生态袋与河道岸坡土体界面摩擦特性室内试验研究

2022-01-24李庆斌高德彬马学通

中国农村水利水电 2022年1期

李庆斌，高德彬，马学通

（长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054）

0 引言

随着城市化的不断推进，河流污染日趋严重，严重影响城市生态环境［1］。因此，做好河道整治工作就显得十分重要。传统岸坡治理常选用浆砌块石、混凝土预制块、现浇混凝土等刚性措施，该类防护具有明显的封闭僵硬的缺点，强行切断了水体与岸坡之间的水力联系，降低了岸坡土体、植物、生物三者之间的连通性［2］，破坏了原有岸坡的生态系统，导致水体无法得到净化，水质逐步恶化，因此经济环保的生态袋护坡技术应运而生。生态袋护坡技术具有强度高、耐久性好、工艺简单、成本低廉、环境友好等优点［3］。目前生态袋护坡技术在河湖岸坡治理中得到广泛应用，众多科技工作者对其防护原理、施工工艺、工程应用等方面进行了系统研究，取得了大量研究成果［4-6］。而对生态袋与岸坡界面的摩擦特性研究资料相对较少，生态袋作为护坡体，袋体织物与岸坡土体之间会形成复合体，当复合体受到外力作用时，加固作用主要通过袋土界面的摩擦作用来实现［7，8］，二者之间的摩擦作用对坡体的稳定性和耐久性有较大的影响［9，10］，因此，开展生态袋材与河道岸坡土界面摩擦特性试验研究具有重要的意义。

目前土工织物与岩土体界面摩擦试验方法主要有直剪试验、斜板试验、拉拔试验等［11-15］。姜海波等［16］进行了复合土工膜与粗粒料的摩擦特性试验研究，发现复合土工膜与坝体粗粒料垫层结构面的剪应力-剪应变关系为应变软化型。田巍巍［17］开展了复合土工膜与砂浆界面直剪摩擦试验，发现复合土工膜与砂浆界面的摩擦过程在不同阶段基本上为黏聚力和滑动摩擦力在发挥作用，且复合土工膜和砂浆的破坏形态为脆性破坏。马利军等［18］进行了土工袋材与沟坡土的界面直剪摩擦试验，发现土与土工布的界面摩擦系数随含水率的增加先增大后减小，随着压实度的增大而增大；摩擦系数与法向应力具有一定的反比关系，并随着法向应力的增大呈递减趋势。周波等［19］进行了排水沟边坡分层土与土工织物直剪摩擦试验，发现各层土与土工织物的界面摩擦系数整体上随着含水率的增加而降低。由上述分析可以看出，当前界面摩擦特性的研究主要集中于土工布、土工膜等材料，而生态袋织物与土的界面摩擦方面的研究比较欠缺，因此，本文进行生态袋材与河道岸坡土界面直剪摩擦试验，以期为岸坡生态防护的稳定性分析提供基础依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验用土

试验所用的黏性土与砂土分别为取自灞河下游右岸的一级阶地上部的粉质黏土与下部的细砂。取样经现场密封保存后运回实验室，之后将土样使用烘箱烘干并去除杂物，碾碎并过1 mm 筛。依照《土工试验方法标准》（GB∕T50123-2019）对土样进行液塑限试验、击实试验和粒度分析试验，其基本物理性质指标见表1和表2。

表1 黏性土物理力学指标Tab.1 Physical and mechanical indexes of cohesive soils

表2 土的粒度分析Tab.2 Granularity analysis of soil

1.1.2 生态袋

试验所用生态袋织物为山东德州华翔土工材料有限公司生产的绿色涤丙混纺生态袋，尺寸为80 cm×40 cm，其基本力学参数见表3。

表3 生态袋基本力学参数Tab.3 Basic mechanical parameters of ecological bag

1.2 试验方法

1.2.1 试样制备

试验均采用重塑土试样，按照拟定的试验方案将试验用土分别配置成10%、14%、18%、22%等4 种不同含水率的土料，密封放置24 h，使水分在土料内分布均匀。将同一种含水率的土料制备成干密度分别为1.4、1.5、1.6 g∕cm3的环刀试样，环刀分为两种，大环刀61.8 mm×20 mm、小环刀61.8 mm×10 mm，每组各4个，单个试样称量精度到0.01 g，湿土的质量计算如下：

式中：M为制样所需的湿土质量，g；ρd为预设试样干密度，g∕cm3；V为环刀的体积，cm3；ω为所配置土料的含水率，%。

试验前要将生态袋织物剪成环刀内壁大小的圆片，试验时将小环刀试样（61.8 mm×10 mm）压入下剪切盒，生态袋织物放置在剪切盒的中间，确保其在剪切面上，最后将大环刀试样（61.8 mm×20 mm）压入上剪切盒，进行剪切试验。环刀试样和生态袋的放置方法见图1、图2。

图1 环刀试样Fig.1 Ring cutter sample

图2 生态袋放置在剪切盒的中间Fig.2 Ecological bag placed in the middle of the shear box

1.2.2 剪切试验

室内直剪摩擦试验采用南京土壤仪器厂生产的ZJ 型应变控制式直剪仪，采用不固结不排水快剪试验，剪切速率为0.8 mm∕min，竖向压力分别为100、200、300、400 kPa，然后保持竖向压力不变进行水平剪切，当总变形达到8 mm 时停止试验。为减小试验误差，每个试样剪切结束均需更换新的生态袋织物，直剪摩擦试验装置见图3。

图3 直剪摩擦试验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of direct shear friction test device

