生態(tài)袋纖維結(jié)構(gòu)及透水性能研究

劉鴻鵠 張文利 楊春和 周成云

（1、貴州省畢節(jié)公路管理局,貴州 畢節(jié) 551700 2、貴州理工學(xué)院,貴州 貴陽 550003 3、貴州省納雍公路管理段,貴州 畢節(jié) 553300）

1 概述

在公路邊坡修筑中，減少對(duì)自然環(huán)境的破壞，使坡面與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)成為當(dāng)前護(hù)坡設(shè)計(jì)需要考慮的重要因素[1-2]。生態(tài)袋是一種由聚丙烯或者聚酯纖維為原材料制成的雙面熨燙針刺無紡布加工而成的土工袋，一般配合工程連接扣使用，不但能夠獲得較好的穩(wěn)定性，同時(shí)還能與植物防護(hù)協(xié)同使用，是一種綠色的護(hù)坡技術(shù)。

相對(duì)于傳統(tǒng)的圬工結(jié)構(gòu)護(hù)坡，由于生態(tài)具有透水不透砂土的特點(diǎn)，待袋中植被生長(zhǎng)出后，植物根系能夠進(jìn)一步對(duì)生態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定和加固，且更為美觀，與周圍自然環(huán)境具有更好的協(xié)調(diào)性。

目前，生態(tài)袋主要應(yīng)用于城市建筑、水利工程、公路和城市道路等護(hù)坡，一些研究者也針對(duì)生態(tài)袋護(hù)坡展開了一些應(yīng)用與研究。黎文海等對(duì)生態(tài)袋護(hù)坡的施工工藝進(jìn)行了研究，并提出了針對(duì)山區(qū)高邊坡采用生態(tài)袋技術(shù)進(jìn)行防護(hù)的施工工藝要點(diǎn)和安全保障措施[3]。陳文學(xué)等采用量綱分析方法提出了生態(tài)袋護(hù)坡在波浪作用下,生態(tài)袋內(nèi)土壤顆粒損失的計(jì)算公式，并利用試驗(yàn)方法分析了生態(tài)袋護(hù)坡在波浪作用下的損失規(guī)律[4]。鐘吉祥通過對(duì)某礦區(qū)水土流失及滑坡體形成原因分析，研究了生態(tài)袋用于礦區(qū)邊坡防護(hù)的適用性，并認(rèn)為在礦區(qū)利用生態(tài)進(jìn)行坡面處治，不但可以使邊坡具有較好的防沖刷性能，同時(shí)也能在一定程度上修復(fù)礦區(qū)開采對(duì)自然環(huán)境的破壞[5]。這些研究成果均證明了采用生態(tài)袋技術(shù)進(jìn)行坡面防護(hù)的可行性，同時(shí)也從不同角度探明了生態(tài)袋用于坡面防護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)。然而，已有的研究成果多集中在生態(tài)袋坡面防護(hù)的適用性、施工工藝、耐久性等方面，尚缺少針對(duì)生態(tài)袋顯微特點(diǎn)及與水的浸潤(rùn)特性方面的研究成果。

本文以3 種生態(tài)袋和2 種土工袋為研究對(duì)象，分別采用熒光顯微鏡對(duì)生態(tài)袋的袋體纖維進(jìn)行了成像，采用接觸角測(cè)定儀對(duì)生態(tài)袋與水滴的接觸角進(jìn)行了測(cè)試，基于此對(duì)生態(tài)袋的纖維結(jié)構(gòu)和透水性能展開了研究，并采用恒水頭滲透性試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 生態(tài)袋纖維特點(diǎn)

本文選擇2 種土工袋和3 種生態(tài)袋為試驗(yàn)對(duì)象，分別記作土工袋1、土工袋2、生態(tài)袋1、生態(tài)袋2 和生態(tài)袋3，并從5 種試驗(yàn)上分別裁剪出試樣用于試驗(yàn)研究，如圖1 所示。

