生态袋草根加筋土界面剪切特性

蒋希雁 王万梅* 刘嘉璐 阮梦珂 冯 峰

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点试验室，河北 张家口 075000)

0 引 言

近年来，大量修建基础设施，导致边坡失稳，从而产生滑坡、坍塌等坡面地质灾害.传统的防护措施会破坏边坡的生态，且随着时间的流逝，其强度降低.生态护坡是一种生态环境友好，且可以有效增加边坡稳定性的护坡方式[1-2].生态袋是边坡防护常用的土工材料，其主要功能包括过滤、隔离、加筋、防护[3-4].生态袋护坡是在边坡表层应用生物学和物理学建立一种有利于植物生长的土壤层技术[5]，从而增强边坡的抗剪强度，提高稳定性.

已有学者基于实际工程对生态袋护坡进行了大量的研究.叶张颜[6]通过对209国道段坡面及周边环境的调查发现，生态袋可应用于该坡面防治，可以有效提高坡面稳定性，防止水土流失.李若鹏[7]对汝阳县二级公路的岩质高边坡运用了生态袋护坡的方法，结果发现该方法不但有利于植物生长，而且可以有效的恢复因施工而造成的岩体破坏.因此生态袋护坡被大量的应用于实际工程中.此外部分学者已进行生态袋界面剪切特性研究，李庆斌[8]以生态袋与河道岸坡土体的界面为研究对象，发现随着土体含水率的增大，生态袋-黏土的界面摩擦系数减小.刘湘元[9]通过对有纺土工布和粘土的界面进行研究，发现其界面强度满足摩尔-库仑强度型.周健[10]采用室内试验和数码技术结合的方法，从细观角度分析砂土和土工合成材料接触面的砂颗粒运动轨迹变化规律.现有的研究成果是关于生态袋和裸土界面的剪切特性，而生态袋一个主要功能是提供有利于植物生长的土层，为此进行生态袋草根加筋土界面剪切特性的研究是十分必要的.

为探究生态袋草根加筋土界面剪切特性，对生态袋裸土与生态袋草根加筋土进行了直剪试验.分析草根对界面剪切特性的影响，得出剪应力和剪切位移之间关系，分析内摩擦角和黏聚力，界面摩擦系数和等效剪切劲度值的变化情况，为生态袋护坡提供依据，对生态袋护坡工程的设计提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验所选用浙江仪征康顺土工材料有限公司生产的生态袋，材质为聚酯纤维(PET)，相关参数见表1.

表1 生态袋基本参数

研究区位于河北省张家口市，地处东亚半干旱大陆性季风气候区，该地区四季分明.高羊茅为本地区边坡防护常用植物类型，具有良好的抗热和抗旱性能，且抗病和抗虫害能力优异，故选取高羊茅为试验草种.

试验土样为现场原状取样，取样后按照《土工试验方法标准》(GB/T50123-2019)[11]进行土样基本物理参数测定，试验结果如表2.

表2 土样的基本物理参数

1.2 制样方法

为得到带有高羊茅根系的生态袋原状土试样，将生态袋拆分成200mm×80mm的条形，将其依次放置在平整后的场地中，在每个生态袋中央边长为80mm的正方形区域内撒70粒草种，并盖上覆土，防止草种和生态袋移动.待2个月，草生长成熟后，用自制长80mm、宽80mm、高40mm的取样器取样，取出与取样器大小相同的试样，将生态袋上方的草剪除.测量试样的含水率，通过滴水法，配成最优含水率13.1%，用保鲜膜包裹试样，静置24小时，进行试验.

1.3 试验方案

研究设计的界面剪切试验包括以下两种工况：

1.4 试验步骤

实验依据《土工合成材料测试规程》[12]，采用ZJ型应变控制式直剪仪，试验用剪切盒上、下盒尺寸均为80 mm×80 mm×40 mm，具体试验装置如图1.下盒放置木质垫块，上盒放置试件，此时剪切面为生态袋与土体的接触面.剪切速率取0.8 mm/min，量力环读数达到稳定或剪切位移大于8 mm后停止试验.相同条件下，施加4种不同的法向应力，分别为46.8 kPa、93.6 kPa、140.4 kPa和187.2 kPa.

