土工布加筋顆粒土力學(xué)特性及其在河道護(hù)坡工程中的應(yīng)用研究

鄒雨良，肖夢芬

(1.惠州市華禹水利水電工程勘測設(shè)計(jì)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000；2.深圳市鹽田區(qū)工程質(zhì)量安全監(jiān)督中心，廣東 深圳 518000)

1 概述

土工布是一種在工程建設(shè)中較為常用的合成纖維織物，該材料具備過濾、排水、提高強(qiáng)度等作用[1-3]。土工布制作簡單、造價低廉，在工程使用中獲取了良好的效果。目前，土工布主要作為排水材料在水利工程中得以應(yīng)用。由于土工布強(qiáng)度較高，近年來也逐漸作為加筋材料在工程建設(shè)活動中使用[4-7]。為了分析土工布加筋材料的各項(xiàng)參數(shù)，主要采用數(shù)值模擬方法、室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究。土工布雖然強(qiáng)度較高，在風(fēng)化因素影響下也容易出現(xiàn)老化現(xiàn)象，因此，除了強(qiáng)度參數(shù)，對土工布材料的耐久性進(jìn)行研究也是十分必要的。針對耐久性較差的土工布，可采取相關(guān)措施改善土工布易老化的現(xiàn)狀。河道治理工程中，需要保證河道岸坡的穩(wěn)定，并具有一定的生態(tài)效益，采用土工布較為適宜[8-10]。本文結(jié)合某河道綜合治理工程，研究土工布加筋材料強(qiáng)度特性以及改善土工布的抗老化特性，對其在河道綜合治理工程中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

2 土工布抗老化特性

2.1 抗老化特性研究

工程選用聚丙烯土工布，為了改善土工布的抗老化特性，選取用TiO2水溶膠浸泡土工布后，研究土工布的抗老化特性。TiO2是一種常見的半導(dǎo)體材料，具備低價、穩(wěn)定、吸光性強(qiáng)、無毒、制造方法簡單等優(yōu)勢。

實(shí)驗(yàn)總體步驟如下：①將購買的聚丙烯土工布置于TiO2水溶膠中浸泡，利用紫外線對土工布進(jìn)行照射、老化；②通過斷裂強(qiáng)度研究處理后的土工布的老化特性，對比實(shí)驗(yàn)為未經(jīng)浸泡的土工布材料。實(shí)驗(yàn)方法如下：處理后的土工布置于300W的紫外線老化箱中，照射時長設(shè)置為2、4、6、8h。照射后的土工布材料斷裂強(qiáng)度參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同照射時長斷裂強(qiáng)力 單位：N

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知：利用TiO2水溶膠浸泡后，聚丙烯土工布的抗老化強(qiáng)度參數(shù)有了較為明顯的改善；土工布材料強(qiáng)度隨著紫外線照射時長的增加而減小，且采用TiO2水溶膠處理后的土工布斷裂強(qiáng)力衰減速率也有所減小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用TiO2水溶膠處理后，可以在一定程度上改善聚丙烯土工布易老化的現(xiàn)狀，可在使用前采用TiO2水溶膠對土工布進(jìn)行浸泡處理。

2.2 抗水洗特性研究

根據(jù)調(diào)查，工程岸坡巖土體主要為顆粒土，結(jié)構(gòu)較為松散，滲透性良好，為了保證土工布長效發(fā)揮效益，其抗水洗能力是其耐久性的重要指標(biāo)之一。為了研究不同處理措施，聚丙烯土工布的抗水洗特性，共制備4組試樣，試樣處理方式見表2。

表2 試樣制備

4組試樣制作完成后，取出烘干水分，開始進(jìn)行老化試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程與上節(jié)實(shí)驗(yàn)方法一致。試驗(yàn)結(jié)果見表3—4，如圖1—2所示。

表3 水處理縱向強(qiáng)力 單位：N

圖1 水處理縱向強(qiáng)力

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知：利用TiO2水溶膠浸泡后，聚丙烯土工布的橫向、縱向強(qiáng)力均有較為明顯的改善；隨著紫外線照射時長的增大，各組試樣間的強(qiáng)力差距也越大；利用TiO2水溶膠浸泡后，可以改善土工布的抗水洗能力，可在一定程度上提高其在顆粒土護(hù)岸工程使用中的耐久性。

表4 水處理橫向強(qiáng)力 單位：N

圖2 水處理橫向強(qiáng)力

3 改進(jìn)土工布加筋土強(qiáng)度特征研究

3.1 試驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證采用改進(jìn)土工布的加筋土強(qiáng)度特性，通過現(xiàn)場獲取顆粒土材料，使用改進(jìn)的土工布作為加筋材料進(jìn)行處理，分別獲取不同土工布加筋層數(shù)對巖土體強(qiáng)度參數(shù)的影響，從而獲取材料強(qiáng)度情況。實(shí)驗(yàn)方法采用常規(guī)三軸試驗(yàn)進(jìn)行。

