連續纖維絲生態護岸穩定性及其影響因素研究

彭 沖，王 瑞，王茜徵，程 穎，賈雪雪，杜 威，陶志偉，趙 達，張一凡，葉宇軒

(深圳市鐵漢生態環境股份有限公司，廣東 深圳 518040)

1 研究背景

近年來，有關河流生態護岸方面的技術研究及應用取得了一些進展，如生態袋護岸法、土工格室護岸法、三維植被網墊護岸法等[1-3]。盡管這些方法在工程上取得過良好的效果，但其對具有高含水率、流態性質的底泥的固定效果還未見實際應用，有待進一步考證。針對河道底泥資源循環利用問題，我們提出一種新型生態護岸方法，在保證結構穩定、行洪安全的基礎上，不僅能高效消納底泥，還能充分利用底泥中的營養物質讓植物快速生長，具有工程結構穩定、綠化效果良好、造價低廉等優點，符合生態環保的理念。

我們提出的護岸方法使用了連續纖維絲補強土技術，該技術利用纖維絲與土體相互混合發生的交織糾纏等作用，使土體的結構發生變化，對土體進行加筋補強作用，從而提高邊坡土體的強度及邊坡穩定性。已有研究通過直剪試驗證明，在一定范圍內增大連續纖維絲的添加量，可增強加筋補強植生土的抗剪強度[4-5]，但該方法需滿足如下前提：連續纖維絲需在底泥中均勻且同向伸展分布，并且無其他因素干擾，即在剪切過程中，除了剪應力，水平方向上沒有其他外力作用在底泥補強結構上。

而實際上，纖維絲補強土技術中的纖維絲在土體中是隨機排布的；另外，錨桿這一因素對底泥補強結構抗剪強度的影響不可忽視，而普通的抗剪試驗無法檢測出含錨桿土體的抗剪強度。因此，為了更貼合實際地研究纖維絲的作用機理，我們利用自主研發的剪切拉力運動模型裝置，進一步對底泥補強結構中各因素的作用規律展開研究，通過測定不同纖維絲添加量、不同錨桿粗細和不同錨桿安插密度條件下連續纖維絲補強土的抗剪能力，分析不同因素對連續纖維絲補強土抗剪性能的影響程度，確定該工藝中各材料的最佳配比，以期為工程實踐提供指導。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料和裝置

2.1.1 底泥固化殺菌調理

試驗所用底泥取自肇慶市某河涌，含水率約為80%，密度接近于1 g/cm3；固化殺菌劑由水泥、石灰、粉煤灰調配而成，添加比例為底泥質量的2.5%。

2.1.2 纖維絲和錨桿的性能參數

本研究所用纖維絲為強度、彈性、抗腐蝕性、耐酸堿性、耐磨性等性能均較強且售價較低的滌綸低彈絲(DTY)，纖度為150 D，斷裂強度為3.15 cN/dtex。

錨桿直徑選取2、4、10 mm三種，性能等級均為4.8級。

2.1.3 剪切拉力運動模型

為了測試底泥補強結構在護岸上的抗剪強度，本研究設計了底泥與原狀土界面剪切強度的測定裝置，即剪切拉力運動模型，見圖1、2。

該裝置克服了現有技術難以檢測復雜結構土體的抗剪性能的問題，引入了錨桿對土體的錨固作用，從宏觀層面對土體抗剪性能進行分析。裝置主要由模擬邊坡和剪切拉力系統2個部分組成，如圖1所示。模擬邊坡由上下兩部分構成，上部為0.4 m×0.3 m×0.3 m的底泥補強結構容器，下部為0.6 m×0.3 m×0.3 m的原狀土體容器，于其底部固定錨桿，錨桿貫穿模擬邊坡上下兩個部分，如圖2所示。

圖1 剪切拉力運動模型試驗裝置示意

圖2 剪切拉力運動模型試驗裝置

2.2 試驗方法

2.2.1 纖維絲補強模擬邊坡制作

為了確定對邊坡抗剪強度影響最大的因素及各因素配比，設置三因素三水平正交試驗，其中三因素為纖維絲添加量(加絲量)、錨桿安插密度(錨桿數量)和錨桿粗細度(錨桿直徑)。正交試驗表見表1。

表1 剪切模型正交試驗表

按照預先設計的參數，先將錨桿固定在模型底部，錨桿呈交錯均勻排布，然后將模型下部裝滿黏土并擊實，接著按照正交試驗表設置的參數將固化殺菌底泥和連續纖維絲均勻混合置于模型上部，底泥厚度均為17.5 cm，質量為21 kg。

2.2.2 拉力施加方法及運動過程數據采集方法

試驗過程中，在模型上部施加一個勻速增大的力，直至模型上部被錨桿阻擋，此時停止施力，本組試驗結束。

作用于模型上部的拉力施加方法為：在模擬邊坡的剪切方向上固定一根繩索，繩索經過定滑輪(將垂直力轉變為水平力)后，在另一端系一個盛水容器(本試驗所用盛水容器自身質量為2.1 kg，容積為50 L)，當進行剪切操作時，向容器中勻速注水，即形成了作用在模型上部勻速增大的水平拉力。

模型剪切運動過程記錄方法為：在模型上部的尾部粘貼一張標有距離刻度的紙帶，紙帶要時刻處于水平伸展狀態，其旁放置一個參照物，記錄模型上部滑移單位距離(1 cm)所需的時間，求出各段的平均速度，并繪制運動曲線。

