新型纤维生态袋在梯田筑坎中的应用

张 媛，李荣建

(1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000；2.西安理工大学 岩土工程研究所，陕西 西安 710048；3.陕西省黄土力学与工程重点实验室，陕西 西安 710048)

膨胀土作为一种特殊的粘性土，其成分蒙脱石、伊利石等粘土矿物具有很强的亲水性[1-2]，正是矿物成分、微观结构等主要内因使膨胀土具有遇水膨胀、失水收缩，从而反复胀缩变形的特性[3]，给工程带来了很多危害。膨胀土分布很广泛，在全世界的40多个国家均存在，带来的危害是巨大的[4]，20世纪30年代，在一例位于美国俄勒冈州的基础工程中，人们首次意识到膨胀土的危害问题[5]，随后膨胀土开始逐渐引起人们的关注。

在我国陕南地区膨胀土分布十分广泛，由于土壤中粘粒含量过高、该地区雨量多且持续时间长，土体遇水膨胀导致的梯田垮塌、边坡失稳等现象频增，给当地带来了巨大的经济损失。

而以聚丙烯纤维或聚酯纤维为主要原材料的纤维生态袋具有以下优点：无毒无害、抗潮湿抗腐蚀、抗高温低温、环保性好、透水保土、利于植物生长，将其用在坡改梯梯田筑坎建设中，解决了梯田垮塌的问题，同时又加快了梯田建设速度，提高了工程质量。近年来，纤维生态袋已经在公路铁路、边坡防护[6]、矿山恢复[7]、河岸砌护[8]、水库改造工程[9]等多个领域得到了广泛的应用，在陕南秦巴山区坡改梯工程建设中也发挥了重要的作用，应用范围广阔，推广前景很广[10-13]。

2011年以来，陕西省水土保持局在陕南三地做了小范围的纤维生态袋梯田筑坎试点工作，在取得初步成果的同时，也出现了一些梯田垮坎问题，给梯田建设造成了巨大损失。造成陕南地区梯田垮塌、边坡失稳的根源就是膨胀土的不良特性[14]，膨胀土的液限指数和塑性指数较高，膨胀潜势较大，是一种特殊的高液限粘土，吸水膨胀、失水收缩，压缩性偏低，在天然含水量的状况下处于较坚硬的状态，常常被误认为是良好的土体。当降雨发生时，膨胀土含水量增大，此时产生的内应力就是膨胀压力，膨胀压力的增大最终导致坎坡失稳破坏，膨胀土路堤溜坍、滑坡等严重事故。针对纤维生态袋在梯田筑坎建设过程中由于膨胀压力增大而导致的梯田垮塌、坎坡失稳等现象，有必要对膨胀土地区纤维生态袋袋内的膨胀压力控制技术进行研究，以期找到解决袋内膨胀压力的有效释放方法，提出新型纤维生态袋的措施。

1 纤维生态袋

1.1 纤维生态袋

纤维生态袋(也称PP织物袋)，是以聚丙烯纤维或聚酯纤维作为主要原材料，同时添加碳墨及抗紫外线成分，经针刺双面熨烫成的新型高分子无纺布加工而成的袋子，如图1所示。

图1 纤维生态袋

纤维生态袋具有以下优点：抗高温抗低温、抗潮湿抗腐蚀、抗生物降解和动物破坏、抗紫外线、耐风化、无污染，绿色环保、利于植被生长、透水不透土，防治水土流失，便于绿化。在梯田建设中采用纤维生态袋一方面省时省力，另一方面也能防止人为开采造成的水土流失、安全隐患等问题，正是因为纤维生态袋的这些优点，使其在梯田建设中发挥了重大作用。

1.2 纤维生态袋筑坎的连接方式

在梯田建设中，使用连接扣将纤维生态袋袋子与袋子相互连接成为一个整体，然后通过锚杆、土工格栅、膨胀螺丝等一些辅助性材料，将其筑坎构成一个稳定且坚固的结构，支挡田坎坎坡[11]。

采用纤维生态袋进行筑坎时，首先将袋体填满当地的土壤，并击打压实，注意垒放在最底层的袋体时应采用不规则的较大的碎石来填充，待其余各层袋体均填充击实后，自下向上依次沿坡度进行垒放。连接扣连接相邻袋体进行筑坎的形式如图2所示。

