土工袋包裹膨胀土复合体抗渗与变形特性研究

摘要

膨胀土具有吸水膨胀性强、压缩性大、易产生裂缝等特点，危害较大，需要采取相应措施进行治理和防范。研究提出了一种采用土工袋包裹膨胀土的治理措施并进行室内模型试验，探究土工袋包裹膨胀土对膨胀土的抗渗与控制膨胀变形的效果。结果表明：在模型箱内进行淋雨试验后，有土工袋包裹的膨胀土内部含水率低于无土工袋包裹的膨胀土，在土工布内缝制一层无纺布后防渗效果得到进一步提升;土工袋对淋雨后膨胀土的膨胀变形有显著的控制效果，且随着上覆荷载的增加变形量逐渐减小。因此土工袋装膨胀土用于边坡防护可有效减少雨水入渗，同时能够限制土体膨胀，说明以此对膨胀土问题进行治理是可行的。研究对膨胀土边坡的浅层滑动防治提供了参考。

关键词

膨胀土;土工袋;模型试验;含水率;膨胀变形

中图分类号：TU416"" 文献标志码：A"" 文章编号：1004-0366（2024）06-0058-06

膨胀土具有胀缩性、裂隙性、超固结性［1-2］，在边坡用土时易发生失稳破坏，从而导致许多工程问题的出现，因此对膨胀土进行研究十分必要。

学者们对膨胀土进行了积极研究［3-6］，有些学者提出了新的计算方法，考虑了裂隙和基质应力对结果的影响，并发现降水会导致基质吸力降低，从而降低土体强度和边坡安全系数［7-10］。相关研究还表明大气影响范围的增大会导致膨胀土边坡失稳破坏［11］。影响膨胀土失稳破坏的原因较多，对膨胀土边坡防护治理时不宜采用单一的措施，应该从膨胀土边坡的影响因素、技术防治、工程特性、破坏机理等多方面入手［12-15］。目前施工中常用的治理措施就是上述方面的结合，运用较多的是柔性防护措施，如种植植被、使用土工合成材料［16-21］（如土工格栅［18］、土工膜［19］等）进行防护，但土工格栅处理膨胀土边坡只进行了浅层处理，没有考虑深层膨胀土的防治问题;土工膜虽然操作简单方便，但后续使用过程中出现的老化，耐久性差等问题未得到妥善解决。换填其他性质较好的填料能够消除膨胀土的涨缩特性［22-23］，提高膨胀土边坡的稳定性，但换填法虽然原理简单且易操作，却难以寻找换填的填料。因此，在上述治理措施中，使用土工合成材料防护膨胀土边坡的方案具有一定的可行性。

膨胀土边坡遵循的较为有效的防治原则是“防渗保湿，以柔治胀”［24］。本次研究使用土工袋装填膨胀土作为防护措施，通过室内试验模拟土工袋在降雨条件下的防渗效果以及对膨胀土膨胀变形的限制效果，通过在编织土工布内缝制一层无纺布来探究无纺布的增设是否能够进一步提高土工袋的防渗效果。

1 土工袋装膨胀土排水抗渗试验

1.1 试验装置

试验模型箱的尺寸为45 cm×30 cm×38 cm（长×宽×高），材料为亚克力板。底部设有多个排水口，模型箱上方布置有淋浴头作为降雨装置，降雨装置由水泵、PVC软管、喷头和三通连接器组成;降雨强度通过水泵以及淋浴头数量来进行调节。喷头布置在模型箱的中心位置，使水尽可能均匀淋在模型箱的填料上;模型箱放置在铁架上，下面绑扎一个集水袋，对降雨后渗透排出的水进行收集，集水袋下方放置电子秤，对排水量进行实时观测。具体试验装置如图1所示。

1.2 试验材料

试验所用的膨胀土来自河南信阳的路堑边坡，取回土样后需要对其自然风干，过筛后依据《土工试验方法标准》［25］对该膨胀土进行试验，得到的基本参数指标如表1所列。

1.3 试验方案

降雨量按照膨胀土的工程所在地（河南信阳）的年平均降雨量来设计，查找气象资料得该地区年平均降雨强度约为40 mm/h。试验降雨时长为60 min，试验过程中记录排水量，当排水量不再变化后静置30 min并记录总排水量。静置完成后，在不同深度和水平位置取样，测定其含水率。试验分为3组，分别是对照组（无土工袋）、试验Ⅰ组（编织土工布缝制的土工袋）、试验Ⅱ组（编织土工布加无纺布缝制的土工袋）。

