劉斯宏，高從容，程德虎，廖潔，樊科偉

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；2.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京 100038；3.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)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(rùn)和干燥時(shí)表現(xiàn)出顯著的膨脹和收縮[1-4]。膨脹土在用作建筑材料時(shí)，可能會(huì)引起較大的外部膨脹壓力、差異位移或兩者的組合，從而對(duì)其上部或與其一體的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)造成嚴(yán)重破壞。例如，對(duì)于膨脹土的自然邊坡、原狀膨脹土的開(kāi)挖邊坡或壓實(shí)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(xiàn)象[5-10]。

為了避免膨脹土邊坡在運(yùn)營(yíng)期間發(fā)生破壞，在工程建設(shè)期主要采用“好土換填”和“水泥改性”的方法對(duì)膨脹土邊坡進(jìn)行處理，以減小淺層滑坡的威脅[11-14]。但是，對(duì)于在工程運(yùn)行期發(fā)生的膨脹土邊坡局部破壞，由于此時(shí)征地已經(jīng)完成，很難采用非膨脹性土進(jìn)行換填，而摻拌水泥需用專門機(jī)械，對(duì)于小土方量的修復(fù)存在機(jī)械進(jìn)場(chǎng)困難、不經(jīng)濟(jì)等缺陷。近年來(lái)，傘型錨快速錨固新技術(shù)、微型樁、土工袋等支護(hù)技術(shù)以及邊坡外水防護(hù)和土體排水技術(shù)因施工簡(jiǎn)便、工期較短、時(shí)效性高等優(yōu)點(diǎn)，在邊坡加固中得到了一定的推廣應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)邊坡快速搶險(xiǎn)加固和運(yùn)行期工程維護(hù)提供了有力的技術(shù)支撐[15-20]。

土工袋處理膨脹土滑坡技術(shù)主要針對(duì)發(fā)生淺表層滑動(dòng)的邊坡，采用環(huán)保無(wú)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(jìn)行修復(fù)。同時(shí)，可在修護(hù)后的邊坡表層鋪設(shè)專用土工袋植草，防止雨水沖刷，以保持邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定。該技術(shù)無(wú)須使用大型機(jī)械進(jìn)場(chǎng)、靈活方便，尤其適用于小范圍快速定點(diǎn)修復(fù)，是一項(xiàng)具有顯著應(yīng)用前景的膨脹土渠坡加固和快速修復(fù)技術(shù)，目前已在南水北調(diào)中線干線工程中進(jìn)行了應(yīng)用。然而，目前對(duì)土工袋修復(fù)體的抗滑穩(wěn)定性還未有相關(guān)研究。為此，針對(duì)土工袋修復(fù)膨脹土邊坡可能發(fā)生的滑動(dòng)形式，對(duì)土工袋修復(fù)體的抗滑穩(wěn)定性計(jì)算方法進(jìn)行理論推導(dǎo)，進(jìn)行土工袋袋體層間和袋土之間的摩擦試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于土工袋修復(fù)膨脹土邊坡的抗滑穩(wěn)定性分析，以驗(yàn)證土工袋修復(fù)膨脹土邊坡的效果。

1 土工袋修復(fù)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(kāi)挖處理后的滑坡床上，堆積起來(lái)的土工袋在原滑坡體處形成一個(gè)修復(fù)體。表層鋪設(shè)一層生態(tài)袋，用于保護(hù)土工袋修復(fù)體。土工袋修復(fù)膨脹土淺層滑坡的示意圖見(jiàn)圖1。由于設(shè)計(jì)時(shí)生態(tài)袋不作為結(jié)構(gòu)體，因此一般情況下不考慮其對(duì)整體邊坡穩(wěn)定性的影響。土工袋修復(fù)體與原坡土體或土工袋與土工袋之間形成了天然的滑動(dòng)面，土工袋修復(fù)體滑動(dòng)破壞的可能模式有兩種：一種是整個(gè)土工袋修復(fù)體沿底面土體滑出，見(jiàn)圖2(a)；另一種是土工袋修復(fù)體層間發(fā)生滑動(dòng)，見(jiàn)圖2(b)。

圖1 土工袋修復(fù)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(fù)體滑動(dòng)破壞形式Fig.2 Schematic view of the sliding failure modes of the expansive soil slope repaired with soilbags

