土工袋修復膨脹土邊坡抗滑穩(wěn)定分析與摩擦特性試驗

劉斯宏，高從容，程德虎，廖潔，樊科偉

(1.河海大學水利水電學院，南京 210098；2.南水北調中線干線工程建設管理局，北京 100038；3.武漢大學土木建筑工程學院，武漢 430072)

膨脹土一般是指黏粒成分主要由蒙脫石或伊利石組成的黏性土，在濕潤和干燥時表現出顯著的膨脹和收縮[1-4]。膨脹土在用作建筑材料時，可能會引起較大的外部膨脹壓力、差異位移或兩者的組合，從而對其上部或與其一體的基礎設施建設造成嚴重破壞。例如，對于膨脹土的自然邊坡、原狀膨脹土的開挖邊坡或壓實膨脹土的填方邊坡，容易發(fā)生從局部邊坡坍塌到整體邊坡滑坡的不同規(guī)模的失穩(wěn)現象[5-10]。

為了避免膨脹土邊坡在運營期間發(fā)生破壞，在工程建設期主要采用“好土換填”和“水泥改性”的方法對膨脹土邊坡進行處理，以減小淺層滑坡的威脅[11-14]。但是，對于在工程運行期發(fā)生的膨脹土邊坡局部破壞，由于此時征地已經完成，很難采用非膨脹性土進行換填，而摻拌水泥需用專門機械，對于小土方量的修復存在機械進場困難、不經濟等缺陷。近年來，傘型錨快速錨固新技術、微型樁、土工袋等支護技術以及邊坡外水防護和土體排水技術因施工簡便、工期較短、時效性高等優(yōu)點，在邊坡加固中得到了一定的推廣應用，為實現邊坡快速搶險加固和運行期工程維護提供了有力的技術支撐[15-20]。

土工袋處理膨脹土滑坡技術主要針對發(fā)生淺表層滑動的邊坡，采用環(huán)保無污染、耐久性好且適用于邊坡的土工袋，直接利用滑塌土體裝袋進行修復。同時，可在修護后的邊坡表層鋪設專用土工袋植草，防止雨水沖刷，以保持邊坡的長期穩(wěn)定。該技術無須使用大型機械進場、靈活方便，尤其適用于小范圍快速定點修復，是一項具有顯著應用前景的膨脹土渠坡加固和快速修復技術，目前已在南水北調中線干線工程中進行了應用。然而，目前對土工袋修復體的抗滑穩(wěn)定性還未有相關研究。為此，針對土工袋修復膨脹土邊坡可能發(fā)生的滑動形式，對土工袋修復體的抗滑穩(wěn)定性計算方法進行理論推導，進行土工袋袋體層間和袋土之間的摩擦試驗，并將試驗結果應用于土工袋修復膨脹土邊坡的抗滑穩(wěn)定性分析，以驗證土工袋修復膨脹土邊坡的效果。

1 土工袋修復膨脹土邊坡抗滑穩(wěn)定性分析

土工袋按照一定的規(guī)則排列在開挖處理后的滑坡床上，堆積起來的土工袋在原滑坡體處形成一個修復體。表層鋪設一層生態(tài)袋，用于保護土工袋修復體。土工袋修復膨脹土淺層滑坡的示意圖見圖1。由于設計時生態(tài)袋不作為結構體，因此一般情況下不考慮其對整體邊坡穩(wěn)定性的影響。土工袋修復體與原坡土體或土工袋與土工袋之間形成了天然的滑動面，土工袋修復體滑動破壞的可能模式有兩種：一種是整個土工袋修復體沿底面土體滑出，見圖2(a)；另一種是土工袋修復體層間發(fā)生滑動，見圖2(b)。

圖1 土工袋修復膨脹土淺層滑坡Fig.1 Schematic view of the expansive soil slope repaired with soilbags

圖2 土工袋修復體滑動破壞形式Fig.2 Schematic view of the sliding failure modes of the expansive soil slope repaired with soilbags

針對圖2(a)所示滑動形式分析土工袋修復體抗滑穩(wěn)定性。假設土工袋修復體為一整體，整體滑動面由修復體底部與后緣兩個與土體接觸面組成。基于土工袋修復體作為整體的假設，在穩(wěn)定性分析時，將滑動面之上的土工袋修復體部分視為一個剛性體，單獨對其進行受力分析，求出土工袋修復體和坡后緣之間的相互作用力，然后基于極限平衡法分析土工袋修復體的整體抗滑穩(wěn)定性。

將土工袋修復體作為一個隔離體進行受力分析，見圖3。由靜力平衡條件可得如下平衡方程：

N1+N2cosθ+T2sinθ-G=0

(1)

