路基邊坡黃麻植生袋的性能測(cè)試與穩(wěn)定性分析

劉昆玨，劉 問，劉明西，樊 旭

(1.云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司，650000，昆明；2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

改革開放40年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的日益增強(qiáng)，鐵路、公路、橋梁及水利工程等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)飛速發(fā)展，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益的同時(shí)也引發(fā)一系列的地表環(huán)境問題——修筑鐵路與公路、開采礦山、興建水利等工程建設(shè)過程中，常形成大量的裸露斜坡，在長(zhǎng)期雨水沖刷下易產(chǎn)生土壤侵蝕現(xiàn)象，造成水土流失，高效的水土保持工程能夠提升生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性，促進(jìn)生產(chǎn)建設(shè)與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)性[1]。因此，工程建設(shè)在做好設(shè)計(jì)與施工等工作的同時(shí)，也必須考慮到水土保持，生態(tài)修復(fù)與環(huán)境保護(hù)。

路基邊坡的傳統(tǒng)防護(hù)措施多為圬工防護(hù)，雖然護(hù)坡作用明顯，但與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)性差，不符合生態(tài)文明建設(shè)理念[2]。近年來我國(guó)積極發(fā)展多種既能防護(hù)邊坡、又能改善生態(tài)環(huán)境的植被防護(hù)技術(shù)，例如，植生袋、植生毯、液壓噴播等。植生袋技術(shù)將裝有植物種子與生長(zhǎng)基質(zhì)的植生袋按一定規(guī)律碼放在邊坡上。在建成初期，植生袋可有效防止邊坡土體的雨水沖刷，提高邊坡的穩(wěn)定性[3]；在建成后期，植生袋內(nèi)植物根系向下發(fā)育延伸至邊坡土體內(nèi)，發(fā)揮植物根系固土作用[4]。傳統(tǒng)的植生袋通常由尼龍網(wǎng)、無紡布及紙漿等材料構(gòu)成，成本較高。黃麻纖維是僅次于棉纖維的第二大天然植物纖維，具有吸濕、抗菌、透氣、耐磨等優(yōu)點(diǎn)，以及較于其他麻纖維具有明顯優(yōu)勢(shì)：產(chǎn)量大、價(jià)格低、力學(xué)性能優(yōu)良[5]。因此，黃麻纖維制作的植生袋能夠有效的降低成本，并具有優(yōu)異的生態(tài)效果。而且，黃麻纖維分解后可為植物提供養(yǎng)料，發(fā)揮剩余價(jià)值。

植生袋護(hù)坡工程的穩(wěn)定性分析通常包括2方面：一是植生袋施工后邊坡的穩(wěn)定性[4]，二是植生袋自身的穩(wěn)定性分析。對(duì)于植生袋自身的穩(wěn)定性分析方面的研究較少，且強(qiáng)降雨情況下植生袋自身更易發(fā)生滑移、傾覆等破壞。筆者用黃麻布制做植生袋，測(cè)量黃麻植生袋的基本性能，并分析其在坡面的穩(wěn)定性，研究成果可為植生袋的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

所用實(shí)驗(yàn)材料為產(chǎn)于江西省的黃麻加工的黃麻編織布，采用2種常用規(guī)格：50號(hào)與80號(hào)，分別表示 10 cm 長(zhǎng)度麻布內(nèi)含50根麻線與80根麻線(圖1)。50號(hào)與80號(hào)麻布的面密度分別為232.1與371.36 g/m2，滿足植生袋質(zhì)量要求。

圖1 50號(hào)與80號(hào)黃麻布的編織密實(shí)度Fig.1 Weaving densities of No.50 and No.80 jute cloth

1.2 性能測(cè)試與計(jì)算方法

1.2.1 拉伸強(qiáng)度試驗(yàn) 黃麻布的拉伸實(shí)驗(yàn)依據(jù)GB/T 15788—2017 《土工合成材料 寬條拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行。試樣尺寸為200 mm×40 mm，夾持間距為100 mm，每組設(shè)7個(gè)試樣。應(yīng)用WDW- 100E試驗(yàn)機(jī)以拉伸速度為15 mm/min加載，加載過程中記錄荷載- 位移曲線與最大荷載及其對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)量。