试验中填充土工袋时，先将土工布沿模型箱四周铺设，然后填土分层击实，填入土工袋体的土体高度与无土工袋时的填土高度一致，然后压实。填筑土工袋如图2所示。

2 试验结果分析

2.1 排水量试验结果

因为该试验的降雨时长较短，试验水分的蒸发忽略不计。试验中降雨量=雨水渗入量+无纺布吸水量+透水量。降雨试验得出的3种工况的试验结果如图3所示。

图3显示，对照组工况中土体底部的出水时间较晚，约40 min开始出水，出水量较少，原因是大部分水被膨胀土土体吸收;试验Ⅰ组中出水时间提前，16 min出水口就有微弱水流，前期排水速度均匀且速度较快，后期排水速度变缓，排水量主要集中在20～50 min之间，该时段内的排水量占总排水量的80%左右，排水量变化较大，排水总量相比对照组提高了5.5倍，说明使用土工袋防渗排水效果较好，土工袋的增设有助于雨水的排出，一部分降水沿着土工袋与模型箱四周的内侧壁流到底部的排水口，减少了降水在土体内部的渗入时间和土体吸水量;试验Ⅱ组中开始排水时间为20 min，比试验Ⅰ组晚5 min左右，排水量增长速度快，相对于试验Ⅰ组排

水量更大，这是由于内层无纺土工布具有一定的吸水能力，降雨初期，通过土工袋渗入的雨水被无纺土工布吸收，减小了入渗量，吸水饱和后无纺布的存在增加了平面排水通道，导致排水量和排水速度有所增加，进而说明在土工袋内部增设一层无纺布有助于提升土工袋的整体排水能力，且根据排水时间记录可知其排水总时长相对于试验Ⅰ组缩短22 min左右。

2.2 膨胀土含水量试验结果

对降雨后模型箱内不同位置的膨胀土土体取样，然后进行含水率检测，根据不同深度土样的含水率分析了雨水在3种工况下的入渗规律。其中土体的填筑高度为20 cm，试验后从模型箱上方选取15 cm深度的土体作为研究对象。取样位置如图4所示，图4中A对应的是模型箱的中心，C对应的位置是箱体侧壁，B是A、C位置的中心处。

不同工况、不同取土位置的土样的含水率曲线如图5所示。

通过图5可知，对照组在各个位置处的土样含水率都大于试验组。试验组在深度2 cm的位置处测得的土样含水率差值不大，其原因是淋雨均匀且深度较浅，雨水极容易入渗;在深度7 cm与13 cm处试验组测得的含水率均有一定的变化。以深度13 cm位置A处为例进行分析，对照组测得的含水率为45.95%，试验Ⅰ组为29.30%，降低了16.65%，试验Ⅱ组为26.00%，比试验Ⅰ组降低了3.3%。

在C处，不同深度下的土样含水率都高于A、B两处，A、B位置处含水率随着深度增加而逐渐降低;且同一位置在深度7 cm和13 cm处，试验Ⅱ组（无纺布加编织土工布制成的土工袋）测得的含水率低于试验Ⅰ组（编织土工布缝制成的土工袋）;对照组（无土工袋）的膨胀土所测得的含水率都高于其他试验组。试验组靠模型箱侧壁的土样含水率相差不大，而A、B两处有明显区别，这是因为在淋雨试验过程中，雨水会沿着土工袋体与模型箱之间的边界缝隙流下，所以C处的含水率要比A、B两处位置的含水率变化大。说明使用土工袋包裹膨胀土后，雨水会沿着土工布流走，不易渗入土体内部，保护土体内部的稳定性。同时，增加无纺布层可以吸收部分雨水，阻挡后续雨水渗入，减少雨水的入渗量。土工袋防护后在深度13 cm，位置A处的含水率与膨胀土的天然含水率接近，可见土工袋包裹膨胀土复合体的导水效果较好，起到了一定的抗渗作用。

综上可知，土工袋包裹膨胀土作为边坡防渗排水措施时，编织土工布和无纺布具有较好的排水能力，可有效将水排走并减小膨胀土的吸水量，具有较好的防渗效果。

3 土工袋装膨胀土变形试验

3.1 试验装置

在尺寸为46 cm×30 cm×48 cm（长×宽×高）的自制模型箱内进行室内试验。采用淋浴喷头组装成一种人工降雨装置，安装水阀调节水量大小用以模拟降雨强度，模型箱上方放置一根横梁，横梁上方布置两个测距仪，读数精确到毫米级，观测土体竖向变形量，测试装置如图6所示。

模型箱前侧装有透明的厚度为1.5 cm的亚克力板，使用黑色记号笔标记土层高度便于观测土体形变，其余三面为厚度2 cm的木板，木板中心布置位移计，观测在模拟降雨的过程中膨胀土吸水产生的侧向膨胀变形，如图7所示。

3.2 试验方案

为研究上覆荷载以及土工袋包裹对膨胀变形的影响，共进行6组试验，以无土工袋包裹且不加覆载为对照组，土工袋包裹膨胀土加覆载0 kPa、2 kPa、4 kPa、8 kPa、12 kPa为试验组，各组试验土层高度均设为20 cm，使用拉伸强度为80 kN/m的编织土工布，降雨量控制在20 mm/h，具体试验方案如表2所列。

3.3 试验结果分析

模拟降雨结束后，记录模型箱四测位移计的数值，发现百分表读数几乎没有变化，说明模型箱对膨胀土土体的四周有限制作用，膨胀土未发生侧向变形，只能在竖直方向上产生膨胀。整理两个测距仪测得的土体竖向膨胀变形量，绘制出不同情况下变形稳定后的膨胀变形量，如图8所示。

