生態(tài)袋與粘性土界面摩擦特性試驗(yàn)研究

馮 峰 蔣希雁 楊尚青 許夢(mèng)然

(河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

近年來，環(huán)境污染和生態(tài)破壞的問題受到越來越多的關(guān)注，在工程建設(shè)中也同樣開始重視環(huán)境問題帶來的影響.在傳統(tǒng)的護(hù)坡工程中，通常使用混凝土等建材來防護(hù)邊坡，隨之帶來的問題是，傳統(tǒng)施工方法的邊坡坡面無法進(jìn)行植被復(fù)綠，造成嚴(yán)重的生態(tài)破壞.生態(tài)袋護(hù)坡技術(shù)可以有效解決以上問題.生態(tài)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(xué)物質(zhì)的影響,同時(shí)又能使植物通過袋體生長[1-2].對(duì)此，國內(nèi)外學(xué)者展開了相關(guān)的研究，李華翔等[3]基于巖質(zhì)邊坡研究了生態(tài)袋護(hù)坡及適用場景,得出了邊坡坡度對(duì)生態(tài)袋護(hù)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(tài)加筋護(hù)坡技術(shù)來穩(wěn)固石灰?guī)r礦渣堆的方法；張帆等[4]研究了生態(tài)袋作為柔性擋土墻的可行性，并針對(duì)其進(jìn)行了理論分析，提出了驗(yàn)算方法.

以上主要是集中在對(duì)生態(tài)袋護(hù)坡技術(shù)的理論研究，但是并沒有考慮到土體力學(xué)性質(zhì)的變化對(duì)生態(tài)袋與土體之間強(qiáng)度的影響.本文以粘土與生態(tài)袋作為研究對(duì)象進(jìn)行了一系列直剪試驗(yàn)，研究了土體含水率與壓實(shí)度的變化對(duì)生態(tài)袋與土體界面強(qiáng)度的影響.為生態(tài)袋護(hù)坡的界面作用特性研究提供參考，為生態(tài)袋的應(yīng)用提供一些重要的參考.

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用粘土的基本力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 試樣土的基本力學(xué)參數(shù)

本試驗(yàn)選用生態(tài)袋為浙江儀征康順土工材料有限公司生產(chǎn)，尺寸規(guī)格為81.5×44cm，且通過條帶拉伸試驗(yàn)測定了生態(tài)袋在無側(cè)限條件下徑向和緯向的拉伸強(qiáng)度和伸長率，試驗(yàn)拉伸速率25mm/min，其他相關(guān)性能參數(shù)見表2.

表2 生態(tài)袋基本性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)儀器使用南京泰克奧科技有限公司生產(chǎn)的TKA-DDS-20A型液晶微控中型應(yīng)變式直剪儀，如圖1所示.該儀器可用于土工模型剪切試驗(yàn)，儀器上下剪切盒內(nèi)徑為200×200mm，儀器通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)水平變速裝置施加均勻荷載，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)頂部豎向變速裝置施加法向壓力，并由配套數(shù)據(jù)采集軟件采集原始數(shù)據(jù).

圖1 試驗(yàn)儀器

2 試驗(yàn)方案

2.1 試樣制備

將試驗(yàn)選用的粘性土經(jīng)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(yàn)方法，在試驗(yàn)過程中由于法向壓力的作用，生態(tài)袋與土體的接觸面會(huì)向下凹陷，使實(shí)際的剪切破壞并不能如實(shí)的發(fā)生在生態(tài)袋和土體之間，結(jié)果不能反應(yīng)界面強(qiáng)度的特性.因此本試驗(yàn)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(guī)格為200mm×200mm×100mm的木塊，將選用的生態(tài)袋修剪成200mm的長條，然后把修剪好的生態(tài)袋長條固定在木塊上，具體如圖2所示.

2.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)時(shí)將固定有生態(tài)袋的木塊放入下剪切盒內(nèi)，放置時(shí)使生態(tài)袋平整面朝上同時(shí)使有生態(tài)袋包裹的兩側(cè)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(jù)控制的壓實(shí)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(jīng)行水平剪切.儀器每3秒采集一次傳感器數(shù)據(jù)，然后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪成剪應(yīng)力τ與剪切位移δ的關(guān)系曲線.若τ-δ曲線有峰值點(diǎn)則取峰值點(diǎn)為抗剪強(qiáng)度τf，若無明顯峰值點(diǎn)，則取剪切應(yīng)變5%對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度τf[5].

