生态袋与粘性土界面摩擦特性试验研究

冯 峰 蒋希雁 杨尚青 许梦然

(河北建筑工程学院土木工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

近年来，环境污染和生态破坏的问题受到越来越多的关注，在工程建设中也同样开始重视环境问题带来的影响.在传统的护坡工程中，通常使用混凝土等建材来防护边坡，随之带来的问题是，传统施工方法的边坡坡面无法进行植被复绿，造成严重的生态破坏.生态袋护坡技术可以有效解决以上问题.生态袋是一种由聚丙烯(PP)或聚酯纤维(PET)为原材料制成的双面熨烫针刺无纺布加工而成的袋子,具有良好的物理性能,又不受土壤中化学物质的影响,同时又能使植物通过袋体生长[1-2].对此，国内外学者展开了相关的研究，李华翔等[3]基于岩质边坡研究了生态袋护坡及适用场景,得出了边坡坡度对生态袋护坡施工的影响以及适种植物的选择；赵瑞东等[2]提出了用生态加筋护坡技术来稳固石灰岩矿渣堆的方法；张帆等[4]研究了生态袋作为柔性挡土墙的可行性，并针对其进行了理论分析，提出了验算方法.

以上主要是集中在对生态袋护坡技术的理论研究，但是并没有考虑到土体力学性质的变化对生态袋与土体之间强度的影响.本文以粘土与生态袋作为研究对象进行了一系列直剪试验，研究了土体含水率与压实度的变化对生态袋与土体界面强度的影响.为生态袋护坡的界面作用特性研究提供参考，为生态袋的应用提供一些重要的参考.

1 试验准备

1.1 试验材料

试验选用粘土的基本力学参数见表1.

表1 试样土的基本力学参数

本试验选用生态袋为浙江仪征康顺土工材料有限公司生产，尺寸规格为81.5×44cm，且通过条带拉伸试验测定了生态袋在无侧限条件下径向和纬向的拉伸强度和伸长率，试验拉伸速率25mm/min，其他相关性能参数见表2.

表2 生态袋基本性能参数

1.2 试验设备

试验仪器使用南京泰克奥科技有限公司生产的TKA-DDS-20A型液晶微控中型应变式直剪仪，如图1所示.该仪器可用于土工模型剪切试验，仪器上下剪切盒内径为200×200mm，仪器通过电机驱动水平变速装置施加均匀荷载，通过电机驱动顶部竖向变速装置施加法向压力，并由配套数据采集软件采集原始数据.

图1 试验仪器

2 试验方案

2.1 试样制备

将试验选用的粘性土经过烘干、过筛后，加水配制成含水率分别为8%、12%、16%的土样备用.按照一般土工试验方法，在试验过程中由于法向压力的作用，生态袋与土体的接触面会向下凹陷，使实际的剪切破坏并不能如实的发生在生态袋和土体之间，结果不能反应界面强度的特性.因此本试验中在下剪切盒中用木块替代粘性土来抵消接触面的变形[5].按照下剪切盒尺寸制作规格为200mm×200mm×100mm的木块，将选用的生态袋修剪成200mm的长条，然后把修剪好的生态袋长条固定在木块上，具体如图2所示.

2.2 试验过程

试验时将固定有生态袋的木块放入下剪切盒内，放置时使生态袋平整面朝上同时使有生态袋包裹的两侧位于剪切位移的方向.然后将上剪切盒与下剪切盒用销钉固定，将配制好含水率的粘性土根据控制的压实度(80%、85%、90%)分三层击入上剪切盒.

剪切过程中控制剪切速度为0.8mm/min，先后在施加不同的法向压力50kPa、100kPa、150kPa、200kPa作用下经行水平剪切.仪器每3秒采集一次传感器数据，然后将实验结果绘成剪应力τ与剪切位移δ的关系曲线.若τ-δ曲线有峰值点则取峰值点为抗剪强度τf，若无明显峰值点，则取剪切应变5%对应的剪应力作为抗剪强度τf[5].

