二级边坡织物袋坎墙侧向加载的模型试验*

关晓迪 李荣建 江子龙 秦泽轩 曹捷宇

(西安理工大学岩土工程研究所，西安 710048)

土工织物袋是处理特殊地基的常用方法[1-6]。由于织物袋具有抗老化、抗紫外线、透水保土、便于绿化等特点[7]，因此，研究织物袋坎墙护坡机理具有重要意义。

织物袋护坡技术，目前已有了大量的研究成果。陈曙东等介绍了土工织物的选择、堤身设计和施工方法等，使用织物袋充填技术对珠江河口进行了整治，实践证明织物袋筑堤具有较高的经济效益和社会效益[8]。窦宝松等分析了土工材料的特性，针对汛期最可能出现的险情，提出了相应的抢护方法及施工要点，指出土工织物用于防汛抢险新技术有着重要意义[9]。李光录等选用织物袋筑坎作为梯田的替代材料，经在陕西商洛黑山镇双庙示范点的推广和应用，初步验证了织物袋用于梯田筑坎具有成本低、使用寿命长、易施工和绿化、不易滑塌等优点[10-11]。别宗霖等利用土工编织袋填筑沟塘，经对压实度监测、沉降观测和减振效果的分析，证明了土工编织袋填筑沟塘的可行性[12]。杨晨辉等通过对织物袋梯田田坎上种植的5种草本植物根-土复合体试样的直剪试验结果，与织物袋充填无根土样的抗剪强度结果对照，分析了5种草本植物对土体抗剪强度的增强作用，旨在筛选出最佳的护坎植物[13]。董鑫等基于Bishop非饱和土抗剪强度理论，计算了天然非饱和状态下织物袋坎墙土压力，分析了雨水入渗条件下墙后膨胀土自由完全膨胀时坎墙的稳定性，评价了降雨作用下织物袋坎墙及墙后填土的膨胀特性[14]。上述研究成果均有益地推进了一级边坡织物袋筑坎技术的应用和推广。

但上述研究主要针对一级边坡开展研究，而对山地梯田区域中典型多级边坡织物袋坎墙的侧向承载特性还缺乏系统的研究。基于此，将对4种织物袋坎墙支护和3种坡比条件下的二级边坡侧向加载模型展开试验，分析侧向加载下边坡位移和土压力的变化，研究织物袋坎墙的侧向变形特性，评价边坡的承载能力。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验以陕南梯田为原型，针对陕南梯田坡高普遍在2 m以内，将原型与模型边坡的几何相似比设定Cl= 1，模型采用二级黄土边坡，模型边坡尺寸为202 cm×64 cm×110 cm，黄土的物理性质参数如表1所示。

表1 黄土的物理性质参数Table 1 Physical property indexes of loess

织物袋尺寸为11.0 cm×20.5 cm，将黄土装入袋中，填充度约为80%[15]，其中两层织物袋间用连接扣连接，连接扣由图钉和木板制成(图1)，将图钉延木板纵轴线一上一下交替按入木板中，试验所用连接扣如图1所示，其尺寸为10.0 cm×4.0 cm×1.5 cm。

图1 连接扣Fig.1 Geotextile buckles

1.2 试验方案

试验主要采用新型侧向非均匀加载方式的边坡模型箱和监测设备，监测设备包括边坡位移监测和墙后土压力监测。通过模型箱的侧向非均匀加载系统可较真实地模拟现实情况下黄土区斜坡改梯田中柔性坎墙的变形情况。

