土工編織袋在邊坡防護(hù)中的破壞方式及因素探討

蘭素戀 潘良偉 張潛華

摘要：土工編織袋作為一種通過袋裝固體材料而成的柔性加固單元，因其施工簡便、就地取材節(jié)省資源、工程造價低及防護(hù)效果好等優(yōu)點(diǎn)而在邊坡防護(hù)中備受青睞。文章結(jié)合廣西區(qū)內(nèi)某土工編織袋護(hù)坡破壞實(shí)例，分析了土工編織袋護(hù)坡過程中的受力特征、材料特性及裝填物性質(zhì)，探討了土工編織袋在邊坡防護(hù)中的破壞方式及因素，對推進(jìn)土工編織袋在邊坡支護(hù)中的規(guī)范應(yīng)用和改進(jìn)具有一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：土工編織袋;邊坡防護(hù);破壞方式;機(jī)理分析

中圖分類號：U416.1⁺4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.010

文章編號：1673-4874（2021）01-0036-04

0引言

土工編織袋是指在濾水、且有一定規(guī)格和性能的編織袋內(nèi)充填固體材料（素土、水泥土、砂礫等）及不同混合物，并封口形成的柔性加固單元。通過不同的形狀和構(gòu)筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)堆砌而成的土工編織袋防護(hù)體系具有可變形、強(qiáng)度大、就地取材節(jié)省資源、自立性強(qiáng)、施工簡單、嵌固效果好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于水利及公路工程領(lǐng)域相關(guān)的邊坡防護(hù)之中[1-3]，如南水北調(diào)中線工程中膨脹土邊坡的處理[4]、灌排水系護(hù)坡工程建設(shè)[5]、季節(jié)性凍土地區(qū)邊坡防治[6]等。土工編織袋結(jié)構(gòu)在取得了良好防治效果的同時還具備一定的景觀效果，是集柔性防護(hù)、節(jié)約資源、生態(tài)環(huán)保、整體美觀四位一體的優(yōu)質(zhì)防護(hù)結(jié)構(gòu)，具有廣闊的應(yīng)用前景和顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益。

1土工編織袋物理力學(xué)特性

1.1土工編織袋材料特性

近年來，由于結(jié)構(gòu)簡單、施工便捷及防護(hù)效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，土工編織袋的相關(guān)應(yīng)用研究可以很快通過工程建設(shè)驗(yàn)證，研究工作與工程應(yīng)用進(jìn)程齊頭并進(jìn)，應(yīng)用研究越發(fā)成熟。國內(nèi)外學(xué)者對土工編織袋結(jié)構(gòu)在邊坡防護(hù)中的力學(xué)性質(zhì)、變形及穩(wěn)定性展開了一系列研究[7-8]，但大多數(shù)研究聚焦于理想條件下的應(yīng)用方面，關(guān)于土工編織袋在護(hù)坡過程中的破壞方式和破壞因素研究鮮有報道，而土工編織袋在邊坡防護(hù)應(yīng)用過程中的耐用性是保證其具有應(yīng)用前景的關(guān)鍵，知悉土工編織袋在邊坡防護(hù)中的破壞因素并提出相應(yīng)的處治改進(jìn)措施才能進(jìn)一步提高其在邊坡防護(hù)中的競爭力。本文以廣西某高速公路邊坡土工編織袋護(hù)坡過程中的破壞為例，對土工編織袋在邊坡防護(hù)過程中的破壞方式和因素進(jìn)行分析探討，并對土工編織袋邊坡防護(hù)中的規(guī)范應(yīng)用提出相應(yīng)建議。