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在不同壓實(shí)度的作用下生態(tài)袋與粘性土間的剪切應(yīng)力-位移關(guān)系如圖3～圖5所示，由剪應(yīng)力-位移曲線，提取不同法向應(yīng)力對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度，而后以抗剪強(qiáng)度τf法向應(yīng)力σ為橫坐標(biāo)，擬合得τf-σ的關(guān)系曲線如圖6～圖8所示.根據(jù)劉毓氚的對(duì)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(shù)f=tanφ=剪切強(qiáng)度/法向應(yīng)力，其中φ為界面摩擦角[6].

(a)壓實(shí)度80% (b)壓實(shí)度85% (c)壓實(shí)度90%

(a)壓實(shí)度80% (b)壓實(shí)度85% (c)壓實(shí)度90%

(a)壓實(shí)度80% (b)壓實(shí)度85% (c)壓實(shí)度90%

(a)壓實(shí)度80% (b)壓實(shí)度85% (c)壓實(shí)度90%

(a)壓實(shí)度80% (b)壓實(shí)度85% (c)壓實(shí)度90%

(a)壓實(shí)度80% (b)壓實(shí)度85% (c)壓實(shí)度90%

3.2 結(jié)果分析

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理分析，得出了含水率及壓實(shí)度對(duì)界面剪切特性的影響.由圖6～圖8得出，生態(tài)袋與粘性土間摩擦特性服從摩爾-庫倫強(qiáng)度理論.從圖3～圖5可以看出，生態(tài)袋與粘性土之間的剪應(yīng)力隨剪切位移的增加而增大，當(dāng)剪切位移增大到一定程度后,生態(tài)袋與粘性土之間的剪應(yīng)力趨于穩(wěn)定，并且剪應(yīng)力-位移曲線沒有出現(xiàn)峰值和軟化現(xiàn)象.從剪應(yīng)力與位移τ-δ曲線上可以看出，隨著壓實(shí)度的增大,在生態(tài)袋與粘性土界面發(fā)生較小的相對(duì)位移的情況下，界面的剪應(yīng)力增加相當(dāng)顯著，剪應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的位移相對(duì)減小，這是因?yàn)樯鷳B(tài)袋與粘性土間的剪切力是從生態(tài)袋受水平荷載一端向另一端傳遞發(fā)揮的，壓實(shí)度越大，粘性土與生態(tài)袋之間的界面作用越強(qiáng)，從而需要的水平位移也越小;并且生態(tài)袋與粘性土之間剪應(yīng)力趨于穩(wěn)定時(shí)發(fā)生的相對(duì)位移減小.

由圖6～圖8分別為不同壓實(shí)度下對(duì)應(yīng)含水率變化時(shí)的τ-σ曲線.可以看出，含水率對(duì)生態(tài)袋與粘性土界面摩擦系數(shù)的影響相對(duì)較小.在壓實(shí)度為80%時(shí)，界面摩擦系數(shù)對(duì)含水率的變化不敏感，在壓實(shí)度為85%的情況下時(shí)，隨著含水率的增加界面摩擦系數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，含水率由8%增加到12%時(shí)，界面摩擦系數(shù)降低73%，含水量由12%增加到16%時(shí)，界面摩擦系數(shù)增加15.1%.這表明，在85%壓實(shí)度下隨著含水量的增加存在一個(gè)最小值，含水量在12%附近時(shí)，生態(tài)袋與粘性土界面之間的剪切特性的界面摩擦系數(shù)最小，粘性土與生態(tài)袋界面剪切強(qiáng)度較小.在壓實(shí)度90%時(shí)，隨著含水率的增加界面摩擦系數(shù)顯著下降.這是由于在高壓實(shí)度下，生態(tài)袋與粘性土的水穩(wěn)定性較差，這與粘性土浸水軟化特性、含水量增加使生態(tài)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(shí)，根據(jù)有效應(yīng)力原理，不排水狀態(tài)下，接觸面上超靜孔隙水壓力積聚，生態(tài)袋與粘性土之間的有效法向應(yīng)力減小，同樣降低了界面間的摩擦系數(shù).

4 結(jié) 論

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

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

(3)在90%壓實(shí)度下，摩擦系數(shù)隨含水量的增加而顯著降低,這與粘性土水穩(wěn)性較差表現(xiàn)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(tài)下，有效法向應(yīng)力降低有關(guān).