试验基于坡比1∶0.5的边坡，采用4种织物袋坎墙支护(无支护、单坎型、L坎型、反坡L坎型)以及基于单坎型织物袋坎墙支护边坡，采用3种坡比(1∶0.3、1∶0.5、1∶0.75)的二级黄土边坡，通过侧向非均匀加载系统，开展二级边坡的侧向加载模型试验。加载过程中以边坡底脚为轴，侧向非均匀加载侧压板顶部，共推进6级位移，每级位移推进5 cm，其中4种织物袋坎墙支护边坡的位移传感器和土压力盒埋设如图2所示，3种坡比的位移传感器和土压力盒埋设如图3所示，Pn表示土压力盒，An表示位移传感器。

a—无支护；b—单坎型支护；c—L坎型支护；d—反坡L坎型支护。图2 不同支护条件下传感器埋设 cmFig.2 Sensor arrangements in different support conditions

a—坡比1∶0.3;b—坡比1∶0.5;c—坡比1∶0.75。图3 不同坡比条件下传感器埋设 cmFig.3 Sensor arrangements at different slope rates

2 试验结果及分析

2.1 不同织物袋坎墙支护边坡的试验结果及分析

2.1.1不同支护条件对试验现象的影响分析

图4为无支护边坡加载后试验现象。由图4a、4b可知：距第一级边坡坡脚高度约29 cm至第二级边坡坡顶之间出现贯通裂缝及多条裂缝，第二级边坡坡顶有2.2 cm左右的拱起。由图4c可知：边坡发生滑裂破坏，滑裂面呈圆弧形，第二级边坡滑裂面后缘距第二级边坡坡顶27.8 cm，前缘位于第二级边坡坡脚；第一级边坡滑裂面后缘距第一级边坡坡顶24.2 cm，前缘距第一级边坡坡脚29.2 cm。图5为单坎型织物袋坎墙支护边坡加载后试验现象。由图5a、5b可知：在距第一级边坡坡脚高度约21 cm至第二级边坡坡顶之间出现贯通裂缝及多条裂缝，第二级边坡坡顶有2.7 cm左右的拱起。由图5c可知：边坡发生滑动型破坏，滑裂面呈圆弧形，第二级边坡滑裂面后缘距第二级边坡坡顶20.6 cm，裂缝贯通后，后缘距第二级边坡坡顶约19.6 cm，前缘距第二级边坡坡脚18.5 cm；第一级边坡滑裂面后缘距第一级边坡坡顶14.6 cm，前缘距第一级边坡坡脚21.8 cm。图6为L坎型织物袋坎墙支护边坡加载后试验现象。由图6a、6b可知：在距第一级边坡坡脚高度约17 cm至第二级边坡坡顶之间出现贯通裂缝及多条裂缝，第二级边坡坡顶有3.3 cm左右的隆起。由图6c可知：边坡发生滑动型破坏，滑裂面呈圆弧形，第二级边坡滑裂面后缘距第二级边坡坡顶27.1 cm，裂缝贯通后，缘距第二级边坡坡顶23.6 cm，前缘位于第二级边坡坡脚；第一级边坡滑裂面后缘距坡顶19.5 cm，前缘距第一级边坡坡脚17.4 cm。图7为反坡L坎型织物袋坎墙支护边坡加载后试验现象。由图7a、7b可知：在距第一级边坡坡脚高度约13 cm至第二级边坡坡顶之间出现贯通裂缝及多条裂缝，第二级边坡坡顶有4.3 cm左右的隆起；由图7c可知：边坡发生滑裂破坏，滑裂面呈圆弧形，第二级边坡滑裂面后缘距第二级边坡坡顶31.1 cm，贯通裂缝后缘距第二级边坡坡顶26.8 cm；前缘位于第二级边坡坡脚，第一级边坡滑裂面后缘距第一级边坡坡顶26.1 cm，前缘距第一级边坡坡脚12.7 cm。

a—侧向变形；b—坡面裂缝;c—滑裂面位置，cm。图4 无支护边坡试验现象Fig.4 Test phenomena of slopes without supporting

a—侧向变形；b—坡面裂缝;c—滑裂面位置，cm。图5 单坎型支护边坡试验现象Fig.5 Test phenomena of slopes in support of inclined type supporting

a—侧向变形；b—坡面裂缝;c—滑裂面位置，cm。图6 L坎型支护边坡试验现象Fig.6 Test phenomena of slopes in support of L-shaped supporting

a—侧向变形；b—坡顶隆起;c—滑裂面位置，cm。图7 反坡L坎型支护边坡试验现象Fig.7 Test phenomena of slopes in support of L-shaped supporting with notched sills

