新型纖維生態袋在梯田筑坎中的應用

張 媛，李榮建

(1.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000；2.西安理工大學 巖土工程研究所，陜西 西安 710048；3.陜西省黃土力學與工程重點實驗室，陜西 西安 710048)

膨脹土作為一種特殊的粘性土，其成分蒙脫石、伊利石等粘土礦物具有很強的親水性[1-2]，正是礦物成分、微觀結構等主要內因使膨脹土具有遇水膨脹、失水收縮，從而反復脹縮變形的特性[3]，給工程帶來了很多危害。膨脹土分布很廣泛，在全世界的40多個國家均存在，帶來的危害是巨大的[4]，20世紀30年代，在一例位于美國俄勒岡州的基礎工程中，人們首次意識到膨脹土的危害問題[5]，隨后膨脹土開始逐漸引起人們的關注。

在我國陜南地區膨脹土分布十分廣泛，由于土壤中粘粒含量過高、該地區雨量多且持續時間長，土體遇水膨脹導致的梯田垮塌、邊坡失穩等現象頻增，給當地帶來了巨大的經濟損失。

而以聚丙烯纖維或聚酯纖維為主要原材料的纖維生態袋具有以下優點：無毒無害、抗潮濕抗腐蝕、抗高溫低溫、環保性好、透水保土、利于植物生長，將其用在坡改梯梯田筑坎建設中，解決了梯田垮塌的問題，同時又加快了梯田建設速度，提高了工程質量。近年來，纖維生態袋已經在公路鐵路、邊坡防護[6]、礦山恢復[7]、河岸砌護[8]、水庫改造工程[9]等多個領域得到了廣泛的應用，在陜南秦巴山區坡改梯工程建設中也發揮了重要的作用，應用范圍廣闊，推廣前景很廣[10-13]。

2011年以來，陜西省水土保持局在陜南三地做了小范圍的纖維生態袋梯田筑坎試點工作，在取得初步成果的同時，也出現了一些梯田垮坎問題，給梯田建設造成了巨大損失。造成陜南地區梯田垮塌、邊坡失穩的根源就是膨脹土的不良特性[14]，膨脹土的液限指數和塑性指數較高，膨脹潛勢較大，是一種特殊的高液限粘土，吸水膨脹、失水收縮，壓縮性偏低，在天然含水量的狀況下處于較堅硬的狀態，常常被誤認為是良好的土體。當降雨發生時，膨脹土含水量增大，此時產生的內應力就是膨脹壓力，膨脹壓力的增大最終導致坎坡失穩破壞，膨脹土路堤溜坍、滑坡等嚴重事故。針對纖維生態袋在梯田筑坎建設過程中由于膨脹壓力增大而導致的梯田垮塌、坎坡失穩等現象，有必要對膨脹土地區纖維生態袋袋內的膨脹壓力控制技術進行研究，以期找到解決袋內膨脹壓力的有效釋放方法，提出新型纖維生態袋的措施。

1 纖維生態袋

1.1 纖維生態袋

纖維生態袋(也稱PP織物袋)，是以聚丙烯纖維或聚酯纖維作為主要原材料，同時添加碳墨及抗紫外線成分，經針刺雙面熨燙成的新型高分子無紡布加工而成的袋子，如圖1所示。

圖1 纖維生態袋

纖維生態袋具有以下優點：抗高溫抗低溫、抗潮濕抗腐蝕、抗生物降解和動物破壞、抗紫外線、耐風化、無污染，綠色環保、利于植被生長、透水不透土，防治水土流失，便于綠化。在梯田建設中采用纖維生態袋一方面省時省力，另一方面也能防止人為開采造成的水土流失、安全隱患等問題，正是因為纖維生態袋的這些優點，使其在梯田建設中發揮了重大作用。

1.2 纖維生態袋筑坎的連接方式

在梯田建設中，使用連接扣將纖維生態袋袋子與袋子相互連接成為一個整體，然后通過錨桿、土工格柵、膨脹螺絲等一些輔助性材料，將其筑坎構成一個穩定且堅固的結構，支擋田坎坎坡[11]。

采用纖維生態袋進行筑坎時，首先將袋體填滿當地的土壤，并擊打壓實，注意壘放在最底層的袋體時應采用不規則的較大的碎石來填充，待其余各層袋體均填充擊實后，自下向上依次沿坡度進行壘放。連接扣連接相鄰袋體進行筑坎的形式如圖2所示。