图2 纤维生态袋的连接形式

1.3 纤维生态袋筑坎的破坏方式

纤维生态袋在我国陕南梯田建设中得到了广泛应用，但筑坎过程中还是会出现坎坡破坏现象，主要的破坏方式表现为坎体滑坡、垮坎顶部垮塌、坎面中部鼓肚、坎面中部因鼓胀导致倾覆，以及袋体鼓胀破坏等现象，如图3所示。

2 膨胀压力

膨胀土体遇水即会发生膨胀变形，随着含水量的不断增加，膨胀变形越来越大，膨胀量会受到周围土体的约束作用而转换成膨胀力，正是膨胀力、膨胀变形及各向异性这些因素的存在，给膨胀土路基边坡工程造成了巨大的危害。

膨胀力是评价膨胀土特性的一个重要指标，研究其大小有着极为重要的意义。常用的测试膨胀力大小的主要方法有膨胀反压法、加压膨胀法、平衡加压法，膨胀反压法是指试样在充分吸水发生自由膨胀稳定后，然后施加荷载使其恢复到初始体积的状态，试验中的土样是发生膨胀变形到最大限度后再进行逐级加荷压缩，直到土样恢复到初始体积为止，此时所施加的压力定义为膨胀力[15]；加压膨胀法是指先将试样进行压缩然后浸水发生膨胀变形，试样在某一压力下浸水产生的膨胀变形量和该压力下所产生的压缩量相等，此时的压力定义为膨胀力，是通过一系列的荷载—膨胀量之间的对应关系曲线确定出膨胀力的大小值[16]；平衡加压法是指试样浸水发生膨胀变形的同时就需要不断施加荷载来保证百分表的指针恢复到初始位置，维持试样的体积不变，该试验过程较麻烦，对操作者的水平要求很高[17]。

图3 常见的坎墙破坏方式

在陕南梯田建设过程中，纤维生态袋袋内装的是当地取材的膨胀土，当降雨入渗时，袋内的膨胀土吸水膨胀产生膨胀压力，随着含水量的增大，膨胀压力也随之增大，当发展增大到一定程度时对袋体产生力的作用，最终导致坎面鼓胀变形、袋体胀破等现象。针对纤维生态袋袋内膨胀压力导致的工程破坏问题，本文对膨胀压力控制技术进行了研究，提出了解决膨胀压力释放的措施——新型纤维生态袋的开发与应用。

3 纤维生态袋膨胀压力控制技术的研究

针对降雨入渗时袋体内土体遇水产生膨胀压力进行有效控制和释放的问题，本文提出的2种新型纤维生态袋均满足普通生态袋袋体的力学强度参数以及水力学指标参数，纤维生态袋的各项指标参数如表1、表2所示。

3.1 分隔式纤维生态袋

针对袋体内膨胀压力导致的坎面鼓胀变形、袋体破坏等问题，本文提出了一种新型分隔式纤维生态袋，即在普通生态袋袋体纵向中间做一道缝合线，使得袋体上下两面沿中线缝合在一起，这样就将袋体分隔成了两个体积大小相等的填充室，分隔式纤维生态袋的结构示意图见图4。缝合中线的断裂强度设计为袋体缝合边线材料强度的1/3～1/2，这样设计的目的是保证在膨胀力的作用下缝合中线可以首先断裂。

分隔式纤维生态袋的优点如下：

(1)当降雨入渗发生时，袋体内膨胀土吸水发生膨胀变形，体积增大，从而使膨胀力迅速增大，当袋体内膨胀力达到一定值时，最终会使袋体纵向的缝合中线首先断裂，此时袋体内空间瞬间增大，为膨胀土提供了更大的空间，继而有效地缓解和消除了膨胀力过大造成的危害，该新型分隔式纤维生态袋可以防止袋体胀破现象，在保证袋体寿命的同时也提高了筑坎的稳固性。

表1 纤维生态袋的力学强度

(2)分隔式纤维生态袋断裂后袋体的变形比较均匀，对筑坎坎墙的整体稳定进行了有效的保护。该分隔式纤维生态袋为解决我国陕南膨胀土地区以膨胀土为填料的生态袋袋体鼓胀、袋体破坏等一系列问题提供了一种手段，它的工作机制在于释放了袋体内的膨胀压力，该种措施提高了梯田坎坡的稳定性，造价成本低廉，增加了一道中间缝合线的工序，制作过程简单。图5为分隔式纤维生态袋的实施状态(未膨胀状态)示意图，普通的纤维生态袋经过中间缝合线后把袋体分隔为填充室一和填充室二，然后进行纤维生态袋自下而上垒放，此时没有降雨，中间缝合线也未发生断裂。