3 试验结果与分析

3.1 实验结果

在不同压实度的作用下生态袋与粘性土间的剪切应力-位移关系如图3～图5所示，由剪应力-位移曲线，提取不同法向应力对应的抗剪强度，而后以抗剪强度τf法向应力σ为横坐标，拟合得τf-σ的关系曲线如图6～图8所示.根据刘毓氚的对非饱和高液限粘土-土工织物界面剪切特性的研究，定义界面摩擦系数f=tanφ=剪切强度/法向应力，其中φ为界面摩擦角[6].

(a)压实度80% (b)压实度85% (c)压实度90%

(a)压实度80% (b)压实度85% (c)压实度90%

(a)压实度80% (b)压实度85% (c)压实度90%

(a)压实度80% (b)压实度85% (c)压实度90%

(a)压实度80% (b)压实度85% (c)压实度90%

(a)压实度80% (b)压实度85% (c)压实度90%

3.2 结果分析

通过对试验数据的整理分析，得出了含水率及压实度对界面剪切特性的影响.由图6～图8得出，生态袋与粘性土间摩擦特性服从摩尔-库伦强度理论.从图3～图5可以看出，生态袋与粘性土之间的剪应力随剪切位移的增加而增大，当剪切位移增大到一定程度后,生态袋与粘性土之间的剪应力趋于稳定，并且剪应力-位移曲线没有出现峰值和软化现象.从剪应力与位移τ-δ曲线上可以看出，随着压实度的增大,在生态袋与粘性土界面发生较小的相对位移的情况下，界面的剪应力增加相当显著，剪应力达到稳定时的位移相对减小，这是因为生态袋与粘性土间的剪切力是从生态袋受水平荷载一端向另一端传递发挥的，压实度越大，粘性土与生态袋之间的界面作用越强，从而需要的水平位移也越小;并且生态袋与粘性土之间剪应力趋于稳定时发生的相对位移减小.

由图6～图8分别为不同压实度下对应含水率变化时的τ-σ曲线.可以看出，含水率对生态袋与粘性土界面摩擦系数的影响相对较小.在压实度为80%时，界面摩擦系数对含水率的变化不敏感，在压实度为85%的情况下时，随着含水率的增加界面摩擦系数呈现先下降后上升的趋势，含水率由8%增加到12%时，界面摩擦系数降低73%，含水量由12%增加到16%时，界面摩擦系数增加15.1%.这表明，在85%压实度下随着含水量的增加存在一个最小值，含水量在12%附近时，生态袋与粘性土界面之间的剪切特性的界面摩擦系数最小，粘性土与生态袋界面剪切强度较小.在压实度90%时，随着含水率的增加界面摩擦系数显著下降.这是由于在高压实度下，生态袋与粘性土的水稳定性较差，这与粘性土浸水软化特性、含水量增加使生态袋与粘性土界面上含水量富集而增大接触面润滑作用.同时，根据有效应力原理，不排水状态下，接触面上超静孔隙水压力积聚，生态袋与粘性土之间的有效法向应力减小，同样降低了界面间的摩擦系数.

4 结 论

(1)生态袋与粘性土界面关系也满足摩尔-库伦强度理论.界面特性受压实度度影响显著，表现为随着压实度增大，在生态袋与粘性土之间发生较小相对位移的情况下,界面剪应力增加显著，并且生态袋与粘性土之间抗剪强度达到峰值的相对位移减小，这对生态袋与粘性土接触面应力应变关系有直接影响.

(2)在80%压实度下，含水率对生态袋与粘性土界面特性的影响并不显著，在85%压实度下，界面摩擦系数随着含水量的增加呈现先下降后增加的趋势,说明界面摩擦系数随着含水量的增加存在一个最小值，且该值处在粘性土的塑限含水率附近.

(3)在90%压实度下，摩擦系数随含水量的增加而显著降低,这与粘性土水稳性较差表现出的浸水软化、接触面上水的富集及润滑作用，以及不排水状态下，有效法向应力降低有关.