从图8可以看出，模型箱内膨胀土的膨胀变形主要集中在降雨初期，随着时间增加，膨胀变形量趋于稳定。当使用土工袋包裹膨胀土后，对膨胀土的膨胀变形有明显的抑制作用。从降雨开始到结束90 min内对变形量进行观测，当土体上部无覆载时，膨胀变形持续发生了80 min;当使用土工袋包裹处理后，持续时间缩短为60 min;当施加2 kPa上覆荷载时，持续时间缩短为50 min;当荷载增加到12 kPa时，持续时间减少至30 min。由此可知，使用土工袋对控制膨胀土变形作用明显，随上覆荷载的逐渐增大，膨胀土变形时间逐渐减小。

为了研究土工袋以及上覆荷载对膨胀土膨胀变形的限制作用，进一步整理试验数据，得出膨胀变形量与土工袋上覆荷载拟合曲线，如图9所示。

由图9可知，在降雨强度相同以及都不施加上覆荷载的情况下，土工袋包裹膨胀土的膨胀变形量要比无土工袋包裹土体的膨胀变形量小，减小量为6.03 mm，说明土工袋对膨胀土的膨胀变形有明显的控制效果;随着土工袋上覆荷载的增加，膨胀土土体的竖向变形量逐渐减少，说明随上覆荷载的增加，土工袋对膨胀土的竖向约束变形能力增强。当上覆荷载增加到一定值后，土体表面将不会发生竖向膨胀变形。根据图9可以拟合出一个经验公式：

y=6.04e-0.11x， （1）

其中：y为竖向膨胀变形量;x为上覆荷载。

4 结论

为减小边坡膨胀土含水量和限制膨胀土的吸水膨胀变形量，本次研究提出了采用土工袋装膨胀土的边坡防护方法，并通过自行设计的模型箱试验，研究了降雨条件下土工袋装膨胀土的防渗效果与土工袋对膨胀土的变形约束能力。主要结论如下：

（1） 土工袋包裹膨胀土后，由于编织土工布和无纺布具有较好的透水性，在降雨发生的时候，有利于雨水的导出，雨水的入渗主要发生在膨胀土表层，使入渗到膨胀土土体内部的水减少，可以起到防渗的效果;在编织土工布内再缝制一层无纺布可以进一步提升土工袋的导水性能，增强土工袋的防渗效果。

（2） 由于编织土工布具有较高的强度，可为膨胀土提供一定的围压，在雨水入渗到土体内部使膨胀土发生膨胀变形时可以限制其膨胀变形量。

（3） 在降雨发生时，土工袋包裹膨胀土复合体可以在表层起到导水作用，使雨水的渗入量减小，起到一定的抗渗效果;同时土工袋可以控制膨胀土的膨胀变形，从而减小膨胀土的膨胀变形量。所以将膨胀土装入土工袋能有效防渗并控制其膨胀变形，是一种较好的防护措施，可为类似工程的应用提供一定参考。

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Study on impermeability and deformation characteristics of

expansive soil composite wrapped by geotextile bags

GAO Xin1，2，ZHANG Yuhang3，LI Guolin4，5，TIAN Menghe6，LIU Weichao1，2

（1.Key Laboratory of Groundwater Sciences and Engineering，Ministry of Natural Resources，Institute of Hydrogeology

and Environmental Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Shijiazhuang 050043，China;

2.School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China;

3.Zhongan Guotai （Beijing） Technology Development Co.，Ltd.，Beijing 100012，China;

4.China Railway19th Bureau Group Co.，Ltd.， Beijing 100176，China;

5.China Railway 19 Bureau Group Fifth Engineering Co.，Ltd.，Dalian 116103，China;

6.Wuqiao County Administrative Examination and Approval Bureau，Cangzhou 061000，China）

Abstract

Expansive soil has the characteristics of strong water absorption and expansion，large compressibility，and easy to produce cracks.It is harmful and needs to take corresponding measures to control and prevent.A treatment measure of wrapping expansive soil with geotextile bag is proposed，and the indoor model test is carried out to explore the effect of wrapping expansive soil with geotextile bag on the impermeability and controlling expansion deformation of expansive soil.The test results show that after the rain test in the model box，the internal water content of the expansive soil wrapped in the geotextile bag is lower than that of the expansive soil without the geotextile bag，and the anti-seepage effect is further improved after a layer of non-woven fabric sewn into the geotextile.Geotextile bag have a significant control effect on the expansion deformation of expansive soil after rain，and the deformation gradually decreases with the increase of overlying load.Therefore，the use of geotextile bagged expansive soil for slope protection can reduce rainwater infiltration and limit soil expansion.It is feasible to control the expansive soil problem and has certain application value for the shallow sliding prevention of expansive soil slope.

Key words

expansive soil;geotextile bag;model test;water content;swelling deformation

（本文责编：葛 文）