可见，上述各个试验中第二级边坡均为滑裂破坏，滑裂面均为圆弧形；第二级边坡的破坏程度较第一级边坡更严重，且裂缝均大致产生于坡脚和距坡脚1/3～1/2高度处；以无支护边坡的坡顶隆起高度作为参照，单坎型、L坎型及反坡L坎型织物袋坎墙支护的二级边坡坡顶拱起高度分别增大22.7%、50.0%和95.5%。

图8为无支护边坡的坡体水平位移变化曲线。可知：前三级侧推位移施加时，第二级边坡的坡顶、坡脚位移增量分别为3.9,3.5 cm，第四级侧推位移施加后，第二级边坡的坡顶、坡脚位移为17.7，12.5 cm，第六级侧推位移施加后，第二级边坡坡顶位移为24.3 cm。图9为单坎型织物袋坎墙支护边坡的坡体水平位移变化曲线。可知：前四级侧推位移施加时，第二级边坡坡顶、坡脚位移增量分别为3.6，2.8 cm，第一级边坡增量为2.1 cm，第六级侧推位移施加后，第一、二级边坡坡顶位移为10.2，22.2 cm。图10为L坎型支护边坡的坡体水平位移变化曲线。可知：前四级侧推位移施加时，第二级边坡坡顶、坡脚的位移增量分别为3.1，2.7 cm，第一级边坡坡顶增量为1.8 cm；第六级侧推位移施加后，第一、二级边坡的坡顶位移为9.2，21.1 cm。由图11反坡L坎型支护边坡的坡体水平位移变化曲线可知：施加前四级侧推位移时，第二级边坡的坡顶、坡脚位移增量分别为3.2,2.7 cm，第一级边坡的坡顶位移增量为1.6 cm，第六级侧推位移施加后，第二、一级边坡坡顶位移为20.3,8.3 cm。

a—距坡脚不同高度水平位移；b—坡顶侧推位移。图8 无支护边坡水平位移变化曲线Fig.8 Horizontal displacement curves of slopes without support

a—距坡脚不同高度水平位移；b—坡顶侧推位移。图9 单坎型支护边坡水平位移变化曲线Fig.9 Horizontal displacement curves of slopes in support of inclined type supporting

2.1.2不同支护条件对坡体水平位移的影响分析

a—距坡脚不同高度水平位移；b—坡顶侧推位移。图10 L坎型支护边坡水平位移变化曲线Fig.10 Horizontal displacement curves of slopes in support of L-shaped supporting

a—距坡脚不同高度水平位移；b—坡顶侧推位移。图11 反坡L坎型支护边坡水平位移变化曲线Fig.11 Horizontal displacement curves of slopes in support of L-shaped supporting with notched sills

可见，第二级边坡的水平位移明显较第一级边坡的大，且第一、二级边坡的最大水平位移均位于坡顶处；以无支护边坡的坡顶水平位移作为参照，单坎型、L坎型及反坡L坎型织物袋坎墙支护条件下第二级边坡的坡顶水平位移分别减小了8.6%、13.2%和16.5%，表明在单坎型、L坎型及反坡L坎型织物袋坎墙支护下第二级边坡破坏程度依次减小，抵抗侧向变形的能力依次增强。