用摩擦系数描述生态袋织物与岸坡土之间的界面摩擦特性，摩擦系数f按下式进行计算：

式中：τf为抗剪力，kPa；F 为峰值水平推力，kN；A 为试样面积，m2；σ为法向应力，kPa。

2 试验结果和分析

2.1 含水率对界面摩擦系数的影响

以黏性土为试验材料做了不同含水率条件下的生态袋-黏性土界面直剪摩擦试验，各个法向应力下的界面摩擦系数与含水率的关系曲线见图4～图7。由图可知在不同的法向应力下，当含水率从10%增大到22%时，不同干密度土体界面摩擦系数取值范围由0.469～0.660 减小至0.314 ～0.412，其变化幅度为21.67%～41.97%，各个干密度土体下的界面摩擦系数都随着土含水率的增大而减小。这是由于随着土体含水率的增大，土体在法向荷载作用下发生排水，从而在接触界面处形成了水膜，有利于界面处的润滑作用，导致摩擦系数减小。

图4 100 kPa下界面摩擦系数与含水率关系曲线Fig.4 Curve of interfacial friction coefficient and water content under 100 kPa normal stress

图5 200 kPa下界面摩擦系数与含水率关系曲线Fig.5 Curve of interfacial friction coefficient and water content under 200 kPa normal stress

图6 300 kPa下界面摩擦系数与含水率关系曲线Fig.6 Curve of interfacial friction coefficient and water content under 300 kPa normal stress

图7 400 kPa下界面摩擦系数与含水率关系曲线Fig.7 Curve of interfacial friction coefficient and water content under 400 kPa normal stress

对比各个法向应力下的界面摩擦系数和含水率关系曲线可知，在100 kPa 法向应力下，摩擦系数随含水率增大而减小的速度先慢后快；法向应力200、300 kPa 时，摩擦系数随含水率增大而减小的速度相对较平稳；而在400 kPa 法向应力下，摩擦系数减小的速度由快变慢。由此可以看出，在低法向应力作用下，高含水率试样比低含水率试样更容易发生排水现象，因此其摩擦系数随着含水率的增大而呈现先慢后快的降低趋势，在高法向应力作用下，即使土体含水率较低，仍会发生排水，在界面处形成润滑水膜，因此摩擦系数变化较为平缓。

2.2 土干密度对界面摩擦系数的影响

土干密度对生态袋-黏性土的界面摩擦系数也存在影响，不同法向应力下界面摩擦系数与土干密度的关系曲线，见图8～图11。由图11 可以看出，在四种法向应力和土体含水率下，生态袋-黏性土界面摩擦系数都随着土干密度的增大而逐渐增大，土干密度从1.4 g∕cm3增大到1.6 g∕cm3时，不同含水率土体界面摩擦系数取值范围由0.314～0.541 增大至0.383～0.660，其变化幅度为7.52%～37.00%。这是由于土体的干密度越大，土体颗粒之间的孔隙越小，颗粒排列更加紧密，界面间的咬合力增大，摩擦系数也因此变大。此外，随着干密度增大，颗粒间的水分减少，结合水增多，自由水减少，被挤压出来提供润滑作用的水也将减少，润滑作用减弱，摩擦系数也会增大。

同时，对比图8～图11 还可以发现，在低法向应力下摩擦系数的增大速度是先慢后快，而随着法向应力逐渐变大，摩擦系数的增大速度逐渐变得均匀，这是因为在低法向应力下，密度小的试样更易发生排水现象，在界面处形成水膜发生润滑作用；而在高法向应力下，高密度试样亦可以发生明显排水作用，因此摩擦系数随土干密度增大的速度就较为均匀。此外，含水率22%条件下的摩擦系数随干密度的变化趋势在不同的法向应力下有着明显的差异，在100 kPa 下摩擦系数增大速度先慢后快，在其他压力下，摩擦系数增大的趋势十分平缓，这说明含水率22%时在100 kPa和200 kPa之间存在一界限法向应力。

图8 100 kPa界面摩擦系数与土干密度关系曲线Fig.8 Relationship between interfacial friction coefficient and soil dry density under 100 kPa normal stress

图9 200 kPa界面摩擦系数与土干密度关系曲线Fig.9 Relationship between interfacial friction coefficient and soil dry density under 200 kPa normal stress

图10 300 kPa界面摩擦系数与土干密度关系曲线Fig.10 Relationship between interfacial friction coefficient and soil dry density under 300 kPa normal stress

图11 400 kPa界面摩擦系数与土干密度关系曲线Fig.11 Relationship between interfacial friction coefficient and soil dry density under 400 kPa normal stress

2.3 岸坡土体类型对界面摩擦系数的影响

为了研究岸坡黏性土与砂土对界面摩擦的影响规律，分别做了黏性土与砂土在同一密度下的界面摩擦直剪试验。其中，密度均控制为1.5 g∕cm3，上下盒土体含水率均控制为10%。试验结果绘制的抗剪强度曲线见图12。

图12 黏性土与砂土界面抗剪强度曲线Fig.12 Shear strength curve of interface between cohesive soil and sandy soil

由图12 可知，黏性土与砂土在相同含水率和密度控制下，生态袋-黏性土在4 种法向应力下的界面抗剪强度均大于生态袋-砂土的界面抗剪强度。这是因为在相同的干密度下，黏性土颗粒之间的孔隙小于砂土，颗粒排列更加紧密，界面间的咬合力更大；相同含水率下，黏性土土体内的自由水占比小于砂土，在法向应力挤压下出来的水分更少，界面间的润滑作用较弱，所以其界面抗剪强度更大。