拉伸強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率分別依據(jù)下式計(jì)算：

Tmax=Fmax/B；

(1)

(2)

式中：Tmax為拉伸強(qiáng)度，kN/m；εmax為伸長(zhǎng)率，%；Fmax為實(shí)驗(yàn)測(cè)量的最大荷載，kN；B為試樣名義寬度，m；ΔL為對(duì)應(yīng)于最大荷載的伸長(zhǎng)，mm；L0與L′0分別為達(dá)到預(yù)負(fù)荷的伸長(zhǎng)與實(shí)際隔距長(zhǎng)度，mm。

1.2.2 撕裂強(qiáng)度測(cè)試 黃麻布的撕裂實(shí)驗(yàn)參考GB/T 13763—2010 《土工合成材料 梯形法撕破強(qiáng)力的測(cè)定》進(jìn)行。試樣尺寸為60 mm×40 mm，設(shè)置7 mm 長(zhǎng)度的初始單邊切口，夾持間距為40 mm，每組設(shè)置7個(gè)試樣。應(yīng)用WDW- 100E萬能試驗(yàn)機(jī)以5 mm/min速度加載。

1.3 穩(wěn)定性計(jì)算理論

1.3.1 基本假定 1)路基邊坡整體穩(wěn)定性良好，因此在植生袋穩(wěn)定性分析中，假定路基邊坡為深層穩(wěn)定邊坡，將植生袋和路基邊坡的接觸面視為預(yù)計(jì)的破裂滑動(dòng)面；2)植生袋碼砌于邊坡上，與邊坡間用填土填充，植生袋施工完畢后，通常會(huì)在植生袋表面進(jìn)行覆土和遮蓋防護(hù)網(wǎng)等。為簡(jiǎn)化計(jì)算，筆者將覆土與植生袋內(nèi)土體、植生袋與坡體間填土視作等厚的混合土體；3)在植生袋施工時(shí)，底層植生袋一般低于坡腳或被水泥框架梁固定，不會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)失穩(wěn)，可視作固定體；袋體之間使用三維連接扣增強(qiáng)連接，可將剪切強(qiáng)度提高370%[6-7]，假定有連接扣連接的植生袋為一整體系統(tǒng)。根據(jù)以上3個(gè)假定條件，植生袋在邊坡失穩(wěn)破壞方式為：底部倒數(shù)第2層植生袋為最大受力體，承受其上整體植生袋的下滑力而擠出，引起上部植生袋垮塌。

1.3.2 自然狀態(tài)及強(qiáng)降雨條件下的穩(wěn)定性分析 自然狀態(tài)下，路基邊坡上植生袋的破壞方式為底部第2層的植生袋擠出，引起整個(gè)坡面植生袋失穩(wěn)。因此，以該層植生袋的穩(wěn)定性為分析計(jì)算對(duì)象。選取植生袋體長(zhǎng)度為穩(wěn)定性分析的條狀帶寬度，底部第3層至頂層植生袋的混合土體重力為：

(3)

如圖2所示，式中：W為上述混合土體重力，kN；l、w和h分別為植生袋的長(zhǎng)、寬和高，m；θ為路基邊坡的坡度，(°)；H為路基邊坡的垂直高度，m；b為混合土體的垂直厚度，m；γ為混合土體的重度，自然狀態(tài)下取16.9 kN/m3。

圖2 植生袋在路基邊坡上穩(wěn)定性分析的假定簡(jiǎn)圖Fig.2 Stability analysis of the planting bag on the subgrade slope

如圖3所示，W向下層傳遞到底部第2層植生袋，引起的該植生袋沿坡體方向的作用力為：

(4)

式中：φ為植生袋與路基邊坡間填土的內(nèi)摩擦角，(°)；c為填土的摩擦力，kN；FP為底部第2層植生袋所受沿坡體方向作用力，kN。

N2為底層植生袋豎直支撐力，kN。圖3 底部第2層植生袋的受力簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic diagram of load on the bottom second layer of planting bag

計(jì)算該植生袋在水平方向上的抗滑移穩(wěn)定性，即，滑移力FT與抗滑力FR，二者均與Fp相關(guān)，見式(5)與(6)，

FT=FPcosθ=

(5)

(6)