2.1.3不同支护条件对墙后土压力的影响分析

图12为无支护边坡墙后土压力变化曲线。可知：前四级侧推位移施加时，第一、二级边坡连接位置P3处由于土体挤压严重使得土压力最大，P2处土压力次之，P1处最小；第一级边坡P6处土压力最大，P4、P5处土压力依次减小，且P3处土压力增幅最大，特别是在第四级侧推位移施加后，边坡产生贯通裂缝，使得位于贯通裂缝附近的P1、P2和P4产生“裂缝阻断效应”产生最大土压力且分别为1.97，3.82，4.12 kPa；第六级侧推位移施加后，P3、P5和P6土压力值分别为16.12，4.17，7.85 kPa。图13为单坎型织物袋坎墙支护边坡的墙后土压力变化曲线。可知：第五级侧推位移施加后，P1、P2和P5处土压力分别为4.12，6.79，5.43 kPa；第六级侧推位移施加后，P3、P4和P6处土压力分别为19.23，7.45，9.47 kPa。图14为L坎型支护边坡的墙后土压力变化曲线。可知：第五级侧推位移施加时，P1、P2和P4处土压力分别为7.04，13.67，8.66 kPa；第六级侧推位移施加后，P3、P5和P6处土压力分别为21.37，7.97，11.81 kPa。图15为反坡L坎型支护边坡的墙后土压力变化曲线。可知：第五级侧推位移施加时，P2、P4处土压力分别为15.21，10.73 kPa；第六级侧推位移施加后，P3、P5和P6处土压力分别为22.93，10.23，12.86 kPa。

a—距坡脚不同高度处土压力；b—不同测点处土压力。图12 无支护边坡土压力变化曲线Fig.12 Earth pressure curves of slopes without supporting

a—距坡脚不同高度处土压力；b—不同测点处土压力。图13 单坎型支护边坡土压力变化曲线Fig.13 Earth pressure curves of slopes in support of inclined type supporting

a—距坡脚不同高度处土压力；b—不同测点处土压力。图14 L坎型支护边坡土压力变化曲线Fig.14 Earth pressure curves of slopes in support of L-shaped supporting

a—距坡脚不同高度处土压力；b—不同测点处土压力。图15 反坡L坎型支护边坡土压力变化曲线Fig.15 Earth pressure curves of slopes in support of L-shaped supporting with notched sills

可见，第一、二级边坡墙后土压力均随墙高呈增大趋势，且第一级边坡坡顶处土体对第一、二级边坡连接处土体的侧向变形具有约束作用，致使该处土体挤压严重，土压力激增而产生最大土压力；以无支护边坡的墙后土压力为参照，在单坎型、L坎型及反坡L坎型织物袋坎墙支护下第二级边坡P3处土压力分别增大了19.3%、32.6%和42.2%，第一级边坡P6处土压力分别增大了20.6%、50.4%和63.8%，表明无支护、单坎型、L坎型及反坡L坎型支护的第二级边坡抵抗侧向土压力能力依次增强，承载能力依次提高。

a—侧向变形；b—坡顶裂缝；c—滑裂面位置，cm。图16 坡比为1∶0.3的边坡试验现象Fig.16 Test phenomena of slopes at a slope rate of 1∶0.3

2.2 不同坡比的试验结果及分析

2.2.1不同坡比对试验现象的影响分析

图16为坡比为1∶0.3的单坎型织物袋坎墙支护边坡加载后的试验现象。由图16a、16b可知：在距第一级边坡坡脚高度约25 cm至第二级边坡坡顶间出现了贯通裂缝及多条裂缝，第二级边坡坡顶有2.3 cm左右的拱起，且距坎墙10 cm左右处出现了宽1.5 cm的开裂，第一级边坡顶中心处拱起约3 cm，且裂缝延伸至约2 cm宽，7 cm长。由图16c可知：边坡发生倾倒型破坏，滑裂面呈折线形，第二级边坡滑裂面后缘距第二级边坡坡顶34.3 cm，前缘位于第二级边坡坡脚；第一级边坡滑裂面后缘距第一级边坡坡顶37.7 cm，前缘距第一级边坡坡脚13.7 cm。图17为坡比为1∶0.5的单坎型支护边坡加载后试验现象。可知：边坡发生滑裂破坏，滑裂面呈圆弧形，第二级边坡滑裂面后缘距第二级边坡坡顶20.6 cm，前缘距第二级边坡坡脚18.5 cm；第一级边坡滑裂面后缘距第一级边坡坡顶14.6 cm，前缘第一级边坡距坡脚21.8 cm。图18为坡比为1∶0.75的单坎型支护边坡加载后试验现象。由图18a、18b可知：在距第一级边坡坡脚约16 cm至第二级边坡坡顶间出现贯通裂缝及多条裂缝，第二级边坡坡顶有高3.1 cm左右的隆起。由图18c可知：边坡发生滑裂破坏，滑裂面呈圆弧形，第二级边坡滑裂面后缘距第二级边坡坡顶26.8 cm，前缘距第二级边坡坡脚17.3 cm，第一级边坡滑裂面后缘距第一级边坡坡顶23.3 cm，前缘距第一级边坡坡脚15.9 cm。