試樣尺寸按照常規(guī)三軸試驗(yàn)制備，試樣為圓柱體，直徑100mm，高度200mm。不同組試樣模型土工布層數(shù)方案如圖3所示，分別設(shè)置0、1、2、3層土工布。三軸試驗(yàn)圍壓設(shè)置為200、400、800、1200kPa。

圖3 土工布布置方案[11-12]

3.2 強(qiáng)度特征

根據(jù)三軸試驗(yàn)結(jié)果，繪制偏應(yīng)力和軸向應(yīng)力的關(guān)系曲線，成果如圖4所示。從圖4中可以得知，不采取改進(jìn)土工布加筋處理的試樣，在試驗(yàn)?zāi)┒司哂休^為顯著的應(yīng)變軟化現(xiàn)象；隨著土工布加筋層數(shù)的增多，應(yīng)變軟化現(xiàn)象有所改善，甚至在圍壓不斷增大的情況下可出現(xiàn)應(yīng)變強(qiáng)化的現(xiàn)象。

圖4 不同土工布層數(shù)偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系曲線(n為土工布層數(shù))

軸向破壞應(yīng)變?yōu)槠珣?yīng)力達(dá)到剪切破壞時的軸向應(yīng)變。根據(jù)三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圍壓、土工布加筋層數(shù)對軸向破壞應(yīng)變具有一定的影響，在改進(jìn)土工布層數(shù)一致的情況下，圍壓越大軸向破壞應(yīng)變也越大。隨著土工布層數(shù)的增多，軸向破壞應(yīng)變越大。這一現(xiàn)象表明：使用土工布對現(xiàn)場的顆粒土進(jìn)行加筋處理可在一定程度上改善原顆粒土土的抗拉強(qiáng)度，提高材料的韌性，土工布層數(shù)越多，材料韌性提升越大。采用土工布對原始岸坡材料進(jìn)行加筋處理，可在一定程度上提升材料的抗剪切破壞能力，從而有助于改善岸坡的穩(wěn)定性情況。在岸坡綜合治理中，可采用土工布對原有的岸坡巖土體進(jìn)行處理，從而提升河道岸坡的穩(wěn)定性。

4 護(hù)岸工程應(yīng)用研究

4.1 工程概況

河道岸坡綜合治理試驗(yàn)段總長100m，河道岸坡高度約在4.0～5.0m。由于河道岸坡常年處于未治理狀態(tài)，表層回填土厚度大，且存在建筑垃圾等。同時，在水流的長期侵蝕、沖刷作用下，河道岸坡穩(wěn)定性情況較差，部分已經(jīng)侵蝕掏空，由于河堤兼具道路通行作用，河道現(xiàn)狀對行人安全影響較大。綜合考慮，需采取加固治理措施，以保證岸坡及道路的安全。

從土工布加筋顆粒土三軸試驗(yàn)結(jié)果可知，使用改進(jìn)后的土工布加筋材料抗剪強(qiáng)度有所提升，可采用土工布加筋岸坡巖土體的方法對河道岸坡進(jìn)行治理。

4.2 防護(hù)效果

試驗(yàn)段岸坡建設(shè)完成后，在河道岸坡的沖刷、侵蝕影響下，并未出現(xiàn)治理之前的塌方等現(xiàn)象?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果說明：使用土工布加筋顆粒土取得了較為良好的加固效果，具有較顯著的工程實(shí)踐意義。

5 結(jié)論

(1)土工布在工程中較為常用，但其易老化特征導(dǎo)致工程耐久性不強(qiáng)。通過實(shí)驗(yàn)，使用TiO2水溶膠浸泡可在一定程度上提高土工布的抗老化性，提高聚丙烯土工布的耐久性。

(2)使用土工布加筋顆粒土，可提高顆粒土的抗剪強(qiáng)度特性。隨著土工布加筋層數(shù)的增多，三軸試驗(yàn)圍壓的增大，巖土體的軸向破壞應(yīng)變也有所增大。隨著土工布層數(shù)的增多以及圍壓的增大，應(yīng)力應(yīng)變曲線甚至出現(xiàn)由應(yīng)變軟化向應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。

(3)通過改進(jìn)土工布在試驗(yàn)段河道治理工程中的應(yīng)用，該方法可在一定程度上提高河道岸坡的穩(wěn)定性情況和抗沖刷能力。