式中：Ff為植生袋間水平摩擦力；μb為自然狀態(tài)下植生袋間的摩擦系數(shù)；FC為植生袋間三維連接扣的抗剪阻力，kN；W′為底部第2層植生袋的重力，kN。

穩(wěn)定性系數(shù)

(7)

式7計(jì)算的底部第2層植生袋的K小于抗滑穩(wěn)定系數(shù)時(shí)，植生袋處于穩(wěn)定狀態(tài)，否則，該層植生袋擠出，引起上部植生袋整體滑落。

在實(shí)際工程中，植生袋防護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)常因持續(xù)強(qiáng)降雨產(chǎn)生滑移、傾覆等破壞，不僅達(dá)不到工程綠化的效果，而且還影響路基邊坡的穩(wěn)定性。

強(qiáng)降雨條件下，植生袋的穩(wěn)定性仍采用式7計(jì)算。但強(qiáng)降雨條件從2方面影響植生袋穩(wěn)定性：1)雨水入滲土體，降低土體的強(qiáng)度指標(biāo)φ與c，增大γ[8-9]；2)植生袋浸漬雨水后，袋體與邊坡間形成孔隙水壓力V，以及沿滑帶形成動(dòng)水壓力(滲透壓力)D，對(duì)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利作用。研究表明，植生袋防護(hù)工程中V與D的作用力較小。因此，第2種不利影響可以忽略不計(jì)[10]；強(qiáng)降雨引起的土體強(qiáng)度指標(biāo)變化較大，對(duì)穩(wěn)定性的第一種不利影響很大[11]。

在水流作用下，單個(gè)袋體還受到水流拖曳力、上舉力等作用[10]。

1)塊體受到的拖曳力

(8)

式中：FD為拖曳力，kN；CD為拖曳力系數(shù)；A1為植生袋在垂直于來流方向的投影面積，m2；γw為水的重度，kN/m3；v為坡面流速，m/s；g為重力加速度，g=9.8 m/s2。

2)塊體受到的上舉力

(9)

式中：CL為上舉力系數(shù)；A2為植生袋在來流方向的投影面積，m2。

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

拉伸破壞前后的試樣見圖4。計(jì)算結(jié)果列于表1，黃麻布材料的拉伸強(qiáng)度大于植生袋拉伸強(qiáng)度不<12 kN/m的要求，且最大伸長(zhǎng)率較小，優(yōu)于植生袋的40%～50%變形要求。

圖4 拉伸試樣與加載方法Fig.4 Tensile sample and loading method

表1 黃麻布的拉伸強(qiáng)度與拉伸伸長(zhǎng)率

2.2 撕裂強(qiáng)度試驗(yàn)分析

破壞前后的試樣見圖5。根據(jù)規(guī)范計(jì)算的50號(hào)與80號(hào)麻布的撕裂強(qiáng)度結(jié)果列于表2，可見黃麻布材料的撕裂強(qiáng)度大于規(guī)范要求的植生袋撕裂強(qiáng)度≥0.14 kN/m的要求。

圖5 撕裂試樣與加載方法Fig.5 Torn sample and loading method

表2 麻布的撕裂強(qiáng)度

2.3 錨桿掛網(wǎng)條件下的穩(wěn)定性分析

上述分析表明，強(qiáng)降雨條件下，植生袋對(duì)路基邊坡的生態(tài)防護(hù)可能存在失穩(wěn)問題，可采用錨桿掛網(wǎng)措施進(jìn)行加固。即，在植生袋表面鋪設(shè)一層鋼絲網(wǎng)，并通過植入坡體的錨桿將鋼絲網(wǎng)固定，實(shí)現(xiàn)植生袋與路基坡面的緊密結(jié)合，增強(qiáng)其穩(wěn)定性[12]。假設(shè)錨桿為連續(xù)且各向同性的線彈性介質(zhì)，且均勻錨固在路基邊坡的坡體內(nèi)，即所有錨桿均勻受力。在這種情況下，錨桿的承載能力是植生袋穩(wěn)定性的決定因素。

相鄰錨桿的行間距與列間距分別設(shè)為S和L。錨桿承受的拉力是由鋼絲網(wǎng)與復(fù)合土體的重力作用產(chǎn)生。如圖6所示，不計(jì)入下部底層植生袋，單列錨桿范圍內(nèi)混合土體與鋼絲網(wǎng)的總重力