T1+T2cosθ-N2sinθ=0

(2)

式中：N1為土工袋修復體與底面之間的法向作用力,kN；T1為土工袋修復體與底面土體之間的摩擦力,kN；N2為土工袋修復體與坡后緣之間的法向作用力,kN；T2為土工袋修復體與坡后緣土體之間的摩擦力,kN；G為土工袋修復體的自重,kN；θ為土工袋修復體與坡后緣之間界面與水平面的夾角,(°)。

圖3 土工袋修復體整體滑動受力分析及運動軌跡Fig.3 Force analysis and motion trajectory of the expansive soil slope repaired with soilbags

單一安全系數法是水利和土木工程中最常用的方法[21-22]，為了使提出的邊坡抗滑穩(wěn)定計算方法，在工程設計時更容易被工程師所使用。引入土工袋修復體抗滑穩(wěn)定安全因數Fs，同時假定AB與BC段土工袋修復體與土體間的摩擦因數分別為μ1與μ2，則AB與BC段滑動面的法向力與切向摩擦力間的關系為

(3)

(4)

將式(3)、式(4)代入式(1)、式(2)中可得

(5)

(6)

假設Fs已知，可求解得到N1與N2為

N1=

(7)

N2=

(8)

AB段豎向壓力分布實際上接近于三角形分布，合力N1距B點約l/3，但土工袋修復體作為一個整體，AB段長度較短，且B點所受豎向壓力較小，為簡化計算假定N1作用在AB中點處。土工袋邊坡CB段土壓力沿深度方向應該近似于梯形分布，但有學者[23]指出，邊坡土壓力在水位線以下受到孔隙水影響而有所降低。因此，N2實際作用點位置距CB段中點較近，可以視為作用在CB段中點處。根據此假定，隔離體所受的力對AB中點求彎矩可得

(9)

式中：h、l分別為土工袋修復體的高度和寬度,m。

將式(7)和(8)代入式(9)可得

(10)

對于圖2(b)所示滑動形式，采用同樣的方法分析土工袋修復體的抗滑穩(wěn)定性，得到其抗滑穩(wěn)定安全系數Fs的表達式為

(11)

式中：μ3為假定土工袋修復體中土工袋與土工袋之間的摩擦因數；hy為潛在層間滑移面以上土工袋修復體的高度,m。

在式(10)和式(11)中，土工袋修復體底部與土體間的摩擦因數μ1以及土工袋與土工袋之間的摩擦因數μ3應根據摩擦試驗確定。土工袋修復體后緣(BC段)與土體間的摩擦因數μ2取值是一個較為復雜的問題，它是土工袋修復體與膨脹土開挖坡面的接觸摩擦，在實驗室很難模擬現場條件開展摩擦試驗，建議按普通擋墻墻背摩擦角的方法近似取值，即μ2=tan(0.5φ)，φ為膨脹土摩擦角,(°)。

2 土工袋摩擦試驗

從土工袋修復膨脹土邊坡抗滑穩(wěn)定性分析可以看出，土工袋袋體層間摩擦與袋土之間摩擦是土工袋修復膨脹土邊坡抗滑穩(wěn)定性計算中應該考慮的關鍵因素，因此開展一系列土工袋摩擦試驗，分別研究不同礫石含量袋內膨脹土、不同坡高(豎向壓重)、不同排列方式以及運行環(huán)境(水上或水下)對土工袋層間摩擦特性的影響，以及土工袋與膨脹土之間的摩擦特性。

土工袋摩擦試驗裝置見圖4。該裝置主要由水平拉伸、豎向加載以及控制系統(tǒng)組成。豎向加載系統(tǒng)采用壓力加載速率控制，最大加載壓力為1 000 kN；水平拉伸系統(tǒng)采用位移速率進行控制；量測系統(tǒng)與控制臺均布置在控制系統(tǒng)。本項目中豎向加載系統(tǒng)采用0.1 kN/s速率進行加載，水平拉伸系統(tǒng)采用2 mm/min速率進行拉伸。為減少豎向加載系統(tǒng)與加載板間的摩擦力，在加載系統(tǒng)和加載板之間放置了裝有滾輪的鋼板。

圖4 土工袋摩擦試驗裝置Fig.4 Photo of friction tests on soilbags

試驗所用膨脹土取自南水北調中線河南葉縣段附近走馬嶺地區(qū)，其基本物理力學性質見表1。所采用的土工袋大小為60 cm×40 cm×10 cm(長×寬×高)，土工編織袋原材料為聚丙烯(PP)，每平方米重量為100 g，拉力試驗測試得到的經、緯向拉力強度分別為20 kN/m與17 kN/m，經、緯向伸長率為18%。