图1 试验装置

2 结果分析

2.1 草根加筋作用对剪应力-剪切位移关系曲线的影响

采用直剪仪对不同法向应力下的生态袋裸土试样与生态袋草根加筋土试样进行试验，其对应的界面剪应力和剪切位移关系如图2所示.由图可知：生态袋草根加筋土和生态袋裸土的剪应力均随着剪切位移的增大而增大，并未出现峰值点，且呈现出非线性的特点.裸土试样在法向应力为46.8 kPa时，随着剪切位移的增加，剪应力增加速率减小，当剪切位移大于6 mm时，剪应力达到了极限，随着剪切位移的增加而不变，此时接触面发生了破坏；其余曲线均随剪切位移的增加，剪应力持续增大，但增长速率在逐渐减小.在其他条件相同时，仅增大法向应力，结果发现其对应的界面剪应力增加，说明法向应力可以增加根土复合体的界面剪应力.在相同剪应力下，生态袋草根加筋土剪切位移均小于生态袋裸土剪切位移，说明草根的存在能扩散和转移施加在界面上的剪应力，使剪切面的土体在达到最大抗剪强度前产生更大的位移，增大土体的延性，阻碍了界面的相对运动，对边坡的防滑有一定作用.

图2 不同法向应力作用下生态袋草根加筋土与生态袋裸土界面剪应力和剪切位移关系

2.2 草根加筋作用对界面抗剪强度指标的影响

由图3可知生态袋裸土和生态袋草根加筋土界面抗剪强度均随法向应力的增加而增加，近似为线性关系.在相同法向应力下，生态袋草根加筋土的界面抗剪强度大于生态袋裸土的界面抗剪强度.由表3可知生态袋草根加筋土界面黏聚力比生态袋裸土界面黏聚力增加了3.59 kPa，增幅为68%，内摩擦角增加了0.3°，增加了4%.黏聚力变化较大，内摩擦角变化较小，说明草根对土体的黏聚力影响较大，内摩擦角影响较小，这与之前大部分作者研究成果相一致[13-15].究其原因：由于生态袋本身材质，生态袋与土体之间较为粗糙，有一定的摩擦阻力，草根穿过剪切面，深入土体，草根在生态袋中盘旋缠绕，通过增大根土之间相互的接触面积，充分发挥摩擦力，起到加筋作用，所以草根可以显著增加生态袋裸土界面的黏聚力.

表3 试验工况

图3 生态袋裸土、生态袋草根加筋土在不同法向应力下抗剪强度

表3 生态袋裸土、生态袋草根加筋土界面黏聚力和内摩擦角

2.3 草根加筋作用对界面摩擦系数的影响

图4为界面摩擦系数和法向应力的关系.上图可知生态袋草根加筋土界面摩擦系数大于裸土界面摩擦系数.随法向应力增加，生态袋草根加筋土界面摩擦系数、生态袋裸土界面摩擦系数均逐渐减小，且减小的趋势是越来越慢.在46.8 kPa、93.6 kPa、140.4 kPa、187.2 kPa下，生态袋草根加筋土界面摩擦系数比生态袋裸土界面摩擦系数分别增大了0.09、0.04、0.03和0.02.草根的存在起到加筋作用，增加了界面的摩擦系数，阻碍界面相对运动.

图4 生态袋草根加筋与生态袋裸土界面摩擦系数比较

界面摩擦系数f是衡量界面剪切特性的重要参数，计算公式如下：

(1)

式中：τf-界面抗剪强度(kPa)；

σn-法向应力(kPa).

2.4 草根加筋作用对界面等效剪切劲度的影响

在通常情况下，采用剪切模量表示界面变形特点.由于直剪试验无法获得剪切模量.因此用等效剪切劲度来反映生态袋与土界面的变形特性.

生态袋与土体界面等效剪切劲度采用式(2)计算：

(2)

式中:Ke-界面等效剪切劲度(kPa/mm)；

Se-界面抗剪强度所对应的剪切位移(mm).

由图5看出相同条件下，生态袋草根加筋土界面等效剪切劲度大于生态袋裸土界面等效剪切劲度，且二者的界面等效剪切劲度均随法向应力的增加而增加，法向应力为46.8 kPa、93.6 kPa、140.4 kPa、187.2 kPa,生态袋草根加筋土界面等效剪切劲度比生态袋裸土界面等效劲度分别增加了0.52 kPa/mm、0.5 kPa/ mm、0.41 kPa/mm、0.65 kPa/mm.最小增幅为8%，最大增幅为35.9%.草根的存在增加了根土界面等效剪切劲度.

图5 生态袋草根加筋土和生态袋裸土界面等效剪切劲度比较

3 结 论

通过室内直剪试验，研究生态袋草根加筋土界面剪切特性，得出以下结论：

(1)在相同法向应力下，生态袋草根加筋土的抗剪强度均大于生态袋裸土的抗剪强度，说明了草根的存在，增大土体的延性，阻碍了界面的相对运动.

(2)生态袋草根加筋土相对于生态袋裸土的黏聚力增加增加了68%，而内摩擦角近乎不变.

(3)生态袋草根加筋土的界面摩擦系数大于生态袋裸土的界面摩擦系数，且增大了0.02～0.09.

(4)生态袋草根加筋土的界面等效剪切劲度大于生态袋裸土界面等效剪切劲度，增大0.41～0.65 kPa/mm.增幅为8%～35.9%.