粗颗粒土工布加筋强度特性及护岸工程应用研究

王成言

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

1 引言

土工布是一种具有增强、保护、过滤、排水作用的合成纤维织物[1]。由于土工布原材料丰富、造价较低在各个领域都得到了较好的应用[2~3]。作为一种常用的加筋材料，土工布具有提高材料强度的特性，目前常用的土工布加筋强度研究方法主要为数值模拟方法，包括有限元数值模拟[4~5]和离散元数值模拟方法[6]；同时使用室内岩石力学试验可以获取加筋土的强度特征[7~8]。通过前人研究可知，土工布作为加筋材料可以提高天然岩土体强度参数。但土工布易老化，耐久性较差[9~10]。因此，需要对土工布进行改进保证土工布的强度。本文以天津某河道护岸工程为例，对改进土工布加筋强度、土工布耐久性进行分析，为类似工程提供参考。

该工程位于天津市，治理段总长500 m，岸坡总高约3.0 m。在河流的长期作用下，河道岸坡稳定性较差，常有塌岸现象发生，河道沿岸为人行道，路基遭受河流冲刷严重，局部已经掏空，严重危害到行人的安全。因此，需要采用相应的措施进行治理。

2 改进土工布特性实验

2.1 抗老化特性实验分析

TiO2是一种造价低廉、性质稳定的半导体材料，具有较大的比表面积、吸收光能性质较好，同时具有较好的表面活性、无毒且生产简便无污染。使用TiO2水溶胶浸泡聚丙烯土工布，对其特性进行研究。

将制备完好的TiO2水溶胶改进土工布，进行紫外线老化后的断裂强度探测。将处理后的土工布放置300 W的紫外线老化箱内，进行紫外线照射，时长分别为2 h、4 h、6 h、8 h，同时对未经处理的土工布进行强度测试。实验结果见表1和图1。

从表1和图1可以看出，TiO2水溶胶改进土工布具有较好的抗紫外线照射老化效果，随着紫外线照射时长的增加，土工布断裂强力逐渐减小，其中处理前、后横向、纵向强力变化较为一致，两者差距不大于1%，可认为横向、纵向强力一致，添加TiO2处理后，并未造成横、纵向强力产生不同的变化。未经处理的土工布强度衰减速率较快，且照射相同时长其断裂强力也小于TiO2水溶胶改进土工布断裂强力，因此，使用TiO2水溶胶改进土工布具有较好的抗紫外线照射老化特性。

表1 不同照射时长断裂强力 单位：N

图1 土工布老化后强度曲线

2.2 抗水洗特性实验分析

该土工布主要用于加筋岸坡粗颗粒岩土体，保护河道岸坡的稳定，因此需要具备较好的抗水洗特性。按照要求制备4组试样：试样1为未经处理的原状土工布；试样2为TiO2水溶胶改进土工布；试样3为将TiO2水溶胶改进土工布置入去离子水中，然后放入60℃的水中浸泡24 h；试样4为未经处理土工布置入去离子水中，然后放入60℃的水中浸泡24 h。将4组试样取出后进行烘干，进行老化试验，老化试验与2.1节中一致。试验结果见表2、表3和图2、图3。

从表2、表3和图2、图3可以看出TiO2水溶胶改进土工布横向、纵向强力均较未处理的土工布有较大的提升，随着照射时长增加，强度差距越明显。说明TiO2水溶胶改进土工布具有较好的抗水洗能力，适宜在护岸工程处理中使用。

表2 水处理纵向强力 单位：N

图2 水处理纵向强力

表3 水处理横向强力 单位：N

图3 水处理横向强力

3 改进土工布工程应用

3.1 试验方案

在天津某河道护岸工程工程区，获取原状粗颗粒岩土体，作为试验的原材料。使用TiO2水溶胶改进土工布材料作为加筋材料对原状粗颗粒进行处理，研究不同加筋层数情况下，粗颗粒的强度特征。使用室内常规三轴试验进行研究。

试样尺寸设计为直径为100 mm，高度H=200 mm的圆柱体；试样模型和土工布布置方案如图4所示，从左至右分别表示，不布置土工布、布置一层土工布、布置两层土工布、布置三层土工布，土工布具体布置位置如图所示。

设计围压分别为 200 kPa、400 kPa、800 kPa、1200 kPa。

图4 土工布布置方案

3.2 强度特征

获取偏应力与轴向应变之间的关系曲线，如图5所示。可以得知未进行加筋处理或者加筋层数较少（1层）的试样具有较为明显的应变软化特征，随着使用TiO2水溶胶改进土工布的增多，随着变形的增加，在围压较大的情况下，试样表现出应变强化特征。

通过图5可以看出，不同围压情况下偏应力达到峰值应力（剪切破坏应力）时的轴向应变，该应变为轴向破坏应变。在同样的土工布层数情况下，随着三轴试验围压的增大，轴向破坏应变也逐渐增大。这表明，采用TiO2水溶胶改进土工布作为加筋材料，对粗颗粒进行处理后，粗颗粒的韧性逐渐增大，加筋层数越多，韧性越强。根据实验结果可知，在围压分别为200 kPa、400 kPa、800 kPa、1200 kPa情况下，加筋层数每增加一层，其对应的的轴向破坏应变增加约0.020、0.093、0.089、0.015，由此可知，土工布加筋层数对于不同围压的变形均有较为明显的影响作用。因此，在进行护岸工程设计和建设时期，使用土工布对岸坡原始粗颗粒进行加筋处理，其破坏应变会有不同程度的提高。从此方面来看，岸坡稳定性和抗破坏能力均会有所提升。度特性进行分析，随着加筋层数的增加，不同围压下，粗颗粒的抗剪强度和破坏时所对应的轴向应变均有不同程度的提高，应力应变曲线也从应变软化型向应变硬化型过渡。

图5 偏应力与轴向应变之间的关系曲线

4 护岸工程应用效果

通过上述研究，土工布具有较好的加筋作用以及排水效果，根据工程设计方案，使用TiO2水溶胶改进土工布进行加筋处理，根据工程设计方案进行施工建设。自工程建设完成以来，河道护岸已经投入使用数年，岸坡具有较好的稳定性，治理前的塌岸、侵蚀路基现象，已无再现。

5 结论

（1）针对土工布的特点，使用TiO2水溶胶改进土工布。通过紫外线照射老化试验、以及水洗试验。结果表明TiO2水溶胶改进土工布具有较好的抗老化、抗水洗效果，可以有效提高原土工布的耐久性。

（2）通过室内力学实验，对改进后的土工布加筋粗颗粒强

（3）通过实例印证，TiO2水溶胶改进土工布加筋粗颗粒在护岸工程中有较好的应用，可在工程建设中进行推广。