连续纤维丝生态护岸稳定性及其影响因素研究

彭 冲，王 瑞，王茜徵，程 颖，贾雪雪，杜 威，陶志伟，赵 达，张一凡，叶宇轩

(深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东 深圳 518040)

1 研究背景

近年来，有关河流生态护岸方面的技术研究及应用取得了一些进展，如生态袋护岸法、土工格室护岸法、三维植被网垫护岸法等[1-3]。尽管这些方法在工程上取得过良好的效果，但其对具有高含水率、流态性质的底泥的固定效果还未见实际应用，有待进一步考证。针对河道底泥资源循环利用问题，我们提出一种新型生态护岸方法，在保证结构稳定、行洪安全的基础上，不仅能高效消纳底泥，还能充分利用底泥中的营养物质让植物快速生长，具有工程结构稳定、绿化效果良好、造价低廉等优点，符合生态环保的理念。

我们提出的护岸方法使用了连续纤维丝补强土技术，该技术利用纤维丝与土体相互混合发生的交织纠缠等作用，使土体的结构发生变化，对土体进行加筋补强作用，从而提高边坡土体的强度及边坡稳定性。已有研究通过直剪试验证明，在一定范围内增大连续纤维丝的添加量，可增强加筋补强植生土的抗剪强度[4-5]，但该方法需满足如下前提：连续纤维丝需在底泥中均匀且同向伸展分布，并且无其他因素干扰，即在剪切过程中，除了剪应力，水平方向上没有其他外力作用在底泥补强结构上。

而实际上，纤维丝补强土技术中的纤维丝在土体中是随机排布的；另外，锚杆这一因素对底泥补强结构抗剪强度的影响不可忽视，而普通的抗剪试验无法检测出含锚杆土体的抗剪强度。因此，为了更贴合实际地研究纤维丝的作用机理，我们利用自主研发的剪切拉力运动模型装置，进一步对底泥补强结构中各因素的作用规律展开研究，通过测定不同纤维丝添加量、不同锚杆粗细和不同锚杆安插密度条件下连续纤维丝补强土的抗剪能力，分析不同因素对连续纤维丝补强土抗剪性能的影响程度，确定该工艺中各材料的最佳配比，以期为工程实践提供指导。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料和装置

2.1.1 底泥固化杀菌调理

试验所用底泥取自肇庆市某河涌，含水率约为80%，密度接近于1 g/cm3；固化杀菌剂由水泥、石灰、粉煤灰调配而成，添加比例为底泥质量的2.5%。

2.1.2 纤维丝和锚杆的性能参数

本研究所用纤维丝为强度、弹性、抗腐蚀性、耐酸碱性、耐磨性等性能均较强且售价较低的涤纶低弹丝(DTY)，纤度为150 D，断裂强度为3.15 cN/dtex。

锚杆直径选取2、4、10 mm三种，性能等级均为4.8级。

2.1.3 剪切拉力运动模型

为了测试底泥补强结构在护岸上的抗剪强度，本研究设计了底泥与原状土界面剪切强度的测定装置，即剪切拉力运动模型，见图1、2。

该装置克服了现有技术难以检测复杂结构土体的抗剪性能的问题，引入了锚杆对土体的锚固作用，从宏观层面对土体抗剪性能进行分析。装置主要由模拟边坡和剪切拉力系统2个部分组成，如图1所示。模拟边坡由上下两部分构成，上部为0.4 m×0.3 m×0.3 m的底泥补强结构容器，下部为0.6 m×0.3 m×0.3 m的原状土体容器，于其底部固定锚杆，锚杆贯穿模拟边坡上下两个部分，如图2所示。

图1 剪切拉力运动模型试验装置示意

图2 剪切拉力运动模型试验装置

2.2 试验方法

2.2.1 纤维丝补强模拟边坡制作

为了确定对边坡抗剪强度影响最大的因素及各因素配比，设置三因素三水平正交试验，其中三因素为纤维丝添加量(加丝量)、锚杆安插密度(锚杆数量)和锚杆粗细度(锚杆直径)。正交试验表见表1。

表1 剪切模型正交试验表

按照预先设计的参数，先将锚杆固定在模型底部，锚杆呈交错均匀排布，然后将模型下部装满黏土并击实，接着按照正交试验表设置的参数将固化杀菌底泥和连续纤维丝均匀混合置于模型上部，底泥厚度均为17.5 cm，质量为21 kg。

2.2.2 拉力施加方法及运动过程数据采集方法

试验过程中，在模型上部施加一个匀速增大的力，直至模型上部被锚杆阻挡，此时停止施力，本组试验结束。

作用于模型上部的拉力施加方法为：在模拟边坡的剪切方向上固定一根绳索，绳索经过定滑轮(将垂直力转变为水平力)后，在另一端系一个盛水容器(本试验所用盛水容器自身质量为2.1 kg，容积为50 L)，当进行剪切操作时，向容器中匀速注水，即形成了作用在模型上部匀速增大的水平拉力。

模型剪切运动过程记录方法为：在模型上部的尾部粘贴一张标有距离刻度的纸带，纸带要时刻处于水平伸展状态，其旁放置一个参照物，记录模型上部滑移单位距离(1 cm)所需的时间，求出各段的平均速度，并绘制运动曲线。