表1 膨脹土基本物理力學性質Tab.1 Basic index properties of the tested expansive soil

2.1 土工袋袋體層間摩擦

2.1.1豎向壓重影響

膨脹土裝袋之前對結塊的風干膨脹土進行了簡單的壓碎，壓碎后的土體粒徑范圍為0～5 cm。假設邊坡坡比為1∶2.5，土工袋修復假設最多使用6列，則土工袋第三列到第六列所受豎向應力分別為19.2、25.6、32.0、38.4 kPa，見圖5。為研究不同坡高(豎向壓重)對土工袋層間摩擦特性的影響，分別對以上豎向應力取整進行20、25、32、40 kPa的土工袋袋裝膨脹土層間摩擦試驗，試驗結果見圖6。不同豎向壓力對應的層間摩擦因數分別為0.703、0.708、0.711和0.714?？梢钥闯鲭S著豎向壓力增大，土工袋層間摩擦因數也略有增大。

圖5 不同列數土工袋承受的工作應力(單位：kPa)Fig.5 Vertical stresses acting on the soilbags in the expansive soil slope

圖6 不同豎向壓重土工袋袋體層間摩擦試驗結果Fig.6 Result of friction tests on soilbags at different verticel stresses

土工袋層間摩擦因數隨豎向壓力增大是由于土工袋為柔性體，上下袋體中的塊狀膨脹土使得土工袋袋體層間形成了咬合作用(圖7)[24]，當豎向壓力增大時，土工袋袋體間咬合作用有所增大，導致了層間摩擦因數有所增大。

圖7 土工袋袋體層間咬合作用示意圖Fig.7 Schematic view of interlocking between two soilbags

2.1.2礫石含量影響

現場開挖的膨脹土可能摻雜不同粒徑和不同含量的礫石，為研究礫石粒徑和含量對袋裝結塊膨脹土土工袋袋體層間摩擦的影響，進行土工袋摩擦試驗見表2。

表2 礫石含量影響下的土工袋摩擦試驗Tab.2 Friction tests on soilbags under the influence of gravel content

豎向應力為40 kPa袋裝不同含量的4～6 cm和6～8 cm礫石土工袋袋體層間摩擦試驗結果見圖8?？梢钥闯?，隨著礫石含量的增多，初始剪切剛度有所增長，這是因為礫石剛度比土體大，礫石的存在一定程度上增加了土體的剛度。計算得到豎向壓重為40 kPa情況下，4～6 cm礫石含量為10%、20%和35%時的土工袋袋體層間摩擦因數分別為0.714、0.735和0.754，6～8 cm礫石含量為10%和20%時摩擦因數分別為0.714和0.755?？梢钥闯鲭S著碎石含量增多，土工袋袋體層間摩擦因數也隨著增大。這是由于礫石粒徑較大，增大了土工袋袋體層間的咬合作用。

圖8 袋裝不同礫石含量的土工袋袋體層間摩擦試驗結果Fig.8 Result of friction tests on soilbags with gravel of different contents

2.1.3排列方式影響

土工袋排列方式主要包括4種：層疊無縫排列；橫向交錯排列；縱向交錯排列；縱橫十字交錯排列。不同排列方式見圖9。劉斯宏等[24]發(fā)現十字交錯排列方式的層間摩擦因數最大，因此實際施工時，要求上、下層土工袋為縱橫十字交錯，見圖10。

圖9 土工袋上下層4種不同排列方式Fig.9 Four interlayer arrangements of soilbags

圖10 不同交錯縫排列方式下的土工袋袋體層間摩擦試驗Fig.10 Friction tests on soilbags with different kinds of arrangements

為模擬實際施工，分別開展豎向應力為40 kPa情況下的1、2、3、4和5條交錯縫的土工袋袋體層間摩擦試驗。圖10為1、2、5條交錯縫的摩擦試驗現場照片。試驗時，在上層土工袋頂面進行加載，同時拉動上層末端土工袋進行直剪試驗。圖11以土工袋層疊無縫排列的層間摩擦試驗為例，介紹由配重塊、液壓拉力裝置、位移計等組成的試驗裝置，所有土工袋摩擦試驗均使用此裝置完成，試驗結果見表3。從表3可以看出上、下層土工袋十字交錯排列后，層間等效摩擦因數較層疊無交錯縫排列增大，且交錯縫的個數越多，層間等效摩擦因數越大。其原因是當具有柔性的上層土工袋騎跨在下層兩個土工袋接觸縫上時，在自重和上部豎向荷載的作用下，上層土工袋的一部分會嵌入到接觸縫中，從而形成一種增大層間摩擦阻力的嵌固作用[25]，且隨豎向荷載的增大而增強，見圖12。