圖1 生態(tài)袋和土工袋試件

試驗(yàn)采用FR-4A 科研級(jí)三目落射熒光顯微鏡對(duì)5 種試驗(yàn)進(jìn)行熒光顯微成像，并采用顯微鏡相機(jī)對(duì)電子圖像進(jìn)行了采集。熒光顯微鏡工作原理是利用一個(gè)高發(fā)光效率的點(diǎn)光源，經(jīng)過濾色系統(tǒng)發(fā)出一定波長(zhǎng)的光（如紫外光）作為激發(fā)光、激發(fā)標(biāo)本內(nèi)的熒光物質(zhì)發(fā)射出各種不同顏色的熒光后，再通過物鏡和目鏡的放大進(jìn)行觀察[6]。

在試驗(yàn)過程中，由于每種試樣的透光度不同，需要根據(jù)各試樣的透光度調(diào)整光源亮度，直至產(chǎn)生清晰的圖像。本文采用的放大倍數(shù)分別為40 倍、100 倍和400 倍，所獲得了熒光顯微圖像如圖2～圖6 所示。

從圖2～圖6 可以看出，生態(tài)袋的構(gòu)成纖維明顯比土工袋纖維致密。已有研究表明，土工織物的纖維密度是影響其強(qiáng)度的重要因素[7]，更高的纖維密度可以有效增強(qiáng)袋體的強(qiáng)度，提升袋體的耐久性。此外，更為密實(shí)的纖維結(jié)構(gòu)也可以避免袋中的土顆粒透過，但又不至于阻絕水分的滲透。三種生態(tài)袋中，生態(tài)袋2 的纖維結(jié)構(gòu)最為密實(shí)，表明生態(tài)袋2 具有更高的袋體強(qiáng)度。此外，從放大400 倍后的熒光顯微圖像可以看出，生態(tài)袋纖維的寬度略粗于土工袋，這也是生態(tài)袋具有更高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要原因。

圖2 土工袋1 熒光顯微圖像

圖3 土工袋2 熒光顯微圖像

圖4 生態(tài)袋1 熒光顯微圖像

圖5 生態(tài)袋2 熒光顯微圖像

圖6 生態(tài)袋3 熒光顯微圖像

3 生態(tài)袋的力學(xué)性能

生態(tài)袋力學(xué)性能是影響其防護(hù)功能和耐久性的重要因素。本研究采用《土工合成材料寬條拉伸試驗(yàn)方法》（GB/T 15788-2017）的方法對(duì)2 種土工袋和3 種生態(tài)袋的縱向和橫向斷裂強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，采用《土工合成材料 靜態(tài)頂破試驗(yàn)(CBR 法)》（GB/T 14800）的方法對(duì)2 種土工袋和3 種生態(tài)袋的CBR 頂破強(qiáng)力進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表1 所示。

從表1 可以看出，三種生態(tài)袋的各項(xiàng)力學(xué)性能均優(yōu)于土工袋，這與第2 節(jié)的分析結(jié)果一致，即更高的纖維密度可以有效增強(qiáng)袋體的強(qiáng)度。

表1 各試件力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

4 生態(tài)袋的透水性能

4.1 水對(duì)生態(tài)袋的浸潤(rùn)性

透水性是采用生態(tài)袋進(jìn)行坡面防護(hù)的一大優(yōu)勢(shì)，是透水不透砂土的，這就需要生態(tài)袋對(duì)水具有較好的滲透性。在水對(duì)生態(tài)袋袋體的滲透過程中，水分對(duì)袋體進(jìn)行浸潤(rùn)是滲透出袋體的先決條件。