3 結果與分析

3.1 模型運動情況分析

正交試驗9組模型所受拉力及運動速度變化曲線見圖3。從圖3中可以看出，纖維絲的加筋作用和錨桿的錨固作用共同提高了底泥和原狀土界面間的抗剪強度。

圖3 模型拉力-速度曲線

由物理常識可知，當底泥和土之間不存在纖維絲和錨桿的連接，拉力不變，但大于摩擦力時，底泥試塊會勻加速滑動；當拉力勻速增加，試塊變加速滑動(加速度勻速增加)。而在9組試驗中，速度均出現1～4次下降的過程，由此可以看出，9組試驗中，底泥補強結構不同程度上與原狀土之間形成連接，當纖維絲處于松弛狀態時，若拉力大于泥、土之間的摩擦力，速度即會增加，當纖維絲處于緊繃狀態時，泥、土之間即產生了牽引力，當拉力達到一定強度，纖維絲遭到破壞后，泥、土之間失去相互牽引力，底泥試塊再度加速，如此往復，直至所有纖維絲被破壞(或錨桿被破壞)，達到變加速狀態，邊坡完全被破壞。

值得關注的一點是，試塊初始運動所需要的力(60～70 N)并無明顯差異，說明初始運動時，纖維絲在松弛狀態，還沒起到拖拽的力量，此時破壞拉力更大程度上取決于底泥與原狀土層之間的摩擦力。

3.2 各因素對纖維絲補強結構抗剪能力的影響

為了分析不同因素對底泥補強結構抗剪能力的影響，本研究利用極差法進行數據分析。

將各考察指標在各影響因素相同水平下的試驗組實測數據分別累加，得到不同水平時的累加值K1、K2、K3，再根據K值的極差R值來判斷各因素的最優水平。極差R值越大，該影響因素的水平因子變化對于數據影響越大；反之，則影響越小。

模擬邊坡抗剪能力考察指標——每條曲線速度下降的次數a、運動過程中最大速度b和相鄰兩個波峰之間的平均拉力間距c的數據統計結果見表2。

表2 各模型抗剪能力考察指標統計結果

將表2中的數據利用極差法處理得到表3。根據表3可以看出，錨桿數量對速度下降的次數a影響最大，說明錨桿數量越多，土體在破壞的過程中，破壞被削弱的次數也越多；錨桿粗細對土體運動速度b影響最大，說明錨桿越粗，破壞的速度越慢；加絲量對相鄰兩個波峰之間的拉力平均間距c影響最大，即纖維絲添加量越大，相鄰兩次間達到最大破壞的間隔時間越長，需要的力也越大。

表3 抗剪能力考察指標極差分析

根據以上分析，在本試驗范圍內，土體強度達到最大的組合為：錨桿粗10 mm+錨桿數3根+加絲量1.3 kg/m3。

3.3 纖維絲補強結構對邊坡穩定性的影響

為了分析底泥補強結構在邊坡上的安全穩定性，分別對9組模型處于45°和60°邊坡上的穩定系數進行計算，穩定系數[6]計算公式為

FS=R抗/T

(1)

T=W·sinα

(2)

上二式中：FS為抗滑穩定系數；R抗為抗滑力，即抗剪拉力運動試驗中模型運動過程中速度發生第一次加速突變時，模型所受的拉力大小，N；T為下滑力，N；W為滑體自身重力，9組模型W=210 N；α為邊坡坡度，(°)。

穩定系數計算結果見表4。

表4 穩定系數計算結果

注：當FS<1.00時，邊坡為不穩定狀態；當1.00≤FS<1.05時，邊坡為欠穩定狀態；當1.05≤FS

根據表4計算結果可知，當邊坡坡度為45°時，模型2、模型4和模型6安全性滿足邊坡工程安全等級一級標準，穩定系數分別為1.37、1.55和1.43；當邊坡坡度為60°時，模型4安全性滿足邊坡工程安全等級三級標準，穩定系數為1.27。因此，不同工況下，邊坡的穩定性對各材料的配比需求不同，在施工過程中，可根據具體工況和工程安全要求，相應地調整每種材料的比例，以滿足工程需求。

4 結 論

本研究提出的剪切性能測試裝置可模擬大尺度的模型試驗，實現對含不規則排布加筋材料及錨桿加固邊坡的模擬試驗，對不同加固方案進行對比，優化加固方案。通過本研究，得到以下結論：

(1)通過模型運動曲線規律得到，纖維絲的加筋作用和錨桿的錨固作用共同提高了底泥和原狀土界面間的抗剪強度。從力學的角度解釋，添加纖維絲提高了底泥補強結構的黏聚力、內摩擦角等性能，添加量越多，其自身抗剪強度越強；錨桿數量和錨桿粗細(二者構成錨桿總強度)對造成邊坡破壞的外力的削減次數和每次削減幅度影響較大，二者共同影響了邊坡對切應力的承受能力，而邊坡切應力主要受邊坡自身重力、坡度等影響。

(2)通過極差法分析得到，錨桿數量對邊坡所受外力被削弱的次數影響較大；錨桿粗細度對土體所受外力每次被削弱的程度影響較大；加絲量則決定每次削減后穩定狀態維持的時長。在本試驗范圍內，土體強度達到最大的組合為：錨桿粗10 mm+錨桿數3根+加絲量1.3 kg/m3。

(3)通過穩定性系數計算得到，邊坡坡度為45°時，正交試驗中有3組模型的安全性可滿足邊坡工程安全等級一級標準，當將邊坡坡度增大到60°時，僅模型4的安全性可滿足邊坡工程安全等級三級標準。可見，邊坡的穩定性盡管在相同工藝中也要視施工工況而定，因此，需要根據具體施工工況和工程安全等級要求采取不同的工藝配置對邊坡進行補強。