針對(duì)圖2(a)所示滑動(dòng)形式分析土工袋修復(fù)體抗滑穩(wěn)定性。假設(shè)土工袋修復(fù)體為一整體，整體滑動(dòng)面由修復(fù)體底部與后緣兩個(gè)與土體接觸面組成。基于土工袋修復(fù)體作為整體的假設(shè)，在穩(wěn)定性分析時(shí)，將滑動(dòng)面之上的土工袋修復(fù)體部分視為一個(gè)剛性體，單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行受力分析，求出土工袋修復(fù)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(fù)體的整體抗滑穩(wěn)定性。

將土工袋修復(fù)體作為一個(gè)隔離體進(jìn)行受力分析，見(jiàn)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(fù)體與底面之間的法向作用力,kN；T1為土工袋修復(fù)體與底面土體之間的摩擦力,kN；N2為土工袋修復(fù)體與坡后緣之間的法向作用力,kN；T2為土工袋修復(fù)體與坡后緣土體之間的摩擦力,kN；G為土工袋修復(fù)體的自重,kN；θ為土工袋修復(fù)體與坡后緣之間界面與水平面的夾角,(°)。

圖3 土工袋修復(fù)體整體滑動(dòng)受力分析及運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.3 Force analysis and motion trajectory of the expansive soil slope repaired with soilbags

單一安全系數(shù)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(jì)算方法，在工程設(shè)計(jì)時(shí)更容易被工程師所使用。引入土工袋修復(fù)體抗滑穩(wěn)定安全因數(shù)Fs，同時(shí)假定AB與BC段土工袋修復(fù)體與土體間的摩擦因數(shù)分別為μ1與μ2，則AB與BC段滑動(dòng)面的法向力與切向摩擦力間的關(guān)系為

(3)

(4)

將式(3)、式(4)代入式(1)、式(2)中可得

(5)

(6)

假設(shè)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(shí)際上接近于三角形分布，合力N1距B點(diǎn)約l/3，但土工袋修復(fù)體作為一個(gè)整體，AB段長(zhǎng)度較短，且B點(diǎn)所受豎向壓力較小，為簡(jiǎn)化計(jì)算假定N1作用在AB中點(diǎn)處。土工袋邊坡CB段土壓力沿深度方向應(yīng)該近似于梯形分布，但有學(xué)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(shí)際作用點(diǎn)位置距CB段中點(diǎn)較近，可以視為作用在CB段中點(diǎn)處。根據(jù)此假定，隔離體所受的力對(duì)AB中點(diǎn)求彎矩可得

(9)

式中：h、l分別為土工袋修復(fù)體的高度和寬度,m。

將式(7)和(8)代入式(9)可得

(10)

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

(11)

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

在式(10)和式(11)中，土工袋修復(fù)體底部與土體間的摩擦因數(shù)μ1以及土工袋與土工袋之間的摩擦因數(shù)μ3應(yīng)根據(jù)摩擦試驗(yàn)確定。土工袋修復(fù)體后緣(BC段)與土體間的摩擦因數(shù)μ2取值是一個(gè)較為復(fù)雜的問(wèn)題，它是土工袋修復(fù)體與膨脹土開(kāi)挖坡面的接觸摩擦，在實(shí)驗(yàn)室很難模擬現(xiàn)場(chǎng)條件開(kāi)展摩擦試驗(yàn)，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(yàn)

從土工袋修復(fù)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(fù)膨脹土邊坡抗滑穩(wěn)定性計(jì)算中應(yīng)該考慮的關(guān)鍵因素，因此開(kāi)展一系列土工袋摩擦試驗(yàn)，分別研究不同礫石含量袋內(nèi)膨脹土、不同坡高(豎向壓重)、不同排列方式以及運(yùn)行環(huán)境(水上或水下)對(duì)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(yàn)裝置見(jiàn)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(jìn)行控制；量測(cè)系統(tǒng)與控制臺(tái)均布置在控制系統(tǒng)。本項(xiàng)目中豎向加載系統(tǒng)采用0.1 kN/s速率進(jìn)行加載，水平拉伸系統(tǒng)采用2 mm/min速率進(jìn)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(yàn)裝置Fig.4 Photo of friction tests on soilbags

