為脆性破壞。馬利軍等［18］進行了土工袋材與溝坡土的界面直剪摩擦試驗，發現土與土工布的界面摩擦系數隨含水率的增加先增大后減小，隨著壓實度的增大而增大；摩擦系數與法向應力具有一定的反比關系，并隨著法向應力的增大呈遞減趨勢。周波等［19］進行了排水溝邊坡分層土與土工織物直剪摩擦試驗，發現各層土與土工織物的界面摩擦系數整體上隨著含水率的增加而降低。由上述分析可以看出，當前界面摩擦特性的研究主要集中于土工布、土工膜等材料，而生態袋織物與土的界面摩擦方面的研究比較欠缺，因此，本文進行生態袋材與河道岸坡土界面直剪摩擦試驗，以期為岸坡生態防護的穩定性分析提供基礎依據。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗用土

試驗所用的黏性土與砂土分別為取自灞河下游右岸的一級階地上部的粉質黏土與下部的細砂。取樣經現場密封保存后運回實驗室，之后將土樣使用烘箱烘干并去除雜物，碾碎并過1 mm 篩。依照《土工試驗方法標準》（GB∕T50123-2019）對土樣進行液塑限試驗、擊實試驗和粒度分析試驗，其基本物理性質指標見表1和表2。

表1 黏性土物理力學指標Tab.1 Physical and mechanical indexes of cohesive soils

表2 土的粒度分析Tab.2 Granularity analysis of soil

1.1.2 生態袋

試驗所用生態袋織物為山東德州華翔土工材料有限公司生產的綠色滌丙混紡生態袋，尺寸為80 cm×40 cm，其基本力學參數見表3。

表3 生態袋基本力學參數Tab.3 Basic mechanical parameters of ecological bag

1.2 試驗方法

1.2.1 試樣制備

試驗均采用重塑土試樣，按照擬定的試驗方案將試驗用土分別配置成10%、14%、18%、22%等4 種不同含水率的土料，密封放置24 h，使水分在土料內分布均勻。將同一種含水率的土料制備成干密度分別為1.4、1.5、1.6 g∕cm3的環刀試樣，環刀分為兩種，大環刀61.8 mm×20 mm、小環刀61.8 mm×10 mm，每組各4個，單個試樣稱量精度到0.01 g，濕土的質量計算如下：

式中：M為制樣所需的濕土質量，g；ρd為預設試樣干密度，g∕cm3；V為環刀的體積，cm3；ω為所配置土料的含水率，%。

試驗前要將生態袋織物剪成環刀內壁大小的圓片，試驗時將小環刀試樣（61.8 mm×10 mm）壓入下剪切盒，生態袋織物放置在剪切盒的中間，確保其在剪切面上，最后將大環刀試樣（61.8 mm×20 mm）壓入上剪切盒，進行剪切試驗。環刀試樣和生態袋的放置方法見圖1、圖2。

圖1 環刀試樣Fig.1 Ring cutter sample

圖2 生態袋放置在剪切盒的中間Fig.2 Ecological bag placed in the middle of the shear box

1.2.2 剪切試驗

室內直剪摩擦試驗采用南京土壤儀器廠生產的ZJ 型應變控制式直剪儀，采用不固結不排水快剪試驗，剪切速率為0.8 mm∕min，豎向壓力分別為100、200、300、400 kPa，然后保持豎向壓力不變進行水平剪切，當總變形達到8 mm 時停止試驗。為減小試驗誤差，每個試樣剪切結束均需更換新的生態袋織物，直剪摩擦試驗裝置見圖3。

圖3 直剪摩擦試驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of direct shear friction test device

用摩擦系數描述生態袋織物與岸坡土之間的界面摩擦特性，摩擦系數f按下式進行計算：

式中：τf為抗剪力，kPa；F 為峰值水平推力，kN；A 為試樣面積，m2；σ為法向應力，kPa。

2 試驗結果和分析

2.1 含水率對界面摩擦系數的影響

以黏性土為試驗材料做了不同含水率條件下的生態袋-黏性土界面直剪摩擦試驗，各個法向應力下的界面摩擦系數與含水率的關系曲線見圖4～圖7。由圖可知在不同的法向應力下，當含水率從10%增大到22%時，不同干密度土體界面摩擦系數取值范圍由0.469～0.660 減小至0.314 ～0.412，其變化幅度為21.67%～41.97%，各個干密度土體下的界面摩擦系數都隨著土含水率的增大而減小。這是由于隨著土體含水率的增大，土體在法向荷載作用下發生排水，從而在接觸界面處形成了水膜，有利于界面處的潤滑作用，導致摩擦系數減小。

圖4 100 kPa下界面摩擦系數與含水率關系曲線Fig.4 Curve of interfacial friction coefficient and water content under 100 kPa normal stress

圖5 200 kPa下界面摩擦系數與含水率關系曲線Fig.5 Curve of interfacial friction coefficient and water content under 200 kPa normal stress

圖6 300 kPa下界面摩擦系數與含水率關系曲線Fig.6 Curve of interfacial friction coefficient and water content under 300 kPa normal stress

圖7 400 kPa下界面摩擦系數與含水率關系曲線Fig.7 Curve of interfacial friction coefficient and water content under 400 kPa normal stress