(10)

式中：W1為總重力，kN；γn為鋼絲網(wǎng)的單位面積重度，kN/m2。

圖6 錨桿掛網(wǎng)下植生袋的受力簡(jiǎn)圖Fig.6 Stress sketch of planting bag under the anchor net

計(jì)算底部第2層植生袋的抗滑移力

F=μbN+FC

(11)

式中N為底部第二層植生袋受到的支撐力。

路基邊坡對(duì)植生袋混合土體的作用力P是法向支撐力N′與摩擦力F′f與路基邊坡對(duì)植生袋混合物的合力，P與坡面法線的夾角等于邊坡填土的內(nèi)摩擦角φ[13]。Q是單列錨桿范圍內(nèi)鋼絲網(wǎng)和錨桿對(duì)植生袋混合土體的固定作用力，垂直于路基坡面。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定P、W1與Q作用于0.5H處。對(duì)P、W1與Q的作用點(diǎn)處求矩，可以得到F=Ncotθ，代入式11，得出N的計(jì)算方法，即

(12)

根據(jù)靜力平衡條件可得，

Pcos (θ-φ)+N=W1+Qcosθ；

(13)

Psin (θ-φ)=F+Qsinθ；

(14)

結(jié)合式10～14，化簡(jiǎn)得出

(15)

Q主要由單列錨桿拉力T承擔(dān)。根據(jù)GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》，T取值要考慮工作條件系數(shù)γw，即式16，一般情況γw取1.1。

T=γwQ。

(16)

另一方面，錨桿抗拉錨固力由錨桿尺寸、錨固深度及其與路基邊坡的粘結(jié)強(qiáng)度決定。單根錨桿的抗拉錨固力Fa由以下3種情況確定。

1)錨桿筋體的抗拉承載力Fa1

(17)

式中：fy為鋼筋錨桿的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Ab為錨桿的截面積；db為錨桿的直徑。

2)錨桿錨固段注漿與筋體間的抗拔承載力

Fa2=f′msCbla=πf′msdbla。

(18)

式中：f′ms為錨固段注漿體與筋體間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Cb為錨桿的周長(zhǎng)；la為錨桿的錨固長(zhǎng)度。

3)注漿體與邊坡鉆孔間的抗拔承載力

(19)

式中：fmg為錨固段注漿體與邊坡鉆孔間極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；λ為錨桿段注漿體與邊坡鉆孔間的粘結(jié)抗拔安全系數(shù)，取2.2；Ca為錨桿錨固段鉆孔周長(zhǎng)；D為鉆孔直徑；ψ為錨固段長(zhǎng)度對(duì)極限粘結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)，取1.6。

則單根錨桿能承擔(dān)的錨固力Fa由下式確定，

Fa=min {Fa1,Fa2,Fa3}

(20)

單根錨桿的抗拔安全性系數(shù)

(21)

式中Ti為單根錨桿受到的拉拔力。對(duì)于永久性錨桿，Kin≥1.35表明錨固狀態(tài)穩(wěn)定。

3 結(jié)論與討論

筆者對(duì)在路基邊坡使用的黃麻植生袋的黃麻材料進(jìn)行性能測(cè)試，分析不同條件下植生袋在路基邊坡的穩(wěn)定性，并結(jié)合路基邊坡的常規(guī)條件進(jìn)行實(shí)例計(jì)算。主要結(jié)論如下：

1)10 cm長(zhǎng)度內(nèi)含50根麻線(50號(hào))與80根麻線(80號(hào))的黃麻布的面密度分別為232.1 g/m2與371.36 g/m2，滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)植生袋的質(zhì)量要求。拉伸強(qiáng)度分別為14.7與22.2 MPa，撕裂強(qiáng)度分別為0.35與0.56 MPa，均滿足制造植生袋的土工布的性能要求，拉伸率分別為6.1%與10.7%，優(yōu)于對(duì)土工布的性能要求。

