粗顆粒土工布加筋強(qiáng)度特性及護(hù)岸工程應(yīng)用研究

王成言

（中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

1 引言

土工布是一種具有增強(qiáng)、保護(hù)、過濾、排水作用的合成纖維織物[1]。由于土工布原材料豐富、造價(jià)較低在各個領(lǐng)域都得到了較好的應(yīng)用[2~3]。作為一種常用的加筋材料，土工布具有提高材料強(qiáng)度的特性，目前常用的土工布加筋強(qiáng)度研究方法主要為數(shù)值模擬方法，包括有限元數(shù)值模擬[4~5]和離散元數(shù)值模擬方法[6]；同時使用室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)可以獲取加筋土的強(qiáng)度特征[7~8]。通過前人研究可知，土工布作為加筋材料可以提高天然巖土體強(qiáng)度參數(shù)。但土工布易老化，耐久性較差[9~10]。因此，需要對土工布進(jìn)行改進(jìn)保證土工布的強(qiáng)度。本文以天津某河道護(hù)岸工程為例，對改進(jìn)土工布加筋強(qiáng)度、土工布耐久性進(jìn)行分析，為類似工程提供參考。

該工程位于天津市，治理段總長500 m，岸坡總高約3.0 m。在河流的長期作用下，河道岸坡穩(wěn)定性較差，常有塌岸現(xiàn)象發(fā)生，河道沿岸為人行道，路基遭受河流沖刷嚴(yán)重，局部已經(jīng)掏空，嚴(yán)重危害到行人的安全。因此，需要采用相應(yīng)的措施進(jìn)行治理。

2 改進(jìn)土工布特性實(shí)驗(yàn)

2.1 抗老化特性實(shí)驗(yàn)分析

TiO2是一種造價(jià)低廉、性質(zhì)穩(wěn)定的半導(dǎo)體材料，具有較大的比表面積、吸收光能性質(zhì)較好，同時具有較好的表面活性、無毒且生產(chǎn)簡便無污染。使用TiO2水溶膠浸泡聚丙烯土工布，對其特性進(jìn)行研究。

將制備完好的TiO2水溶膠改進(jìn)土工布，進(jìn)行紫外線老化后的斷裂強(qiáng)度探測。將處理后的土工布放置300 W的紫外線老化箱內(nèi)，進(jìn)行紫外線照射，時長分別為2 h、4 h、6 h、8 h，同時對未經(jīng)處理的土工布進(jìn)行強(qiáng)度測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1和圖1。

從表1和圖1可以看出，TiO2水溶膠改進(jìn)土工布具有較好的抗紫外線照射老化效果，隨著紫外線照射時長的增加，土工布斷裂強(qiáng)力逐漸減小，其中處理前、后橫向、縱向強(qiáng)力變化較為一致，兩者差距不大于1%，可認(rèn)為橫向、縱向強(qiáng)力一致，添加TiO2處理后，并未造成橫、縱向強(qiáng)力產(chǎn)生不同的變化。未經(jīng)處理的土工布強(qiáng)度衰減速率較快，且照射相同時長其斷裂強(qiáng)力也小于TiO2水溶膠改進(jìn)土工布斷裂強(qiáng)力，因此，使用TiO2水溶膠改進(jìn)土工布具有較好的抗紫外線照射老化特性。

表1 不同照射時長斷裂強(qiáng)力 單位：N

圖1 土工布老化后強(qiáng)度曲線

2.2 抗水洗特性實(shí)驗(yàn)分析

該土工布主要用于加筋岸坡粗顆粒巖土體，保護(hù)河道岸坡的穩(wěn)定，因此需要具備較好的抗水洗特性。按照要求制備4組試樣：試樣1為未經(jīng)處理的原狀土工布；試樣2為TiO2水溶膠改進(jìn)土工布；試樣3為將TiO2水溶膠改進(jìn)土工布置入去離子水中，然后放入60℃的水中浸泡24 h；試樣4為未經(jīng)處理土工布置入去離子水中，然后放入60℃的水中浸泡24 h。將4組試樣取出后進(jìn)行烘干，進(jìn)行老化試驗(yàn)，老化試驗(yàn)與2.1節(jié)中一致。試驗(yàn)結(jié)果見表2、表3和圖2、圖3。

從表2、表3和圖2、圖3可以看出TiO2水溶膠改進(jìn)土工布橫向、縱向強(qiáng)力均較未處理的土工布有較大的提升，隨著照射時長增加，強(qiáng)度差距越明顯。說明TiO2水溶膠改進(jìn)土工布具有較好的抗水洗能力，適宜在護(hù)岸工程處理中使用。