應(yīng)用于邊坡防護(hù)的土工袋通常是由織造和非織造形土工布包裹而成。前者由于抗拉壓強(qiáng)度大、結(jié)構(gòu)牢固、使用壽命長及各向異性明顯等優(yōu)點(diǎn)在工程應(yīng)用中更受青睞。土工編織袋通過經(jīng)、緯兩高分子聚合物交織而成（如圖1所示），在織造過程中由于經(jīng)線作為支撐結(jié)構(gòu)較緯線具有更高的強(qiáng)度。采用不同材料織造而成的土工編織袋具有不同的力學(xué)特性，如采用聚丙烯材料織造而成的編織袋相比于聚乙烯、聚酯材料織造而成的編織袋具有更高的抗拉壓強(qiáng)度及更好的環(huán)境適應(yīng)性。但是聚丙烯材料化學(xué)分子結(jié)構(gòu)中，由于叔碳原子的存在而不穩(wěn)定，在光照輻射下，分子結(jié)構(gòu)中的氫原子易被氧化，呈現(xiàn)出強(qiáng)度衰減且隨紫外線輻射呈線性變化的關(guān)系[9]。另一方面，編織袋的耐用性與滲透性亦有一定關(guān)聯(lián)性，若滲透性過小則袋面材料易在雨季受到長期沖刷作用而破損，并且袋內(nèi)土體汲取不到充分的水分使植物種子發(fā)芽，雖然可以通過鋪設(shè)草皮的方式解決綠化問題，但需承擔(dān)額外的成本。若土工編織袋滲透性過大則會使得土袋內(nèi)細(xì)顆粒隨著水分流失，造成土袋填充率下降呈干癟狀態(tài)，難以發(fā)揮護(hù)坡效果。

綜上可知，在采用土工編織袋進(jìn)行邊坡防護(hù)過程中，由于不同地區(qū)的地理環(huán)境截然不同，因此在選取編織袋材料時應(yīng)有特殊的考量。如廣西降雨豐沛、熱量豐富且光照時間適中，因此應(yīng)選用強(qiáng)度大、滲透性適中、具有抗沖刷性、耐熱性強(qiáng)且有一定抗輻射性的材料（或混合材料）來織造土工編織袋?，F(xiàn)有研究表明[10]，通過化學(xué)處治（如富磷抗氧化劑處理聚丙烯材料）或在土工編織袋上覆一層一定厚度土體的方法可以減少使用過程中袋面因長時間受到暴曬而產(chǎn)生的破壞，保證土工編織袋具有一定的使用年限。

1.2土工編織袋力學(xué)特性

通過單軸壓縮試驗(yàn)可以較為直觀地看出土工編織袋的力學(xué)特性[7]，土工編織袋在抗壓過程中，受力如圖2所示。從圖中可以看出，由于其編織物材料柔性的特點(diǎn)，土工編織袋在受壓過程中斷面高度逐漸減小，高寬比逐漸變大，在這個過程中假設(shè)土體體積不變，土體橫向擴(kuò)張擠壓編織袋，袋面整體周長變大，土袋產(chǎn)生拉伸應(yīng)變隨之帶來一個拉伸應(yīng)力，這個應(yīng)力作用于袋內(nèi)土體，給土體增加了一個附加圍壓而使其更具有整體性。但是在這個過程中，土工編織袋邊緣處易發(fā)生鼓脹而受到一個集中拉力荷載而使得經(jīng)線發(fā)生撕裂。且邊緣處通常是土工編織袋的縫合處，集中的拉應(yīng)力易撐開縫線斷裂袋口，導(dǎo)致袋內(nèi)土體流失。

在護(hù)坡工程中，土工編織袋的堆砌連接是通過高強(qiáng)度材料錐釘、倒鉤棘爪刺穿袋面來實(shí)現(xiàn)的，連接位置多處于內(nèi)邊緣附近。根據(jù)前文分析可知，此處是受集中荷載最大的位置，易在堆砌過程中刺穿袋面。在護(hù)坡過程中，土工編織袋結(jié)構(gòu)會更多地承擔(dān)來自后方巖土坡體的水平作用力，在這個水平推力作用下，土袋之間難免會發(fā)生相對位移，連接扣初期造成的裂口會逐漸擴(kuò)展開來，在造成土體大范圍流失的同時袋體會整體出現(xiàn)破壞。

