粗顆粒土工布加筋強度特性及護岸工程應用研究

王成言

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

1 引言

土工布是一種具有增強、保護、過濾、排水作用的合成纖維織物[1]。由于土工布原材料豐富、造價較低在各個領域都得到了較好的應用[2~3]。作為一種常用的加筋材料，土工布具有提高材料強度的特性，目前常用的土工布加筋強度研究方法主要為數值模擬方法，包括有限元數值模擬[4~5]和離散元數值模擬方法[6]；同時使用室內巖石力學試驗可以獲取加筋土的強度特征[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度參數。但土工布易老化，耐久性較差[9~10]。因此，需要對土工布進行改進保證土工布的強度。本文以天津某河道護岸工程為例，對改進土工布加筋強度、土工布耐久性進行分析，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，河道岸坡穩定性較差，常有塌岸現象發生，河道沿岸為人行道，路基遭受河流沖刷嚴重，局部已經掏空，嚴重危害到行人的安全。因此，需要采用相應的措施進行治理。

2 改進土工布特性實驗

2.1 抗老化特性實驗分析

TiO2是一種造價低廉、性質穩定的半導體材料，具有較大的比表面積、吸收光能性質較好，同時具有較好的表面活性、無毒且生產簡便無污染。使用TiO2水溶膠浸泡聚丙烯土工布，對其特性進行研究。

將制備完好的TiO2水溶膠改進土工布，進行紫外線老化后的斷裂強度探測。將處理后的土工布放置300 W的紫外線老化箱內，進行紫外線照射，時長分別為2 h、4 h、6 h、8 h，同時對未經處理的土工布進行強度測試。實驗結果見表1和圖1。

從表1和圖1可以看出，TiO2水溶膠改進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，土工布斷裂強力逐漸減小，其中處理前、后橫向、縱向強力變化較為一致，兩者差距不大于1%，可認為橫向、縱向強力一致，添加TiO2處理后，并未造成橫、縱向強力產生不同的變化。未經處理的土工布強度衰減速率較快，且照射相同時長其斷裂強力也小于TiO2水溶膠改進土工布斷裂強力，因此，使用TiO2水溶膠改進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力 單位：N

圖1 土工布老化后強度曲線

2.2 抗水洗特性實驗分析

該土工布主要用于加筋岸坡粗顆粒巖土體，保護河道岸坡的穩定，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為未經處理的原狀土工布；試樣2為TiO2水溶膠改進土工布；試樣3為將TiO2水溶膠改進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組試樣取出后進行烘干，進行老化試驗，老化試驗與2.1節中一致。試驗結果見表2、表3和圖2、圖3。

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

表2 水處理縱向強力 單位：N

圖2 水處理縱向強力

表3 水處理橫向強力 單位：N

圖3 水處理橫向強力

3 改進土工布工程應用

3.1 試驗方案

在天津某河道護岸工程工程區，獲取原狀粗顆粒巖土體，作為試驗的原材料。使用TiO2水溶膠改進土工布材料作為加筋材料對原狀粗顆粒進行處理，研究不同加筋層數情況下，粗顆粒的強度特征。使用室內常規三軸試驗進行研究。

試樣尺寸設計為直徑為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。

設計圍壓分別為 200 kPa、400 kPa、800 kPa、1200 kPa。

圖4 土工布布置方案

3.2 強度特征

獲取偏應力與軸向應變之間的關系曲線，如圖5所示。可以得知未進行加筋處理或者加筋層數較少（1層）的試樣具有較為明顯的應變軟化特征，隨著使用TiO2水溶膠改進土工布的增多，隨著變形的增加，在圍壓較大的情況下，試樣表現出應變強化特征。

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

圖5 偏應力與軸向應變之間的關系曲線

4 護岸工程應用效果

通過上述研究，土工布具有較好的加筋作用以及排水效果，根據工程設計方案，使用TiO2水溶膠改進土工布進行加筋處理，根據工程設計方案進行施工建設。自工程建設完成以來，河道護岸已經投入使用數年，岸坡具有較好的穩定性，治理前的塌岸、侵蝕路基現象，已無再現。

5 結論

（1）針對土工布的特點，使用TiO2水溶膠改進土工布。通過紫外線照射老化試驗、以及水洗試驗。結果表明TiO2水溶膠改進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）通過室內力學實驗，對改進后的土工布加筋粗顆粒強

（3）通過實例印證，TiO2水溶膠改進土工布加筋粗顆粒在護岸工程中有較好的應用，可在工程建設中進行推廣。