試驗(yàn)所用膨脹土取自南水北調(diào)中線河南葉縣段附近走馬嶺地區(qū)，其基本物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。所采用的土工袋大小為60 cm×40 cm×10 cm(長(zhǎng)×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(yàn)測(cè)試得到的經(jīng)、緯向拉力強(qiáng)度分別為20 kN/m與17 kN/m，經(jīng)、緯向伸長(zhǎng)率為18%。

表1 膨脹土基本物理力學(xué)性質(zhì)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(duì)結(jié)塊的風(fēng)干膨脹土進(jìn)行了簡(jiǎn)單的壓碎，壓碎后的土體粒徑范圍為0～5 cm。假設(shè)邊坡坡比為1∶2.5，土工袋修復(fù)假設(shè)最多使用6列，則土工袋第三列到第六列所受豎向應(yīng)力分別為19.2、25.6、32.0、38.4 kPa，見(jiàn)圖5。為研究不同坡高(豎向壓重)對(duì)土工袋層間摩擦特性的影響，分別對(duì)以上豎向應(yīng)力取整進(jìn)行20、25、32、40 kPa的土工袋袋裝膨脹土層間摩擦試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。不同豎向壓力對(duì)應(yīng)的層間摩擦因數(shù)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(shù)也略有增大。

圖5 不同列數(shù)土工袋承受的工作應(yīng)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(yàn)結(jié)果Fig.6 Result of friction tests on soilbags at different verticel stresses

土工袋層間摩擦因數(shù)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(dāng)豎向壓力增大時(shí)，土工袋袋體間咬合作用有所增大，導(dǎo)致了層間摩擦因數(shù)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(xiàn)場(chǎng)開(kāi)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(duì)袋裝結(jié)塊膨脹土土工袋袋體層間摩擦的影響，進(jìn)行土工袋摩擦試驗(yàn)見(jiàn)表2。

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

豎向應(yīng)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8?？梢钥闯?，隨著礫石含量的增多，初始剪切剛度有所增長(zhǎng)，這是因?yàn)榈[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(jì)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(shí)的土工袋袋體層間摩擦因數(shù)分別為0.714、0.735和0.754，6～8 cm礫石含量為10%和20%時(shí)摩擦因數(shù)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(shù)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(yàn)結(jié)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(wú)縫排列；橫向交錯(cuò)排列；縱向交錯(cuò)排列；縱橫十字交錯(cuò)排列。不同排列方式見(jiàn)圖9。劉斯宏等[24]發(fā)現(xiàn)十字交錯(cuò)排列方式的層間摩擦因數(shù)最大，因此實(shí)際施工時(shí)，要求上、下層土工袋為縱橫十字交錯(cuò)，見(jiàn)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(cuò)縫排列方式下的土工袋袋體層間摩擦試驗(yàn)Fig.10 Friction tests on soilbags with different kinds of arrangements

為模擬實(shí)際施工，分別開(kāi)展豎向應(yīng)力為40 kPa情況下的1、2、3、4和5條交錯(cuò)縫的土工袋袋體層間摩擦試驗(yàn)。圖10為1、2、5條交錯(cuò)縫的摩擦試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片。試驗(yàn)時(shí)，在上層土工袋頂面進(jìn)行加載，同時(shí)拉動(dòng)上層末端土工袋進(jìn)行直剪試驗(yàn)。圖11以土工袋層疊無(wú)縫排列的層間摩擦試驗(yàn)為例，介紹由配重塊、液壓拉力裝置、位移計(jì)等組成的試驗(yàn)裝置，所有土工袋摩擦試驗(yàn)均使用此裝置完成，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出上、下層土工袋十字交錯(cuò)排列后，層間等效摩擦因數(shù)較層疊無(wú)交錯(cuò)縫排列增大，且交錯(cuò)縫的個(gè)數(shù)越多，層間等效摩擦因數(shù)越大。其原因是當(dāng)具有柔性的上層土工袋騎跨在下層兩個(gè)土工袋接觸縫上時(shí)，在自重和上部豎向荷載的作用下，上層土工袋的一部分會(huì)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(qiáng)，見(jiàn)圖12。

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

表3 不同交錯(cuò)縫排列方式下的土工袋摩擦試驗(yàn)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(yùn)行環(huán)境影響