圖2 纖維生態袋的連接形式

1.3 纖維生態袋筑坎的破壞方式

纖維生態袋在我國陜南梯田建設中得到了廣泛應用，但筑坎過程中還是會出現坎坡破壞現象，主要的破壞方式表現為坎體滑坡、垮坎頂部垮塌、坎面中部鼓肚、坎面中部因鼓脹導致傾覆，以及袋體鼓脹破壞等現象，如圖3所示。

2 膨脹壓力

膨脹土體遇水即會發生膨脹變形，隨著含水量的不斷增加，膨脹變形越來越大，膨脹量會受到周圍土體的約束作用而轉換成膨脹力，正是膨脹力、膨脹變形及各向異性這些因素的存在，給膨脹土路基邊坡工程造成了巨大的危害。

膨脹力是評價膨脹土特性的一個重要指標，研究其大小有著極為重要的意義。常用的測試膨脹力大小的主要方法有膨脹反壓法、加壓膨脹法、平衡加壓法，膨脹反壓法是指試樣在充分吸水發生自由膨脹穩定后，然后施加荷載使其恢復到初始體積的狀態，試驗中的土樣是發生膨脹變形到最大限度后再進行逐級加荷壓縮，直到土樣恢復到初始體積為止，此時所施加的壓力定義為膨脹力[15]；加壓膨脹法是指先將試樣進行壓縮然后浸水發生膨脹變形，試樣在某一壓力下浸水產生的膨脹變形量和該壓力下所產生的壓縮量相等，此時的壓力定義為膨脹力，是通過一系列的荷載—膨脹量之間的對應關系曲線確定出膨脹力的大小值[16]；平衡加壓法是指試樣浸水發生膨脹變形的同時就需要不斷施加荷載來保證百分表的指針恢復到初始位置，維持試樣的體積不變，該試驗過程較麻煩，對操作者的水平要求很高[17]。

圖3 常見的坎墻破壞方式

在陜南梯田建設過程中，纖維生態袋袋內裝的是當地取材的膨脹土，當降雨入滲時，袋內的膨脹土吸水膨脹產生膨脹壓力，隨著含水量的增大，膨脹壓力也隨之增大，當發展增大到一定程度時對袋體產生力的作用，最終導致坎面鼓脹變形、袋體脹破等現象。針對纖維生態袋袋內膨脹壓力導致的工程破壞問題，本文對膨脹壓力控制技術進行了研究，提出了解決膨脹壓力釋放的措施——新型纖維生態袋的開發與應用。

3 纖維生態袋膨脹壓力控制技術的研究

針對降雨入滲時袋體內土體遇水產生膨脹壓力進行有效控制和釋放的問題，本文提出的2種新型纖維生態袋均滿足普通生態袋袋體的力學強度參數以及水力學指標參數，纖維生態袋的各項指標參數如表1、表2所示。

3.1 分隔式纖維生態袋

針對袋體內膨脹壓力導致的坎面鼓脹變形、袋體破壞等問題，本文提出了一種新型分隔式纖維生態袋，即在普通生態袋袋體縱向中間做一道縫合線，使得袋體上下兩面沿中線縫合在一起，這樣就將袋體分隔成了兩個體積大小相等的填充室，分隔式纖維生態袋的結構示意圖見圖4。縫合中線的斷裂強度設計為袋體縫合邊線材料強度的1/3～1/2，這樣設計的目的是保證在膨脹力的作用下縫合中線可以首先斷裂。

分隔式纖維生態袋的優點如下：

(1)當降雨入滲發生時，袋體內膨脹土吸水發生膨脹變形，體積增大，從而使膨脹力迅速增大，當袋體內膨脹力達到一定值時，最終會使袋體縱向的縫合中線首先斷裂，此時袋體內空間瞬間增大，為膨脹土提供了更大的空間，繼而有效地緩解和消除了膨脹力過大造成的危害，該新型分隔式纖維生態袋可以防止袋體脹破現象，在保證袋體壽命的同時也提高了筑坎的穩固性。

表1 纖維生態袋的力學強度

(2)分隔式纖維生態袋斷裂后袋體的變形比較均勻，對筑坎坎墻的整體穩定進行了有效的保護。該分隔式纖維生態袋為解決我國陜南膨脹土地區以膨脹土為填料的生態袋袋體鼓脹、袋體破壞等一系列問題提供了一種手段，它的工作機制在于釋放了袋體內的膨脹壓力，該種措施提高了梯田坎坡的穩定性，造價成本低廉，增加了一道中間縫合線的工序，制作過程簡單。圖5為分隔式纖維生態袋的實施狀態(未膨脹狀態)示意圖，普通的纖維生態袋經過中間縫合線后把袋體分隔為填充室一和填充室二，然后進行纖維生態袋自下而上壘放，此時沒有降雨，中間縫合線也未發生斷裂。