a—侧向变形；b—坡顶裂缝；c—滑裂面位置，cm。图17 坡比为1∶0.5的边坡试验现象Fig.17 Test phenomena of slopes at a slope rate of 1∶0.5

a—侧向变形；b—坡顶裂缝；c—滑裂面位置，cm。图18 坡比为1∶0.75的边坡试验现象Fig.18 Test phenomena of slopes at a slope rate of 1∶0.75

试验现象表明：以坡比为1∶0.3的边坡的坡顶拱起高度作为参照，坡比为1∶0.5、1∶0.75的第二级边坡坡顶隆起高度分别增大了18.2%、34.8%；同时随着坡比减小，第二级边坡破坏形式逐渐由倾倒型向滑动型变化，滑裂面由圆弧形向折线形变化。

2.2.2不同坡比对坡体水平位移的影响分析

图19为坡比为1∶0.3的单坎型织物袋坎墙支护边坡的坡体水平位移变化曲线。可知：前三级侧推位移施加时，第二级边坡坡顶、坡脚位移增量分别为3.8,3.2 cm，第一级边坡坡顶位移增量2.5 cm，第四级侧推位移施加后，第二级边坡坡顶、坡脚位移分别为17.6,11.9 cm，第一级边坡坡顶位移8.2 cm，第六级侧推位移施加后，第一、二级边坡坡顶位移分别为11.8，23.9 cm。图20为坡比为1∶0.5的单坎型支护边坡的坡体水平位移变化曲线。可知：第六级侧推位移施加后，第一、二级边坡坡顶位移分别为10.2，22.2 cm。图21为坡比为1∶0.75的单坎型支护边坡的坡体水平位移变化曲线。可知：前四级侧推位移施加时，第二级边坡坡顶、坡脚位移增量分别为3.4，2.8 cm；第六级侧推位移施加后，第一、二级边坡坡顶位移分别为8.9，21.3 cm。

a—距坡脚不同高度处坡；b—坡体水平位移。图19 坡比为1∶0.3的坡体水平位移变化曲线Fig.19 Horizontal displacement curves of slopes at a slope rate of 1∶0.3

a—距坡脚不同高度处坡；b—坡体水平位移。图20 坡比为1∶0.5的坡体水平位移变化曲线Fig.20 Horizontal displacement curves of slopes with a slope rate of 1∶0.5

a—距坡脚不同高度处坡；b—坡体水平位移。图21 坡比为1∶0.75的坡体水平位移变化曲线Fig.21 Horizontal displacement curves of slopes at a slope rate of 1∶0.75

综上所述，以坡比为1∶0.3的单坎型织物袋坎墙支护边坡为参照，坡比为1∶0.5、1∶0.75的第二级边坡坡顶水平位移分别减小了7.1%和10.9%，第一级边坡坡顶水平位移分别减小了13.6%和24.6%，表明坡比越小，边坡抵抗侧向变形能力越大，破坏程度越小。

2.2.3不同坡比对墙后土压力的影响分析

a—距坡脚不同高度处；b—不同测点处土压力。图22 坡比为1∶0.3的边坡土压力变化曲线Fig.22 Earth pressure curves of slopes at a slope rate of 1∶0.3