圖11 土工袋袋體層間摩擦試驗Fig.11 Friction tests on soilbags

表3 不同交錯縫排列方式下的土工袋摩擦試驗Tab.3 Friction tests on soilbags with different kinds of arrangements

圖12 土工袋袋體層間嵌固作用Fig.12 Schematic view of the insertion of stacked soilbags

2.1.4運行環(huán)境影響

由于在實際工程中，土工袋有可能浸泡于水下[26]，因此,進行浸水條件下1條交錯縫排列的土工袋層間摩擦試驗，見圖13。下層土工袋浸泡于水中，配重塊置于加載板上提供豎向均布荷載，再采用液壓裝置水平拉動上層土工袋。

圖13 土工袋袋體層間水下摩擦試驗Fig.13 Photo of the underwater friction test on soilbags

試驗結果表明，浸水時土工袋袋體層間摩擦因數約為0.901，較干燥情況下有所降低(干燥情況下十字交錯縫排列的土工袋層間摩擦因數為0.920)，這是由于水的潤滑作用使編織袋本身之間的摩擦作用減小，進而導致了土工袋層間摩擦作用減小。

2.2 土工袋袋土之間摩擦

土工袋與底部土層的接觸摩擦也會影響整個膨脹土邊坡的穩(wěn)定性。室內試驗時，將土工袋放入模型框中，并保證土體表面平整。下部模型框固定不動，上部土工袋施加40 kPa的豎向應力，并以2 mm/min的速度張拉上部土工袋，見圖14。結果表明，土工袋袋土摩擦因數為0.784。再將土工袋與膨脹土浸沒在水中進行試驗，得到浸水環(huán)境下土工袋袋土摩擦因數為0.703，兩組試驗與土工袋袋體層間摩擦因數近似相等。

圖14 土工袋袋土之間摩擦試驗Fig.14 Photo of friction tests on soilbag and soil

3 土工袋修復膨脹土邊坡抗滑穩(wěn)定性算例

采用第1節(jié)土工袋修復體抗滑穩(wěn)定性分析方法和第2節(jié)得到的土工袋袋體層間和袋土之間摩擦因數，對南水北調中線工程中土工袋修復膨脹土邊坡案例進行分析。計算案例具體工況為：所用土工袋尺寸為40 cm×60 cm×10 cm，后緣開挖后保證土工袋長度方向與河道方向垂直擺放3列。修復體寬度l為1.8 m，高度h為3 m，坡比1∶2.5。現場膨脹土摩擦角由室內直剪試驗獲取，試驗前對所取膨脹土去除腐化植物和石塊，風干、研磨后過2 mm篩子，然后制作成與現場壓實度一致的膨脹土試樣進行直剪試驗，測得其摩擦角為25°。

現場土工袋為十字交錯排列，其袋體層間摩擦因數取浸水時十字交錯排列值0.901，土工袋袋土間取浸水時摩擦因數0.703。通過土工袋修復體抗滑穩(wěn)定性分析方法得到土工袋修復體發(fā)生圖2(a)所示的滑動形式的安全因數為1.25。土工袋修復體高度為h，假設土工袋潛在層間滑動面為坡底或距坡底分別為h/4、h/2、3h/4，進行穩(wěn)定性分析后得出相應的安全因數分別為1.48和1.67、2.04、3.16。發(fā)生圖2(b)所示的滑動形式的安全系數為1.48。因此修復體最小安全因數為1.25>1，可見土工袋修復膨脹土邊坡具有很好的抗滑穩(wěn)定性。

4 結 論

通過理論推導，建立了土工袋修復體的抗滑穩(wěn)定性計算公式，進行了土工袋摩擦試驗，研究了不同袋內材料、土工袋排列方式以及運行環(huán)境(水上或水下)等條件下的土工袋袋體層間和袋土之間的摩擦特性，主要結論如下：

土工袋袋體層間摩擦受袋內材料及排列方式的影響。當袋內材料粒徑較大時，土工袋層間出現凹凸不平，形成了一種咬合作用，導致袋體層間摩擦作用增大。當上下層土工袋交錯排列，土工袋層間形成了一種嵌固作用，也會增大袋體層間摩擦作用。

土工袋浸泡于水下時，由于水的潤滑作用，編織袋本身之間的摩擦作用減小，土工袋袋體層間以及土工袋袋土之間的摩擦作用變小。

通過土工袋修復膨脹土邊坡抗滑穩(wěn)定性算例得知，兩種滑動形式的安全因數分別達到1.48與1.25，證明了土工袋是修復膨脹土邊坡局部破壞的一條有效途徑。