對比各個法向應力下的界面摩擦系數和含水率關系曲線可知，在100 kPa 法向應力下，摩擦系數隨含水率增大而減小的速度先慢后快；法向應力200、300 kPa 時，摩擦系數隨含水率增大而減小的速度相對較平穩；而在400 kPa 法向應力下，摩擦系數減小的速度由快變慢。由此可以看出，在低法向應力作用下，高含水率試樣比低含水率試樣更容易發生排水現象，因此其摩擦系數隨著含水率的增大而呈現先慢后快的降低趨勢，在高法向應力作用下，即使土體含水率較低，仍會發生排水，在界面處形成潤滑水膜，因此摩擦系數變化較為平緩。

2.2 土干密度對界面摩擦系數的影響

土干密度對生態袋-黏性土的界面摩擦系數也存在影響，不同法向應力下界面摩擦系數與土干密度的關系曲線，見圖8～圖11。由圖11 可以看出，在四種法向應力和土體含水率下，生態袋-黏性土界面摩擦系數都隨著土干密度的增大而逐漸增大，土干密度從1.4 g∕cm3增大到1.6 g∕cm3時，不同含水率土體界面摩擦系數取值范圍由0.314～0.541 增大至0.383～0.660，其變化幅度為7.52%～37.00%。這是由于土體的干密度越大，土體顆粒之間的孔隙越小，顆粒排列更加緊密，界面間的咬合力增大，摩擦系數也因此變大。此外，隨著干密度增大，顆粒間的水分減少，結合水增多，自由水減少，被擠壓出來提供潤滑作用的水也將減少，潤滑作用減弱，摩擦系數也會增大。

同時，對比圖8～圖11 還可以發現，在低法向應力下摩擦系數的增大速度是先慢后快，而隨著法向應力逐漸變大，摩擦系數的增大速度逐漸變得均勻，這是因為在低法向應力下，密度小的試樣更易發生排水現象，在界面處形成水膜發生潤滑作用；而在高法向應力下，高密度試樣亦可以發生明顯排水作用，因此摩擦系數隨土干密度增大的速度就較為均勻。此外，含水率22%條件下的摩擦系數隨干密度的變化趨勢在不同的法向應力下有著明顯的差異，在100 kPa 下摩擦系數增大速度先慢后快，在其他壓力下，摩擦系數增大的趨勢十分平緩，這說明含水率22%時在100 kPa和200 kPa之間存在一界限法向應力。

圖8 100 kPa界面摩擦系數與土干密度關系曲線Fig.8 Relationship between interfacial friction coefficient and soil dry density under 100 kPa normal stress

圖9 200 kPa界面摩擦系數與土干密度關系曲線Fig.9 Relationship between interfacial friction coefficient and soil dry density under 200 kPa normal stress

圖10 300 kPa界面摩擦系數與土干密度關系曲線Fig.10 Relationship between interfacial friction coefficient and soil dry density under 300 kPa normal stress

圖11 400 kPa界面摩擦系數與土干密度關系曲線Fig.11 Relationship between interfacial friction coefficient and soil dry density under 400 kPa normal stress

2.3 岸坡土體類型對界面摩擦系數的影響

為了研究岸坡黏性土與砂土對界面摩擦的影響規律，分別做了黏性土與砂土在同一密度下的界面摩擦直剪試驗。其中，密度均控制為1.5 g∕cm3，上下盒土體含水率均控制為10%。試驗結果繪制的抗剪強度曲線見圖12。

圖12 黏性土與砂土界面抗剪強度曲線Fig.12 Shear strength curve of interface between cohesive soil and sandy soil

由圖12 可知，黏性土與砂土在相同含水率和密度控制下，生態袋-黏性土在4 種法向應力下的界面抗剪強度均大于生態袋-砂土的界面抗剪強度。這是因為在相同的干密度下，黏性土顆粒之間的孔隙小于砂土，顆粒排列更加緊密，界面間的咬合力更大；相同含水率下，黏性土土體內的自由水占比小于砂土，在法向應力擠壓下出來的水分更少，界面間的潤滑作用較弱，所以其界面抗剪強度更大。

3 結 論

通過室內小型直剪試驗，探討了生態袋與岸坡土體的含水率、干密度、土體類型等對界面摩擦強度的影響規律，取得以下結論。

（1）在相同的干密度和法向應力下，生態袋-黏性土的界面摩擦系數隨著土體含水率的增大而減小，含水率從10%增大到22%，袋土界面摩擦系數減小了21.67%～41.97%；此外在低法向應力下袋土界面摩擦系數隨含水率增大而減小的速度先慢后快，而在高法向應力下摩擦系數減小的速度比較均勻。

（2）在相同的含水率和法向應力下，生態袋-黏性土界面摩擦系數隨著土干密度的增大而增大，土干密度從1.4 g∕cm3增大到1.6 g∕cm3時，袋土界面摩擦系數增大幅度為7.52%～37.00%。

（3）在含水率、干密度相同的條件下，生態袋-黏性土界面抗剪強度大于生態袋-砂土界面抗剪強度。

在實際的生態袋岸坡防護中，應對岸坡土體進行壓實，可避免其在降雨條件下含水率大幅上升引起的袋土界面摩擦系數的大幅減小，以確保岸坡的穩定性；在對砂土岸坡進行防護時，還要在袋體間使用連接扣以保證岸坡的穩定性。 □