2)應(yīng)用麻質(zhì)植生袋于路基邊坡，建立其在自然狀態(tài)下穩(wěn)定性的評(píng)估方法，同時(shí)考慮強(qiáng)降雨?duì)顟B(tài)下植生袋、邊坡物理性能變化和水流等因素共同作用，綜合得出強(qiáng)降雨?duì)顟B(tài)下的穩(wěn)定性計(jì)算方法。自然狀態(tài)以及降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析實(shí)例如下：

根據(jù)路基邊坡的常規(guī)條件，進(jìn)行黃麻植生袋的穩(wěn)定性計(jì)算。假定路基邊坡的坡度為1∶1.15，坡高為8 m，填土的φ=21.8°與c=2 kPa。黃麻植生袋的裝土后尺寸為0.6 m×0.4 m×0.2 m，實(shí)測(cè)干燥狀態(tài)下袋體間摩擦系數(shù)μb為0.59，植生袋間連接扣的剪切作用力FC=2 kN?；谝陨蠗l件，根據(jù)式4～7，計(jì)算得出自然狀態(tài)下黃麻植生袋的穩(wěn)定性系數(shù)KS=1.51。規(guī)范規(guī)定，一般工況下，一級(jí)邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)KS=1.35，則植生袋在該路基邊坡上穩(wěn)定性良好。

在3 mm/min的降雨條件下，該邊坡的坡面流速v=0.4 m/s。由于單個(gè)黃麻植生袋嵌入防護(hù)結(jié)構(gòu)中，其側(cè)面并無水流，所以袋體不受拖曳力的影響。按照極端條件計(jì)算上舉力，拖曳力系數(shù)取0.5，則根據(jù)式9得到上舉力FL=9.6 N。因此在強(qiáng)降雨條件下，上舉力也可以忽略不計(jì)。針對(duì)強(qiáng)降雨引起的土體強(qiáng)度指標(biāo)變化，袋內(nèi)混合土體的飽和重度γ為19 kN/m3，飽和狀態(tài)下的φ、c分別取7°和0.7 kPa代入式7，實(shí)測(cè)飽和狀態(tài)下黃麻植生袋的摩擦系數(shù)μb為0.42，計(jì)算得出穩(wěn)定性系數(shù)KS=0.52。此時(shí)麻質(zhì)植生袋的生態(tài)防護(hù)處于非穩(wěn)定狀態(tài)，須采取工程措施增強(qiáng)穩(wěn)定性。

3)對(duì)強(qiáng)降雨條件下的路基邊坡的黃麻植生袋進(jìn)行錨桿掛網(wǎng)加固，組成黃麻植生袋生態(tài)護(hù)坡系統(tǒng)，進(jìn)行強(qiáng)降雨飽和條件下袋體穩(wěn)定性的計(jì)算。

對(duì)于坡高8 m，坡度為1∶1.15的邊坡，錨桿采用Ⅲ級(jí)螺紋鋼筋，直徑db=25 mm，鉆孔直徑D=50 mm， 錨固深度la=2.5 m。根據(jù)式17～20，上述條件下，F(xiàn)a1=176.71 kN，F(xiàn)a2=196.35 kN，F(xiàn)a3=171.36 kN，則單根錨桿的錨固力Fa=171.36 kN。

另一方面，錨桿行間距S與列間距L分別設(shè)置為2.5與1.0 m，鋼絲網(wǎng)單位面積重度γn=0.02 kN/m2。按強(qiáng)降雨?duì)顟B(tài)的飽和條件進(jìn)行計(jì)算，將飽和狀態(tài)下的袋內(nèi)混合土體重度γ及填土的內(nèi)摩擦角φ和黏聚系數(shù)c代入式15，計(jì)算得出，單列錨桿覆蓋范圍內(nèi)，鋼絲網(wǎng)和錨桿對(duì)袋內(nèi)混合土體的作用力Q=395.56 kN。

由式16，單列錨桿的總拉力T=435.11 kN。根據(jù)錨桿的列間距，單根錨桿承受的拉拔力Ti=108.78 kN。在此條件下，錨桿的抗拔安全系數(shù)Kin=1.58，滿足穩(wěn)定性要求。在筆者設(shè)置的路基邊坡的常用條件中，錨桿掛網(wǎng)設(shè)置滿足強(qiáng)降雨條件下黃麻植生袋的穩(wěn)定性要求。