土工编织袋在边坡防护中的破坏方式及因素探讨

兰素恋 潘良伟 张潜华

摘要：土工编织袋作为一种通过袋装固体材料而成的柔性加固单元，因其施工简便、就地取材节省资源、工程造价低及防护效果好等优点而在边坡防护中备受青睐。文章结合广西区内某土工编织袋护坡破坏实例，分析了土工编织袋护坡过程中的受力特征、材料特性及装填物性质，探讨了土工编织袋在边坡防护中的破坏方式及因素，对推进土工编织袋在边坡支护中的规范应用和改进具有一定的参考作用。

关键词：土工编织袋;边坡防护;破坏方式;机理分析

中图分类号：U416.1⁺4文献标识码：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.010

文章编号：1673-4874（2021）01-0036-04

0引言

土工编织袋是指在滤水、且有一定规格和性能的编织袋内充填固体材料（素土、水泥土、砂砾等）及不同混合物，并封口形成的柔性加固单元。通过不同的形状和构筑结构设计堆砌而成的土工编织袋防护体系具有可变形、强度大、就地取材节省资源、自立性强、施工简单、嵌固效果好等优点而被广泛应用于水利及公路工程领域相关的边坡防护之中[1-3]，如南水北调中线工程中膨胀土边坡的处理[4]、灌排水系护坡工程建设[5]、季节性冻土地区边坡防治[6]等。土工编织袋结构在取得了良好防治效果的同时还具备一定的景观效果，是集柔性防护、节约资源、生态环保、整体美观四位一体的优质防护结构，具有广阔的应用前景和显著的社会经济效益。

1土工编织袋物理力学特性

1.1土工编织袋材料特性

近年来，由于结构简单、施工便捷及防护效果显著等优点，土工编织袋的相关应用研究可以很快通过工程建设验证，研究工作与工程应用进程齐头并进，应用研究越发成熟。国内外学者对土工编织袋结构在边坡防护中的力学性质、变形及稳定性展开了一系列研究[7-8]，但大多数研究聚焦于理想条件下的应用方面，关于土工编织袋在护坡过程中的破坏方式和破坏因素研究鲜有报道，而土工编织袋在边坡防护应用过程中的耐用性是保证其具有应用前景的关键，知悉土工编织袋在边坡防护中的破坏因素并提出相应的处治改进措施才能进一步提高其在边坡防护中的竞争力。本文以广西某高速公路边坡土工编织袋护坡过程中的破坏为例，对土工编织袋在边坡防护过程中的破坏方式和因素进行分析探讨，并对土工编织袋边坡防护中的规范应用提出相应建议。

应用于边坡防护的土工袋通常是由织造和非织造形土工布包裹而成。前者由于抗拉压强度大、结构牢固、使用寿命长及各向异性明显等优点在工程应用中更受青睐。土工编织袋通过经、纬两高分子聚合物交织而成（如图1所示），在织造过程中由于经线作为支撑结构较纬线具有更高的强度。采用不同材料织造而成的土工编织袋具有不同的力学特性，如采用聚丙烯材料织造而成的编织袋相比于聚乙烯、聚酯材料织造而成的编织袋具有更高的抗拉压强度及更好的环境适应性。但是聚丙烯材料化学分子结构中，由于叔碳原子的存在而不稳定，在光照辐射下，分子结构中的氢原子易被氧化，呈现出强度衰减且随紫外线辐射呈线性变化的关系[9]。另一方面，编织袋的耐用性与渗透性亦有一定关联性，若渗透性过小则袋面材料易在雨季受到长期冲刷作用而破损，并且袋内土体汲取不到充分的水分使植物种子发芽，虽然可以通过铺设草皮的方式解决绿化问题，但需承担额外的成本。若土工编织袋渗透性过大则会使得土袋内细颗粒随着水分流失，造成土袋填充率下降呈干瘪状态，难以发挥护坡效果。

综上可知，在采用土工编织袋进行边坡防护过程中，由于不同地区的地理环境截然不同，因此在选取编织袋材料时应有特殊的考量。如广西降雨丰沛、热量丰富且光照时间适中，因此应选用强度大、渗透性适中、具有抗冲刷性、耐热性强且有一定抗辐射性的材料（或混合材料）来织造土工编织袋。现有研究表明[10]，通过化学处治（如富磷抗氧化剂处理聚丙烯材料）或在土工编织袋上覆一层一定厚度土体的方法可以减少使用过程中袋面因长时间受到暴晒而产生的破坏，保证土工编织袋具有一定的使用年限。