1.3土工編織袋填充物特性

土工編織袋的填充率為填充物的質(zhì)量與土工編織袋所能填充的最大限度填充物質(zhì)量之比，在工程應(yīng)用中填充率應(yīng)保持在80%以上[1]。土工編織袋內(nèi)的填充物性質(zhì)與袋面的破損情況息息相關(guān)。從上一節(jié)可知在土工編織袋受到上部荷載（堆疊的袋體自重等）時，編織袋內(nèi)土體會向水平擴(kuò)張，此時不同內(nèi)摩擦角的土體向外擴(kuò)張的程度不同，與袋體接觸的程度也存在差異。袋內(nèi)固體填料內(nèi)摩擦角越大其整體性越好，橫向擴(kuò)散的程度越小，在編織袋中部會有一部分聚集體與土袋表面充分接觸，此時若裝填物為硬質(zhì)材料（如碎石、混凝土塊等）且其強(qiáng)度大于編織袋袋面材料，則在堆砌時就易貫穿袋面。在邊坡土體的水平作用力下，袋與袋之間發(fā)生相對位移時，這部分填料則會劃開編織袋袋面使其破損。因此在工程應(yīng)用中應(yīng)避免填充硬度較大且棱角分明的填料，若受場地限制必須選用此類填料，可以適當(dāng)降低填充率以避免土工編織袋破壞。

2某邊坡土工編織袋破壞方式及機(jī)理探討

2.1研究區(qū)域概況

研究滑坡區(qū)域位于廣西壯族自治區(qū)北部某地區(qū)高速公路，地貌類型為剝蝕丘陵地貌，地面高程為2～58m。公路邊坡所在山體近南北走向，兩側(cè)帶狀谷地發(fā)育，滑坡區(qū)域邊坡坡比約為1：0.8～1：1.0。研究區(qū)域地表不均勻覆蓋薄層殘坡積土，下伏志留系中厚層強(qiáng)-中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖夾頁巖。研究區(qū)域二級邊坡原采用土工編織袋覆綠技術(shù)進(jìn)行防護(hù)，由于6月廣西進(jìn)入雨季，雨量充沛、日照時間長且溫度高，該處二級邊坡出現(xiàn)滑坡，并使得一級邊坡表面植綠被沖毀，露出基巖。

2.2土工編織袋破壞方式

經(jīng)過現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)該處所用編織袋為普通水泥編織袋，所用材料為聚丙烯（PP），編織袋長為780mm，寬為420mm，充填率達(dá)80%時約厚200mm。從滑坡區(qū)域出露的編織袋堆疊體可以看出，該處土工編織袋采用順層堆疊的方式進(jìn)行堆砌，即土袋與土袋之間沒有交錯擺放，從下至上依次搭接而成。

袋中填料多為現(xiàn)場開挖所取的強(qiáng)-中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，多為棱角石塊體。踏勘結(jié)果發(fā)現(xiàn)該滑坡區(qū)域未滑動土工編織袋基本已破壞，失去彈性和光澤感，扁絲、裂紋脆化現(xiàn)象明顯，揉搓袋面會崩碎成粉。此滑坡區(qū)域破壞形式大多分為以下三種情況：（1）土工編織袋縫口處破壞、靠近縫口處袋面破壞，土體從破口涌出;（2）袋體中部斷裂，袋面經(jīng)線材料斷裂僅有緯線材料連接;（3）石塊、高強(qiáng)度錐狀連接扣劃破袋面。

2.3土工編織袋破壞機(jī)理

綜合踏勘成果結(jié)合上述土工編織袋物理力學(xué)特性分析可知，本研究滑坡區(qū)域土工編織袋的破壞是由內(nèi)外兩方面的因素造成的。

外因方面，所處邊坡上覆土體多為中-強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，施工中將帶有棱角的碎石不作處理就作為填料填充至編織袋中，其強(qiáng)度大于編織袋易將其劃破。所采用的編織袋材料并非專用于邊坡防護(hù)的土工編織袋而是普通水泥塑料袋，長寬比較大，在承壓過程中易在袋面上端中部產(chǎn)生一個集中拉應(yīng)力，使得袋面材料長期處于一個抗拉狀態(tài)而產(chǎn)生塑性變形。袋面滲透性不大，保水性強(qiáng)，但在持續(xù)強(qiáng)降雨作用下，上部土袋浸水后整體重量變大使得下部土袋承壓逐漸變大，直至下部袋面材料達(dá)到極限狀態(tài)而撕裂。土袋間通過高強(qiáng)度材料錐釘、倒鉤棘爪連接，袋面初始狀態(tài)就存在裂痕，在防護(hù)過程中土工編織袋產(chǎn)生相對橫向位移后強(qiáng)度較大的棱角易劃破土袋。該處邊坡坡度較陡，在土工編織袋堆砌的過程中，未對坡面的碎石進(jìn)行處理就堆疊編織袋，在降雨的情況下土工編織袋與坡體間的接觸摩擦逐漸變小，接觸面極易發(fā)生滑動而發(fā)生滑坡。由于堆疊的方式采用順層搭接，整體性較差易發(fā)生滑移而產(chǎn)生土工編織袋之間的相對位移，促使袋中硬質(zhì)塊體和錐鉤狀連接器劃破袋面。