表2 纤维生态袋的水力学指标

1.生态袋体，2.底边缝合线，3.侧边缝合线，

1.缝合中线，2.填充一室，3.填充二室，4.纤维生态袋，5.田坎坎坡。

3.2 卸压式纤维生态袋

针对袋体内膨胀压力导致的坎面鼓胀变形、袋体破坏等问题，本文又提出了一种具有卸压功能的纤维生态袋，即通过袋中卸压装置使得袋内的膨胀力能够释放并缓解，这样膨胀土吸水时产生的膨胀力不至于很大而胀破袋体，有效地防止了坎面鼓胀变形，同时也保证了袋体安全，提高了梯田筑坎的稳定性。图6为具有卸压功能的纤维生态袋的结构示意图，图中袋体内填满了膨胀土，同时袋体内放置了2个卸压装置。

该纤维生态袋与普通生态袋不同之处在于，内部设置了2个卸压装置，其材料优先选择ABS塑料，形状优先选择封闭式圆柱体空心盒体，卸压装置的盒体上下底面直径为12 cm，高为12 cm，盒体壁厚为2 mm，卸压装置分为上下两处，下处位于袋体装填高度1/3处，上处位于袋体填装高度2/3处。该卸压装置可以采用3D塑料打印机生产，也可以使用模具注塑加工生产，卸压装置选择圆柱体空心盒体状时，上下两个底面设计最大承受的抗压强度为80 kPa，纤维生态袋袋体最大承受的抗压强度为85 kPa。当降雨入渗发生时，袋体内膨胀土产生的膨胀压力一旦达到卸压装置的抗压强度80 kPa，卸压装置就会被压破从而释放更多的空间，使得过大的膨胀力得到释放和缓解，消除了膨胀力增大带来的危害。图7为卸压式纤维生态袋的工程示意图，普通的纤维生态袋袋体内放置2个卸压装置(此处是筑坎侧面图，因此只显示了一个卸压装置)，然后将生态袋用连接扣连接并垒放，这是未发生降雨时的工程示意图。

1.生态袋体，2.卸压装置，3.膨胀土。

1.生态袋体，2.田坎坎坡。

该纤维生态袋的优点如下：

(1)当降雨入渗发生时，袋体内的膨胀土吸水发生膨胀变形，致使袋内的膨胀力迅速增大，不断增大的膨胀力达到卸压装置上下底面最大承受抗压极限时，就会导致卸压装置胀破，从而使膨胀土填入至卸压装置内部，增大了膨胀土的活动空间，有效地缓解并消除了过大的膨胀力，防止坎面鼓胀变形、袋体破坏现象的发生。

(2)每个纤维生态袋袋体内可以放置2个卸压装置，并且沿着袋体的填装高度呈均匀分布，当降雨入渗发生时，袋内过大的膨胀力要胀破袋内已经装入的卸压装置时，袋体内土体会逐渐进入到卸压装置的内部，袋体的整体变形比较均匀，从而保护了梯田筑坎的整体稳定性和安全性。

(3)纤维生态袋袋体内的卸压装置生产工艺简单、安全环保经济，推广范围广泛。

(4)在膨胀土梯田筑坎过程中，可以根据需要合理地定制新型纤维生态袋的尺寸大小，在保证梯田筑坎安全稳定的前提下适当地降低成本，提高筑坎的稳定性。

4 结论

针对我国陕南膨胀土地区采用纤维生态袋进行梯田筑坎过程中经常出现的滑坡破坏、倾覆破坏、坎面鼓胀、袋体胀破等问题，本文提出了2种能够控制袋体内膨胀压力的新型纤维生态袋，分别是分隔式纤维生态袋、卸压式纤维生态袋。这2种新型纤维生态袋分别通过对普通生态袋加入一条中间缝合线、内置2个卸压装置的方式，实现袋体内膨胀压力的有效释放。

当降雨入渗发生时，袋内膨胀土发生变形同时产生膨胀力，这2种新型纤维生态袋都可以为袋内膨胀力提供更大的空间，可以有效缓解并消除由于过大膨胀力而引起的危害。新型纤维生态袋在陕南梯田建设中发挥了重要的作用，取得了良好的应用效果，减少了滑坡、倾覆破坏、袋体胀破等现象发生的频率，是解决梯田建设问题的一项重要措施。