表2 纖維生態袋的水力學指標

1.生態袋體，2.底邊縫合線，3.側邊縫合線，

1.縫合中線，2.填充一室，3.填充二室，4.纖維生態袋，5.田坎坎坡。

3.2 卸壓式纖維生態袋

針對袋體內膨脹壓力導致的坎面鼓脹變形、袋體破壞等問題，本文又提出了一種具有卸壓功能的纖維生態袋，即通過袋中卸壓裝置使得袋內的膨脹力能夠釋放并緩解，這樣膨脹土吸水時產生的膨脹力不至于很大而脹破袋體，有效地防止了坎面鼓脹變形，同時也保證了袋體安全，提高了梯田筑坎的穩定性。圖6為具有卸壓功能的纖維生態袋的結構示意圖，圖中袋體內填滿了膨脹土，同時袋體內放置了2個卸壓裝置。

該纖維生態袋與普通生態袋不同之處在于，內部設置了2個卸壓裝置，其材料優先選擇ABS塑料，形狀優先選擇封閉式圓柱體空心盒體，卸壓裝置的盒體上下底面直徑為12 cm，高為12 cm，盒體壁厚為2 mm，卸壓裝置分為上下兩處，下處位于袋體裝填高度1/3處，上處位于袋體填裝高度2/3處。該卸壓裝置可以采用3D塑料打印機生產，也可以使用模具注塑加工生產，卸壓裝置選擇圓柱體空心盒體狀時，上下兩個底面設計最大承受的抗壓強度為80 kPa，纖維生態袋袋體最大承受的抗壓強度為85 kPa。當降雨入滲發生時，袋體內膨脹土產生的膨脹壓力一旦達到卸壓裝置的抗壓強度80 kPa，卸壓裝置就會被壓破從而釋放更多的空間，使得過大的膨脹力得到釋放和緩解，消除了膨脹力增大帶來的危害。圖7為卸壓式纖維生態袋的工程示意圖，普通的纖維生態袋袋體內放置2個卸壓裝置(此處是筑坎側面圖，因此只顯示了一個卸壓裝置)，然后將生態袋用連接扣連接并壘放，這是未發生降雨時的工程示意圖。

1.生態袋體，2.卸壓裝置，3.膨脹土。

1.生態袋體，2.田坎坎坡。

該纖維生態袋的優點如下：

(1)當降雨入滲發生時，袋體內的膨脹土吸水發生膨脹變形，致使袋內的膨脹力迅速增大，不斷增大的膨脹力達到卸壓裝置上下底面最大承受抗壓極限時，就會導致卸壓裝置脹破，從而使膨脹土填入至卸壓裝置內部，增大了膨脹土的活動空間，有效地緩解并消除了過大的膨脹力，防止坎面鼓脹變形、袋體破壞現象的發生。

(2)每個纖維生態袋袋體內可以放置2個卸壓裝置，并且沿著袋體的填裝高度呈均勻分布，當降雨入滲發生時，袋內過大的膨脹力要脹破袋內已經裝入的卸壓裝置時，袋體內土體會逐漸進入到卸壓裝置的內部，袋體的整體變形比較均勻，從而保護了梯田筑坎的整體穩定性和安全性。

(3)纖維生態袋袋體內的卸壓裝置生產工藝簡單、安全環保經濟，推廣范圍廣泛。

(4)在膨脹土梯田筑坎過程中，可以根據需要合理地定制新型纖維生態袋的尺寸大小，在保證梯田筑坎安全穩定的前提下適當地降低成本，提高筑坎的穩定性。

4 結論

針對我國陜南膨脹土地區采用纖維生態袋進行梯田筑坎過程中經常出現的滑坡破壞、傾覆破壞、坎面鼓脹、袋體脹破等問題，本文提出了2種能夠控制袋體內膨脹壓力的新型纖維生態袋，分別是分隔式纖維生態袋、卸壓式纖維生態袋。這2種新型纖維生態袋分別通過對普通生態袋加入一條中間縫合線、內置2個卸壓裝置的方式，實現袋體內膨脹壓力的有效釋放。

當降雨入滲發生時，袋內膨脹土發生變形同時產生膨脹力，這2種新型纖維生態袋都可以為袋內膨脹力提供更大的空間，可以有效緩解并消除由于過大膨脹力而引起的危害。新型纖維生態袋在陜南梯田建設中發揮了重要的作用，取得了良好的應用效果，減少了滑坡、傾覆破壞、袋體脹破等現象發生的頻率，是解決梯田建設問題的一項重要措施。