土工布加筋颗粒土力学特性及其在河道护坡工程中的应用研究

邹雨良，肖梦芬

(1.惠州市华禹水利水电工程勘测设计有限公司深圳分公司，广东 深圳 518000；2.深圳市盐田区工程质量安全监督中心，广东 深圳 518000)

1 概述

土工布是一种在工程建设中较为常用的合成纤维织物，该材料具备过滤、排水、提高强度等作用[1-3]。土工布制作简单、造价低廉，在工程使用中获取了良好的效果。目前，土工布主要作为排水材料在水利工程中得以应用。由于土工布强度较高，近年来也逐渐作为加筋材料在工程建设活动中使用[4-7]。为了分析土工布加筋材料的各项参数，主要采用数值模拟方法、室内力学实验方法进行研究。土工布虽然强度较高，在风化因素影响下也容易出现老化现象，因此，除了强度参数，对土工布材料的耐久性进行研究也是十分必要的。针对耐久性较差的土工布，可采取相关措施改善土工布易老化的现状。河道治理工程中，需要保证河道岸坡的稳定，并具有一定的生态效益，采用土工布较为适宜[8-10]。本文结合某河道综合治理工程，研究土工布加筋材料强度特性以及改善土工布的抗老化特性，对其在河道综合治理工程中的应用进行探讨。

2 土工布抗老化特性

2.1 抗老化特性研究

工程选用聚丙烯土工布，为了改善土工布的抗老化特性，选取用TiO2水溶胶浸泡土工布后，研究土工布的抗老化特性。TiO2是一种常见的半导体材料，具备低价、稳定、吸光性强、无毒、制造方法简单等优势。

实验总体步骤如下：①将购买的聚丙烯土工布置于TiO2水溶胶中浸泡，利用紫外线对土工布进行照射、老化；②通过断裂强度研究处理后的土工布的老化特性，对比实验为未经浸泡的土工布材料。实验方法如下：处理后的土工布置于300W的紫外线老化箱中，照射时长设置为2、4、6、8h。照射后的土工布材料断裂强度参数实验结果见表1。

表1 不同照射时长断裂强力 单位：N

根据实验结果可以得知：利用TiO2水溶胶浸泡后，聚丙烯土工布的抗老化强度参数有了较为明显的改善；土工布材料强度随着紫外线照射时长的增加而减小，且采用TiO2水溶胶处理后的土工布断裂强力衰减速率也有所减小。实验结果表明，采用TiO2水溶胶处理后，可以在一定程度上改善聚丙烯土工布易老化的现状，可在使用前采用TiO2水溶胶对土工布进行浸泡处理。

2.2 抗水洗特性研究

根据调查，工程岸坡岩土体主要为颗粒土，结构较为松散，渗透性良好，为了保证土工布长效发挥效益，其抗水洗能力是其耐久性的重要指标之一。为了研究不同处理措施，聚丙烯土工布的抗水洗特性，共制备4组试样，试样处理方式见表2。

表2 试样制备

4组试样制作完成后，取出烘干水分，开始进行老化试验，实验过程与上节实验方法一致。试验结果见表3—4，如图1—2所示。

表3 水处理纵向强力 单位：N

图1 水处理纵向强力

根据实验结果可以得知：利用TiO2水溶胶浸泡后，聚丙烯土工布的横向、纵向强力均有较为明显的改善；随着紫外线照射时长的增大，各组试样间的强力差距也越大；利用TiO2水溶胶浸泡后，可以改善土工布的抗水洗能力，可在一定程度上提高其在颗粒土护岸工程使用中的耐久性。

表4 水处理横向强力 单位：N

图2 水处理横向强力

3 改进土工布加筋土强度特征研究

3.1 试验方案

为了验证采用改进土工布的加筋土强度特性，通过现场获取颗粒土材料，使用改进的土工布作为加筋材料进行处理，分别获取不同土工布加筋层数对岩土体强度参数的影响，从而获取材料强度情况。实验方法采用常规三轴试验进行。

试样尺寸按照常规三轴试验制备，试样为圆柱体，直径100mm，高度200mm。不同组试样模型土工布层数方案如图3所示，分别设置0、1、2、3层土工布。三轴试验围压设置为200、400、800、1200kPa。

图3 土工布布置方案[11-12]

3.2 强度特征

根据三轴试验结果，绘制偏应力和轴向应力的关系曲线，成果如图4所示。从图4中可以得知，不采取改进土工布加筋处理的试样，在试验末端具有较为显著的应变软化现象；随着土工布加筋层数的增多，应变软化现象有所改善，甚至在围压不断增大的情况下可出现应变强化的现象。

图4 不同土工布层数偏应力与轴向应变之间的关系曲线(n为土工布层数)

轴向破坏应变为偏应力达到剪切破坏时的轴向应变。根据三轴实验结果，围压、土工布加筋层数对轴向破坏应变具有一定的影响，在改进土工布层数一致的情况下，围压越大轴向破坏应变也越大。随着土工布层数的增多，轴向破坏应变越大。这一现象表明：使用土工布对现场的颗粒土进行加筋处理可在一定程度上改善原颗粒土土的抗拉强度，提高材料的韧性，土工布层数越多，材料韧性提升越大。采用土工布对原始岸坡材料进行加筋处理，可在一定程度上提升材料的抗剪切破坏能力，从而有助于改善岸坡的稳定性情况。在岸坡综合治理中，可采用土工布对原有的岸坡岩土体进行处理，从而提升河道岸坡的稳定性。

4 护岸工程应用研究

4.1 工程概况

河道岸坡综合治理试验段总长100m，河道岸坡高度约在4.0～5.0m。由于河道岸坡常年处于未治理状态，表层回填土厚度大，且存在建筑垃圾等。同时，在水流的长期侵蚀、冲刷作用下，河道岸坡稳定性情况较差，部分已经侵蚀掏空，由于河堤兼具道路通行作用，河道现状对行人安全影响较大。综合考虑，需采取加固治理措施，以保证岸坡及道路的安全。

从土工布加筋颗粒土三轴试验结果可知，使用改进后的土工布加筋材料抗剪强度有所提升，可采用土工布加筋岸坡岩土体的方法对河道岸坡进行治理。

4.2 防护效果

试验段岸坡建设完成后，在河道岸坡的冲刷、侵蚀影响下，并未出现治理之前的塌方等现象。现场应用结果说明：使用土工布加筋颗粒土取得了较为良好的加固效果，具有较显著的工程实践意义。

5 结论

(1)土工布在工程中较为常用，但其易老化特征导致工程耐久性不强。通过实验，使用TiO2水溶胶浸泡可在一定程度上提高土工布的抗老化性，提高聚丙烯土工布的耐久性。

(2)使用土工布加筋颗粒土，可提高颗粒土的抗剪强度特性。随着土工布加筋层数的增多，三轴试验围压的增大，岩土体的轴向破坏应变也有所增大。随着土工布层数的增多以及围压的增大，应力应变曲线甚至出现由应变软化向应变硬化转变的现象。

(3)通过改进土工布在试验段河道治理工程中的应用，该方法可在一定程度上提高河道岸坡的稳定性情况和抗冲刷能力。