1.2土工编织袋力学特性

通过单轴压缩试验可以较为直观地看出土工编织袋的力学特性[7]，土工编织袋在抗压过程中，受力如图2所示。从图中可以看出，由于其编织物材料柔性的特点，土工编织袋在受压过程中断面高度逐渐减小，高宽比逐渐变大，在这个过程中假设土体体积不变，土体横向扩张挤压编织袋，袋面整体周长变大，土袋产生拉伸应变随之带来一个拉伸应力，这个应力作用于袋内土体，给土体增加了一个附加围压而使其更具有整体性。但是在这个过程中，土工编织袋边缘处易发生鼓胀而受到一个集中拉力荷载而使得经线发生撕裂。且边缘处通常是土工编织袋的缝合处，集中的拉应力易撑开缝线断裂袋口，导致袋内土体流失。

在护坡工程中，土工编织袋的堆砌连接是通过高强度材料锥钉、倒钩棘爪刺穿袋面来实现的，连接位置多处于内边缘附近。根据前文分析可知，此处是受集中荷载最大的位置，易在堆砌过程中刺穿袋面。在护坡过程中，土工编织袋结构会更多地承担来自后方岩土坡体的水平作用力，在这个水平推力作用下，土袋之间难免会发生相对位移，连接扣初期造成的裂口会逐渐扩展开来，在造成土体大范围流失的同时袋体会整体出现破坏。

1.3土工编织袋填充物特性

土工编织袋的填充率为填充物的质量与土工编织袋所能填充的最大限度填充物质量之比，在工程应用中填充率应保持在80%以上[1]。土工编织袋内的填充物性质与袋面的破损情况息息相关。从上一节可知在土工编织袋受到上部荷载（堆叠的袋体自重等）时，编织袋内土体会向水平扩张，此时不同内摩擦角的土体向外扩张的程度不同，与袋体接触的程度也存在差异。袋内固体填料内摩擦角越大其整体性越好，橫向扩散的程度越小，在编织袋中部会有一部分聚集体与土袋表面充分接触，此时若装填物为硬质材料（如碎石、混凝土块等）且其强度大于编织袋袋面材料，则在堆砌时就易贯穿袋面。在边坡土体的水平作用力下，袋与袋之间发生相对位移时，这部分填料则会划开编织袋袋面使其破损。因此在工程应用中应避免填充硬度较大且棱角分明的填料，若受场地限制必须选用此类填料，可以适当降低填充率以避免土工编织袋破坏。

2某边坡土工编织袋破坏方式及机理探讨

2.1研究区域概况

研究滑坡区域位于广西壮族自治区北部某地区高速公路，地貌类型为剥蚀丘陵地貌，地面高程为2～58m。公路边坡所在山体近南北走向，两侧带状谷地发育，滑坡区域边坡坡比约为1：0.8～1：1.0。研究区域地表不均匀覆盖薄层残坡积土，下伏志留系中厚层强-中风化泥质粉砂岩夹页岩。研究区域二级边坡原采用土工编织袋覆绿技术进行防护，由于6月广西进入雨季，雨量充沛、日照时间长且温度高，该处二级边坡出现滑坡，并使得一级边坡表面植绿被冲毁，露出基岩。

2.2土工编织袋破坏方式

经过现场踏勘发现该处所用编织袋为普通水泥编织袋，所用材料为聚丙烯（PP），编织袋长为780mm，宽为420mm，充填率达80%时约厚200mm。从滑坡区域出露的编织袋堆叠体可以看出，该处土工编织袋采用顺层堆叠的方式进行堆砌，即土袋与土袋之间没有交错摆放，从下至上依次搭接而成。

袋中填料多为现场开挖所取的强-中风化泥质粉砂岩，多为棱角石块体。踏勘结果发现该滑坡区域未滑动土工编织袋基本已破坏，失去弹性和光泽感，扁丝、裂纹脆化现象明显，揉搓袋面会崩碎成粉。此滑坡区域破坏形式大多分为以下三种情况：（1）土工编织袋缝口处破坏、靠近缝口处袋面破坏，土体从破口涌出;（2）袋体中部断裂，袋面经线材料断裂仅有纬线材料连接;（3）石块、高强度锥状连接扣划破袋面。

2.3土工编织袋破坏机理

综合踏勘成果结合上述土工编织袋物理力学特性分析可知，本研究滑坡区域土工编织袋的破坏是由内外两方面的因素造成的。

外因方面，所处边坡上覆土体多为中-强风化粉砂岩，施工中将带有棱角的碎石不作处理就作为填料填充至编织袋中，其强度大于编织袋易将其划破。所采用的编织袋材料并非专用于边坡防护的土工编织袋而是普通水泥塑料袋，长宽比较大，在承压过程中易在袋面上端中部产生一个集中拉应力，使得袋面材料长期处于一个抗拉状态而产生塑性变形。袋面渗透性不大，保水性强，但在持续强降雨作用下，上部土袋浸水后整体重量变大使得下部土袋承压逐渐变大，直至下部袋面材料达到极限状态而撕裂。土袋间通过高强度材料锥钉、倒钩棘爪连接，袋面初始状态就存在裂痕，在防护过程中土工编织袋产生相对横向位移后强度较大的棱角易划破土袋。该处边坡坡度较陡，在土工编织袋堆砌的过程中，未对坡面的碎石进行处理就堆叠编织袋，在降雨的情况下土工编织袋与坡体间的接触摩擦逐渐变小，接触面极易发生滑动而发生滑坡。由于堆叠的方式采用顺层搭接，整体性较差易发生滑移而产生土工编织袋之间的相对位移，促使袋中硬质块体和锥钩状连接器划破袋面。