表2 水處理縱向強(qiáng)力 單位：N

圖2 水處理縱向強(qiáng)力

表3 水處理橫向強(qiáng)力 單位：N

圖3 水處理橫向強(qiáng)力

3 改進(jìn)土工布工程應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)方案

在天津某河道護(hù)岸工程工程區(qū)，獲取原狀粗顆粒巖土體，作為試驗(yàn)的原材料。使用TiO2水溶膠改進(jìn)土工布材料作為加筋材料對原狀粗顆粒進(jìn)行處理，研究不同加筋層數(shù)情況下，粗顆粒的強(qiáng)度特征。使用室內(nèi)常規(guī)三軸試驗(yàn)進(jìn)行研究。

試樣尺寸設(shè)計(jì)為直徑為100 mm，高度H=200 mm的圓柱體；試樣模型和土工布布置方案如圖4所示，從左至右分別表示，不布置土工布、布置一層土工布、布置兩層土工布、布置三層土工布，土工布具體布置位置如圖所示。

設(shè)計(jì)圍壓分別為 200 kPa、400 kPa、800 kPa、1200 kPa。

圖4 土工布布置方案

3.2 強(qiáng)度特征

獲取偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系曲線，如圖5所示?？梢缘弥催M(jìn)行加筋處理或者加筋層數(shù)較少（1層）的試樣具有較為明顯的應(yīng)變軟化特征，隨著使用TiO2水溶膠改進(jìn)土工布的增多，隨著變形的增加，在圍壓較大的情況下，試樣表現(xiàn)出應(yīng)變強(qiáng)化特征。

通過圖5可以看出，不同圍壓情況下偏應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力（剪切破壞應(yīng)力）時的軸向應(yīng)變，該應(yīng)變?yōu)檩S向破壞應(yīng)變。在同樣的土工布層數(shù)情況下，隨著三軸試驗(yàn)圍壓的增大，軸向破壞應(yīng)變也逐漸增大。這表明，采用TiO2水溶膠改進(jìn)土工布作為加筋材料，對粗顆粒進(jìn)行處理后，粗顆粒的韌性逐漸增大，加筋層數(shù)越多，韌性越強(qiáng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在圍壓分別為200 kPa、400 kPa、800 kPa、1200 kPa情況下，加筋層數(shù)每增加一層，其對應(yīng)的的軸向破壞應(yīng)變增加約0.020、0.093、0.089、0.015，由此可知，土工布加筋層數(shù)對于不同圍壓的變形均有較為明顯的影響作用。因此，在進(jìn)行護(hù)岸工程設(shè)計(jì)和建設(shè)時期，使用土工布對岸坡原始粗顆粒進(jìn)行加筋處理，其破壞應(yīng)變會有不同程度的提高。從此方面來看，岸坡穩(wěn)定性和抗破壞能力均會有所提升。度特性進(jìn)行分析，隨著加筋層數(shù)的增加，不同圍壓下，粗顆粒的抗剪強(qiáng)度和破壞時所對應(yīng)的軸向應(yīng)變均有不同程度的提高，應(yīng)力應(yīng)變曲線也從應(yīng)變軟化型向應(yīng)變硬化型過渡。

圖5 偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系曲線

4 護(hù)岸工程應(yīng)用效果

通過上述研究，土工布具有較好的加筋作用以及排水效果，根據(jù)工程設(shè)計(jì)方案，使用TiO2水溶膠改進(jìn)土工布進(jìn)行加筋處理，根據(jù)工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工建設(shè)。自工程建設(shè)完成以來，河道護(hù)岸已經(jīng)投入使用數(shù)年，岸坡具有較好的穩(wěn)定性，治理前的塌岸、侵蝕路基現(xiàn)象，已無再現(xiàn)。

5 結(jié)論

（1）針對土工布的特點(diǎn)，使用TiO2水溶膠改進(jìn)土工布。通過紫外線照射老化試驗(yàn)、以及水洗試驗(yàn)。結(jié)果表明TiO2水溶膠改進(jìn)土工布具有較好的抗老化、抗水洗效果，可以有效提高原土工布的耐久性。

（2）通過室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，對改進(jìn)后的土工布加筋粗顆粒強(qiáng)

（3）通過實(shí)例印證，TiO2水溶膠改進(jìn)土工布加筋粗顆粒在護(hù)岸工程中有較好的應(yīng)用，可在工程建設(shè)中進(jìn)行推廣。