本文采用接觸角參數(shù)對(duì)5 種試件與水的結(jié)合能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。一般認(rèn)為，當(dāng)固液接觸角小于90°時(shí)，液體可以浸潤(rùn)固體表面，當(dāng)固液接觸角大于90°時(shí)，則液體不能浸潤(rùn)固體表面[8-9]。本文采用承德優(yōu)特檢測(cè)儀器制造有限公司生產(chǎn)的JY-PHB 型接觸角測(cè)定儀對(duì)水和5 種試樣的接觸角進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試時(shí)，首先，將剪切好的試件鋪展在接觸角測(cè)定儀載物臺(tái)上，并用玻璃片按壓平整；其次，采用滴定器將約5 微升水滴至試件表面，并在試件表面形成液滴；再次，調(diào)整接觸角測(cè)定儀的光源和焦距，使成像清晰，繼而分別獲取5 種試件與水滴的接觸角圖像；最后，利用JYPHB 型接觸角測(cè)定儀自帶的分析軟件，采用切線法分別求取液滴的左、右接觸角，如圖7 所示，以左右接觸角的平均值作為水與該試件的接觸角度，結(jié)果如表2 所示。

圖7 接觸角圖像

測(cè)量過程中，生態(tài)袋1 具有極強(qiáng)的透水性，無法在其表面形成水滴，因此未測(cè)得其與水滴的接觸角度。從表2可以看出，三種生態(tài)袋與水滴的接觸角度均小于90°，而兩類土工袋與水滴的接觸角均大于90，即水無法浸潤(rùn)其表面。因此，土工袋在使用過程中，袋中積水無法對(duì)袋體進(jìn)行浸潤(rùn)，從而難以滲透出袋體，會(huì)在袋體和護(hù)坡內(nèi)部形成積水，并產(chǎn)生水壓力。當(dāng)水壓力增大至一定程度后，將會(huì)使堆砌的護(hù)坡失穩(wěn)垮塌。在三種生態(tài)袋中，生態(tài)袋1 具有最好的透水性能，生態(tài)袋2 次之。

表2 各試件與水的接觸角測(cè)試結(jié)果

4.2 恒水頭滲透性

為更直接評(píng)價(jià)水對(duì)生態(tài)袋袋體的滲透性，參照土工織物的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，水對(duì)土工織物的滲透性可采用垂直滲透系數(shù)、透水率等參數(shù)進(jìn)行表征[10-11]。其中，垂直滲透系數(shù)可定義為在單位水力梯度下垂直于土工織物平面流動(dòng)的水的流速，透水率可定義為垂直于土工織物平面流動(dòng)的水，在水位差等于1 時(shí)的滲透流速。本文采用《公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》T 1141-2006 垂直滲透性能試驗(yàn)（恒水頭法）對(duì)5 種試件的恒水頭滲透性能進(jìn)行了測(cè)試，并計(jì)算了透水率。結(jié)果如表3 所示。從表3 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：生態(tài)袋的透水率顯著大于土工袋，且生態(tài)袋1 的滲透系數(shù)和透水率均顯著高于其他四種試件，生態(tài)袋2 的透水率略高于生態(tài)袋3，這與2.1 節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果一致。

表3 各試件的恒水頭滲透性試驗(yàn)結(jié)果

綜合以上生態(tài)袋透水性能測(cè)試結(jié)果可知，水對(duì)生態(tài)袋和土工袋袋體進(jìn)行滲透的先決條件是水對(duì)袋體材料的浸潤(rùn)，這一過程可采用接觸角試驗(yàn)進(jìn)行表征，接觸角越小，則袋體材料與水的浸潤(rùn)性越好，相應(yīng)的滲透性也越好。

5 結(jié)論

本文以3 種生態(tài)袋和2 種土工袋為研究對(duì)象，對(duì)生態(tài)袋的纖維結(jié)構(gòu)和透水特性展開了研究，取得了如下主要結(jié)論：

5.1 生態(tài)袋的構(gòu)成纖維明顯比土工袋纖維致密，有利于生態(tài)袋袋體形成較好的強(qiáng)度，且可以阻絕袋中的砂土顆粒透出。

5.2 水對(duì)生態(tài)袋和土工袋袋體進(jìn)行滲透的先決條件是水對(duì)袋體材料的浸潤(rùn)，這一過程可采用接觸角試驗(yàn)進(jìn)行表征，接觸角越小，則袋體材料與水的浸潤(rùn)性越好，相應(yīng)的滲透性也越好。

5.3 三種生態(tài)袋中，生態(tài)袋2 具有更高的纖維密度，而生態(tài)袋1 具有更好的透水性能。