图22为坡比为1∶0.3单坎型织物袋坎墙支护边坡的墙后土压力变化曲线。可知：第一级侧推位移施加后，第二级边坡与第一级边坡连接位置P3处由于土体挤压严重使得土压力最大，P2处土压力次之，P1处最小，第一级边坡P6处土压力最大，P4、P5处土压力递减；第四级侧推位移施加后，边坡出现贯通裂缝，P1、P2和P5因裂缝阻断效应产生最大土压力且分别为3.17，5.28，3.49 kPa；第六级侧推位移施加后，P3、P4和P6土压力最大且分别为17.84，6.37，8.34 kPa。图23为坡比为1∶0.5单坎型支护边坡的墙后土压力变化曲线。可知：第六级侧推位移施加后，P3、P4和P6处土压力最大且分别为19.23，7.45，9.47 kPa。图24为坡比为1∶0.75单坎型支护边坡的墙后土压力变化曲线。可知：第四级侧推位移施加后，P1处土压力最大且为5.47 kPa；第五级侧推位移施加时，边坡出现贯通裂缝，P2、P4处土压力最大且分别为8.58，9.07 kPa；第六级侧推位移施加后，P3、P4和P6处土压力最大且分别为21.96 Pa，6.68 和10.78 kPa。

a—距坡脚不同高度处；b—不同测点处土压力。图23 坡比为1∶0.5的边坡土压力变化曲线Fig.23 Earth pressure curves of slopes at a slope rate of 1∶0.5

a—距坡脚不同高度处；b—不同测点处土压力。图24 坡比为1∶0.75的边坡土压力曲线Fig.24 Earth pressure curves of slopes at a slope rate of 1∶0.75

可见，以坡比为1∶0.3的单坎型织物袋坎墙支护边坡墙后土压力为参照，坡比为1∶0.5、1∶0.75的第二级边坡P3处土压力分别增大了7.8%和23.1%，第一级边坡P6处土压力分别增大了13.5%和29.3%，表明坡比越小，柔性坎墙抵抗侧向土压力能力越大、承载能力越高。

3 结束语

1)在侧推位移作用下，裂缝均产生于坡脚和距坡脚1/3～1/2高度处，第二级边坡先于第一级边坡发生破坏且破坏程度更严重；同时在4种织物袋坎墙支护条件下第二级边坡均为滑动型破坏，滑裂面均为圆弧形，且随着坡比减小，第二级边坡破坏形式逐渐由倾倒型向滑动型变化，滑裂面由圆弧形向折线形变化。

2)在侧推位移作用下，第二级边坡水平位移明显大于第一级边坡，且第一、二级边坡的最大水平位移均位于坡顶处；以无支护边坡作为参照，单坎型、L坎型及反坡L坎型支护下第二级边坡坡顶水平位移分别减小8.6%、13.2%和16.5%，表明反坡L坎型支护的第二级边坡抵抗侧向变形的能力最强，L坎型、单坎型、无支护边坡抵抗侧向变形能力依次减小；同时以坡比为1∶0.3的单坎型织物袋坎墙支护边坡作为参照，坡比为1∶0.5、1∶0.75的第二级边坡坡顶水平位移分别减小7.1%和10.9%，表明坡比越小，边坡抵抗侧向变形能力越大，破坏程度越小。

3)在侧推位移作用下，第一、二级边坡墙后土压力均随墙高呈增大趋势，且第一级边坡坡顶处土体对第一、二级边坡连接处土体的侧向变形产生约束作用，致使该处土压力最大；以无支护边坡作为参照条件下，单坎型、L坎型及反坡L坎型织物袋坎墙支护的第二级边坡坡脚处土压力分别增大了19.3%、32.6%和42.2%，表明反坡L坎型支护下第二级边坡抵抗侧向土压力能力最强，L坎型、单坎型、无支护边坡的抗侧向土压力和承载能力依次减小；以坡比为1∶0.3的单坎型支护边坡作为参照，坡比为1∶0.5、1∶0.75的第二级边坡坡脚处土压力分别增大了7.8%和23.1%，表明坡比越小，柔性坎墙抵抗侧向土压力能力越大、承载能力越高。