由于在實(shí)際工程中，土工袋有可能浸泡于水下[26]，因此,進(jìn)行浸水條件下1條交錯(cuò)縫排列的土工袋層間摩擦試驗(yàn)，見(jiàn)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(dòng)上層土工袋。

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

試驗(yàn)結(jié)果表明，浸水時(shí)土工袋袋體層間摩擦因數(shù)約為0.901，較干燥情況下有所降低(干燥情況下十字交錯(cuò)縫排列的土工袋層間摩擦因數(shù)為0.920)，這是由于水的潤(rùn)滑作用使編織袋本身之間的摩擦作用減小，進(jìn)而導(dǎo)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(huì)影響整個(gè)膨脹土邊坡的穩(wěn)定性。室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，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(dòng)，上部土工袋施加40 kPa的豎向應(yīng)力，并以2 mm/min的速度張拉上部土工袋，見(jiàn)圖14。結(jié)果表明，土工袋袋土摩擦因數(shù)為0.784。再將土工袋與膨脹土浸沒(méi)在水中進(jìn)行試驗(yàn)，得到浸水環(huán)境下土工袋袋土摩擦因數(shù)為0.703，兩組試驗(yàn)與土工袋袋體層間摩擦因數(shù)近似相等。

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

3 土工袋修復(fù)膨脹土邊坡抗滑穩(wěn)定性算例

采用第1節(jié)土工袋修復(fù)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(shù)，對(duì)南水北調(diào)中線工程中土工袋修復(fù)膨脹土邊坡案例進(jìn)行分析。計(jì)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(kāi)挖后保證土工袋長(zhǎng)度方向與河道方向垂直擺放3列。修復(fù)體寬度l為1.8 m，高度h為3 m，坡比1∶2.5?，F(xiàn)場(chǎng)膨脹土摩擦角由室內(nèi)直剪試驗(yàn)獲取，試驗(yàn)前對(duì)所取膨脹土去除腐化植物和石塊，風(fēng)干、研磨后過(guò)2 mm篩子，然后制作成與現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度一致的膨脹土試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，測(cè)得其摩擦角為25°。

現(xiàn)場(chǎng)土工袋為十字交錯(cuò)排列，其袋體層間摩擦因數(shù)取浸水時(shí)十字交錯(cuò)排列值0.901，土工袋袋土間取浸水時(shí)摩擦因數(shù)0.703。通過(guò)土工袋修復(fù)體抗滑穩(wěn)定性分析方法得到土工袋修復(fù)體發(fā)生圖2(a)所示的滑動(dòng)形式的安全因數(shù)為1.25。土工袋修復(fù)體高度為h，假設(shè)土工袋潛在層間滑動(dòng)面為坡底或距坡底分別為h/4、h/2、3h/4，進(jìn)行穩(wěn)定性分析后得出相應(yīng)的安全因數(shù)分別為1.48和1.67、2.04、3.16。發(fā)生圖2(b)所示的滑動(dòng)形式的安全系數(shù)為1.48。因此修復(fù)體最小安全因數(shù)為1.25>1，可見(jiàn)土工袋修復(fù)膨脹土邊坡具有很好的抗滑穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

通過(guò)理論推導(dǎo)，建立了土工袋修復(fù)體的抗滑穩(wěn)定性計(jì)算公式，進(jìn)行了土工袋摩擦試驗(yàn)，研究了不同袋內(nèi)材料、土工袋排列方式以及運(yùn)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(jié)論如下：

土工袋袋體層間摩擦受袋內(nèi)材料及排列方式的影響。當(dāng)袋內(nèi)材料粒徑較大時(shí)，土工袋層間出現(xiàn)凹凸不平，形成了一種咬合作用，導(dǎo)致袋體層間摩擦作用增大。當(dāng)上下層土工袋交錯(cuò)排列，土工袋層間形成了一種嵌固作用，也會(huì)增大袋體層間摩擦作用。

土工袋浸泡于水下時(shí)，由于水的潤(rùn)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(guò)土工袋修復(fù)膨脹土邊坡抗滑穩(wěn)定性算例得知，兩種滑動(dòng)形式的安全因數(shù)分別達(dá)到1.48與1.25，證明了土工袋是修復(fù)膨脹土邊坡局部破壞的一條有效途徑。