3 结果与分析

3.1 模型运动情况分析

正交试验9组模型所受拉力及运动速度变化曲线见图3。从图3中可以看出，纤维丝的加筋作用和锚杆的锚固作用共同提高了底泥和原状土界面间的抗剪强度。

图3 模型拉力-速度曲线

由物理常识可知，当底泥和土之间不存在纤维丝和锚杆的连接，拉力不变，但大于摩擦力时，底泥试块会匀加速滑动；当拉力匀速增加，试块变加速滑动(加速度匀速增加)。而在9组试验中，速度均出现1～4次下降的过程，由此可以看出，9组试验中，底泥补强结构不同程度上与原状土之间形成连接，当纤维丝处于松弛状态时，若拉力大于泥、土之间的摩擦力，速度即会增加，当纤维丝处于紧绷状态时，泥、土之间即产生了牵引力，当拉力达到一定强度，纤维丝遭到破坏后，泥、土之间失去相互牵引力，底泥试块再度加速，如此往复，直至所有纤维丝被破坏(或锚杆被破坏)，达到变加速状态，边坡完全被破坏。

值得关注的一点是，试块初始运动所需要的力(60～70 N)并无明显差异，说明初始运动时，纤维丝在松弛状态，还没起到拖拽的力量，此时破坏拉力更大程度上取决于底泥与原状土层之间的摩擦力。

3.2 各因素对纤维丝补强结构抗剪能力的影响

为了分析不同因素对底泥补强结构抗剪能力的影响，本研究利用极差法进行数据分析。

将各考察指标在各影响因素相同水平下的试验组实测数据分别累加，得到不同水平时的累加值K1、K2、K3，再根据K值的极差R值来判断各因素的最优水平。极差R值越大，该影响因素的水平因子变化对于数据影响越大；反之，则影响越小。

模拟边坡抗剪能力考察指标——每条曲线速度下降的次数a、运动过程中最大速度b和相邻两个波峰之间的平均拉力间距c的数据统计结果见表2。

表2 各模型抗剪能力考察指标统计结果

将表2中的数据利用极差法处理得到表3。根据表3可以看出，锚杆数量对速度下降的次数a影响最大，说明锚杆数量越多，土体在破坏的过程中，破坏被削弱的次数也越多；锚杆粗细对土体运动速度b影响最大，说明锚杆越粗，破坏的速度越慢；加丝量对相邻两个波峰之间的拉力平均间距c影响最大，即纤维丝添加量越大，相邻两次间达到最大破坏的间隔时间越长，需要的力也越大。

表3 抗剪能力考察指标极差分析

根据以上分析，在本试验范围内，土体强度达到最大的组合为：锚杆粗10 mm+锚杆数3根+加丝量1.3 kg/m3。

3.3 纤维丝补强结构对边坡稳定性的影响

为了分析底泥补强结构在边坡上的安全稳定性，分别对9组模型处于45°和60°边坡上的稳定系数进行计算，稳定系数[6]计算公式为

FS=R抗/T

(1)

T=W·sinα

(2)

上二式中：FS为抗滑稳定系数；R抗为抗滑力，即抗剪拉力运动试验中模型运动过程中速度发生第一次加速突变时，模型所受的拉力大小，N；T为下滑力，N；W为滑体自身重力，9组模型W=210 N；α为边坡坡度，(°)。

稳定系数计算结果见表4。

表4 稳定系数计算结果

注：当FS<1.00时，边坡为不稳定状态；当1.00≤FS<1.05时，边坡为欠稳定状态；当1.05≤FS

根据表4计算结果可知，当边坡坡度为45°时，模型2、模型4和模型6安全性满足边坡工程安全等级一级标准，稳定系数分别为1.37、1.55和1.43；当边坡坡度为60°时，模型4安全性满足边坡工程安全等级三级标准，稳定系数为1.27。因此，不同工况下，边坡的稳定性对各材料的配比需求不同，在施工过程中，可根据具体工况和工程安全要求，相应地调整每种材料的比例，以满足工程需求。

4 结 论

本研究提出的剪切性能测试装置可模拟大尺度的模型试验，实现对含不规则排布加筋材料及锚杆加固边坡的模拟试验，对不同加固方案进行对比，优化加固方案。通过本研究，得到以下结论：

(1)通过模型运动曲线规律得到，纤维丝的加筋作用和锚杆的锚固作用共同提高了底泥和原状土界面间的抗剪强度。从力学的角度解释，添加纤维丝提高了底泥补强结构的黏聚力、内摩擦角等性能，添加量越多，其自身抗剪强度越强；锚杆数量和锚杆粗细(二者构成锚杆总强度)对造成边坡破坏的外力的削减次数和每次削减幅度影响较大，二者共同影响了边坡对切应力的承受能力，而边坡切应力主要受边坡自身重力、坡度等影响。

(2)通过极差法分析得到，锚杆数量对边坡所受外力被削弱的次数影响较大；锚杆粗细度对土体所受外力每次被削弱的程度影响较大；加丝量则决定每次削减后稳定状态维持的时长。在本试验范围内，土体强度达到最大的组合为：锚杆粗10 mm+锚杆数3根+加丝量1.3 kg/m3。

(3)通过稳定性系数计算得到，边坡坡度为45°时，正交试验中有3组模型的安全性可满足边坡工程安全等级一级标准，当将边坡坡度增大到60°时，仅模型4的安全性可满足边坡工程安全等级三级标准。可见，边坡的稳定性尽管在相同工艺中也要视施工工况而定，因此，需要根据具体施工工况和工程安全等级要求采取不同的工艺配置对边坡进行补强。