内因方面，袋面材料采用聚丙烯材料，其分子结构在高温、光照条件下不稳定，极易发生降解和老化脆化的现象，而广西气温高、光照强度大、降雨强度大，土工编织袋未经特别处理则易出现老化、破损的现象。

3土工编织袋护坡建议

综合上述土工编织袋在护坡过程中出现破坏的方式和因素，给出以下建议供设计施工人员参考：

（1）袋面材料应根据地区环境进行选取，如本文所研究滑坡区域温度高、光照强度大、雨量充沛，应选用聚丙烯长丝高强机织布而成的土工编织袋，其在人工老化试验中面对强辐射、高温度、浸水工况下仍保持很好的完整性和强度口1」，并且要尽量避免选用长宽比过大的编织袋以免因应力集中发生撕裂。

（2）土工编织袋应尽量避免填充棱角分明的硬质物，若别无他选应尽可能对其棱角进行磨平处理，在土袋连接方面应避免选用高强度锥、钩状物，可以选用网兜式连接方式对袋体进行连接。

（3）土工编织袋堆砌应该采用交错堆叠的方式，在堆砌前应对坡体进行整平处理，并且对坡面进行挖台阶处理，如此可以将边坡划分为几个次级小型边坡，将边坡土体应力扩散至各个次级边坡，从而使得失稳的规模和范围减小[12]。台阶的存在会使得土工编织袋的堆叠更具有整体性，稳定性更高，发生相对位移而破坏的情况较少。

4结语

（1）在工程应用中土工编织袋常用材料为聚丙烯材料（PP），其化学分子结构由于叔碳原子的存在而不稳定，在高温、高强度光照下易发生老化破损。

（2）在长宽比不大时，土工编织袋的边缘位置和袋口缝线处易受到集中拉应力而产生破坏;袋内填充物的形状、硬度和内摩擦角与袋面的破坏具有一定关联性;编织袋堆叠所用锥钩状連接扣易划开袋面而破损。

（3）所研究滑坡区域土工编织袋由于袋体尺寸（长宽比）、填料未经处理、堆砌时坡面未整平、连接扣为锥钩状高强度材料等因素而在护坡过程中发生破损情况。

（4）土工编织袋护坡过程中，建议根据当地环境选用具有针对性的材料编织成袋，并且要避免过大的长宽比。填料的选择应尽量避免棱角状硬质物或应对棱角进行处理，连接扣亦应避免选用锥钩状硬质物。堆砌时应对坡体进行台阶式开挖处理，整平坡面后采用交错式堆叠。

参考文献

[1]刘斯宏.土工袋技术原理与实践[M].北京：科学出版社，2017.

[2]MATSUOKA H，LIU Si-hong. A new earth reinforcement-method using soilbags[M]. London;A.A.Balkema Publishers-Taylor & Francis，2005.

[3]任秋兵，王艳巧，李娴，等.土工袋参数对土质边坡加固效果及特性的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2019，38（S1）;3215-3221.

[4]Liu S，Bai F，Wang Y，et al. Treatment for Expansive Soil Channel Slope with Soilbags[J].Journal of Aerospace

Engineering，2013，26（4）：657-666.

[5]李星，王红雨，麦文慧，等.土工袋砌护农田排水沟道边坡稳定性分析[J].工程地质学报，2019，27（6）：1330- 1338.

[6]Zheng Duo，Zhou Jiyuan. Applied research on the ecobags srructure for the riverside collapse slope in seasonal frozen soil zone[J]. Procedia Engineeing，2012（28）：855-859.

[7]Xu Yongfu，Huang Jian，Du Yanjun，et al. Earth reinfocement using soilbags[J].Geotextlles and Geomembranes，2008（3）;279-289.

[8]Seay P.A.，Plaut R.H..Three-dimensional behavior of geosynthetic tubes[J].Thin-walled Structures，1998，32（4）：263-274.

[9]王殿武，曹广祝，件彦卿.土工合成材料力学耐久性规律研究[J].岩土工程学报，2005，27（4）;398-402.

[10]冷李超.聚丙烯土工袋专用抗氧化剂概述[J].非织造布，2013（4）：88-91.

[11]张敬，叶国良.土工织物耐久性及影响因素分析[J].中国港湾建设，2005（1）：1-5.

[12]介玉新，周诗博，郭政豪，等.平台分级对加筋土边坡稳定性的影响研究[J].工程地质学报，2018，26（5）：1178-1187.