內(nèi)因方面，袋面材料采用聚丙烯材料，其分子結(jié)構(gòu)在高溫、光照條件下不穩(wěn)定，極易發(fā)生降解和老化脆化的現(xiàn)象，而廣西氣溫高、光照強(qiáng)度大、降雨強(qiáng)度大，土工編織袋未經(jīng)特別處理則易出現(xiàn)老化、破損的現(xiàn)象。

3土工編織袋護(hù)坡建議

綜合上述土工編織袋在護(hù)坡過程中出現(xiàn)破壞的方式和因素，給出以下建議供設(shè)計(jì)施工人員參考：

（1）袋面材料應(yīng)根據(jù)地區(qū)環(huán)境進(jìn)行選取，如本文所研究滑坡區(qū)域溫度高、光照強(qiáng)度大、雨量充沛，應(yīng)選用聚丙烯長絲高強(qiáng)機(jī)織布而成的土工編織袋，其在人工老化試驗(yàn)中面對強(qiáng)輻射、高溫度、浸水工況下仍保持很好的完整性和強(qiáng)度口1」，并且要盡量避免選用長寬比過大的編織袋以免因應(yīng)力集中發(fā)生撕裂。

（2）土工編織袋應(yīng)盡量避免填充棱角分明的硬質(zhì)物，若別無他選應(yīng)盡可能對其棱角進(jìn)行磨平處理，在土袋連接方面應(yīng)避免選用高強(qiáng)度錐、鉤狀物，可以選用網(wǎng)兜式連接方式對袋體進(jìn)行連接。

（3）土工編織袋堆砌應(yīng)該采用交錯堆疊的方式，在堆砌前應(yīng)對坡體進(jìn)行整平處理，并且對坡面進(jìn)行挖臺階處理，如此可以將邊坡劃分為幾個次級小型邊坡，將邊坡土體應(yīng)力擴(kuò)散至各個次級邊坡，從而使得失穩(wěn)的規(guī)模和范圍減小[12]。臺階的存在會使得土工編織袋的堆疊更具有整體性，穩(wěn)定性更高，發(fā)生相對位移而破壞的情況較少。

4結(jié)語

（1）在工程應(yīng)用中土工編織袋常用材料為聚丙烯材料（PP），其化學(xué)分子結(jié)構(gòu)由于叔碳原子的存在而不穩(wěn)定，在高溫、高強(qiáng)度光照下易發(fā)生老化破損。

（2）在長寬比不大時，土工編織袋的邊緣位置和袋口縫線處易受到集中拉應(yīng)力而產(chǎn)生破壞;袋內(nèi)填充物的形狀、硬度和內(nèi)摩擦角與袋面的破壞具有一定關(guān)聯(lián)性;編織袋堆疊所用錐鉤狀連接扣易劃開袋面而破損。

（3）所研究滑坡區(qū)域土工編織袋由于袋體尺寸（長寬比）、填料未經(jīng)處理、堆砌時坡面未整平、連接扣為錐鉤狀高強(qiáng)度材料等因素而在護(hù)坡過程中發(fā)生破損情況。

（4）土工編織袋護(hù)坡過程中，建議根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境選用具有針對性的材料編織成袋，并且要避免過大的長寬比。填料的選擇應(yīng)盡量避免棱角狀硬質(zhì)物或應(yīng)對棱角進(jìn)行處理，連接扣亦應(yīng)避免選用錐鉤狀硬質(zhì)物。堆砌時應(yīng)對坡體進(jìn)行臺階式開挖處理，整平坡面后采用交錯式堆疊。

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