彭 沖，王 瑞，王茜徵，程 穎，賈雪雪，杜 威，陶志偉，趙 達(dá)，張一凡，葉宇軒

(深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳 518040)

1 研究背景

近年來(lái)，有關(guān)河流生態(tài)護(hù)岸方面的技術(shù)研究及應(yīng)用取得了一些進(jìn)展，如生態(tài)袋護(hù)岸法、土工格室護(hù)岸法、三維植被網(wǎng)墊護(hù)岸法等[1-3]。盡管這些方法在工程上取得過(guò)良好的效果，但其對(duì)具有高含水率、流態(tài)性質(zhì)的底泥的固定效果還未見(jiàn)實(shí)際應(yīng)用，有待進(jìn)一步考證。針對(duì)河道底泥資源循環(huán)利用問(wèn)題，我們提出一種新型生態(tài)護(hù)岸方法，在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、行洪安全的基礎(chǔ)上，不僅能高效消納底泥，還能充分利用底泥中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)讓植物快速生長(zhǎng)，具有工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、綠化效果良好、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，符合生態(tài)環(huán)保的理念。

我們提出的護(hù)岸方法使用了連續(xù)纖維絲補(bǔ)強(qiáng)土技術(shù)，該技術(shù)利用纖維絲與土體相互混合發(fā)生的交織糾纏等作用，使土體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，對(duì)土體進(jìn)行加筋補(bǔ)強(qiáng)作用，從而提高邊坡土體的強(qiáng)度及邊坡穩(wěn)定性。已有研究通過(guò)直剪試驗(yàn)證明，在一定范圍內(nèi)增大連續(xù)纖維絲的添加量，可增強(qiáng)加筋補(bǔ)強(qiáng)植生土的抗剪強(qiáng)度[4-5]，但該方法需滿足如下前提：連續(xù)纖維絲需在底泥中均勻且同向伸展分布，并且無(wú)其他因素干擾，即在剪切過(guò)程中，除了剪應(yīng)力，水平方向上沒(méi)有其他外力作用在底泥補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)上。

而實(shí)際上，纖維絲補(bǔ)強(qiáng)土技術(shù)中的纖維絲在土體中是隨機(jī)排布的；另外，錨桿這一因素對(duì)底泥補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度的影響不可忽視，而普通的抗剪試驗(yàn)無(wú)法檢測(cè)出含錨桿土體的抗剪強(qiáng)度。因此，為了更貼合實(shí)際地研究纖維絲的作用機(jī)理，我們利用自主研發(fā)的剪切拉力運(yùn)動(dòng)模型裝置，進(jìn)一步對(duì)底泥補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)中各因素的作用規(guī)律展開(kāi)研究，通過(guò)測(cè)定不同纖維絲添加量、不同錨桿粗細(xì)和不同錨桿安插密度條件下連續(xù)纖維絲補(bǔ)強(qiáng)土的抗剪能力，分析不同因素對(duì)連續(xù)纖維絲補(bǔ)強(qiáng)土抗剪性能的影響程度，確定該工藝中各材料的最佳配比，以期為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料和裝置

2.1.1 底泥固化殺菌調(diào)理

試驗(yàn)所用底泥取自肇慶市某河涌，含水率約為80%，密度接近于1 g/cm3；固化殺菌劑由水泥、石灰、粉煤灰調(diào)配而成，添加比例為底泥質(zhì)量的2.5%。

2.1.2 纖維絲和錨桿的性能參數(shù)

本研究所用纖維絲為強(qiáng)度、彈性、抗腐蝕性、耐酸堿性、耐磨性等性能均較強(qiáng)且售價(jià)較低的滌綸低彈絲(DTY)，纖度為150 D，斷裂強(qiáng)度為3.15 cN/dtex。

錨桿直徑選取2、4、10 mm三種，性能等級(jí)均為4.8級(jí)。

2.1.3 剪切拉力運(yùn)動(dòng)模型

為了測(cè)試底泥補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)在護(hù)岸上的抗剪強(qiáng)度，本研究設(shè)計(jì)了底泥與原狀土界面剪切強(qiáng)度的測(cè)定裝置，即剪切拉力運(yùn)動(dòng)模型，見(jiàn)圖1、2。

該裝置克服了現(xiàn)有技術(shù)難以檢測(cè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)土體的抗剪性能的問(wèn)題，引入了錨桿對(duì)土體的錨固作用，從宏觀層面對(duì)土體抗剪性能進(jìn)行分析。裝置主要由模擬邊坡和剪切拉力系統(tǒng)2個(gè)部分組成，如圖1所示。模擬邊坡由上下兩部分構(gòu)成，上部為0.4 m×0.3 m×0.3 m的底泥補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)容器，下部為0.6 m×0.3 m×0.3 m的原狀土體容器，于其底部固定錨桿，錨桿貫穿模擬邊坡上下兩個(gè)部分，如圖2所示。

圖1 剪切拉力運(yùn)動(dòng)模型試驗(yàn)裝置示意

圖2 剪切拉力運(yùn)動(dòng)模型試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 纖維絲補(bǔ)強(qiáng)模擬邊坡制作

為了確定對(duì)邊坡抗剪強(qiáng)度影響最大的因素及各因素配比，設(shè)置三因素三水平正交試驗(yàn)，其中三因素為纖維絲添加量(加絲量)、錨桿安插密度(錨桿數(shù)量)和錨桿粗細(xì)度(錨桿直徑)。正交試驗(yàn)表見(jiàn)表1。

表1 剪切模型正交試驗(yàn)表

按照預(yù)先設(shè)計(jì)的參數(shù)，先將錨桿固定在模型底部，錨桿呈交錯(cuò)均勻排布，然后將模型下部裝滿黏土并擊實(shí)，接著按照正交試驗(yàn)表設(shè)置的參數(shù)將固化殺菌底泥和連續(xù)纖維絲均勻混合置于模型上部，底泥厚度均為17.5 cm，質(zhì)量為21 kg。

2.2.2 拉力施加方法及運(yùn)動(dòng)過(guò)程數(shù)據(jù)采集方法

試驗(yàn)過(guò)程中，在模型上部施加一個(gè)勻速增大的力，直至模型上部被錨桿阻擋，此時(shí)停止施力，本組試驗(yàn)結(jié)束。

作用于模型上部的拉力施加方法為：在模擬邊坡的剪切方向上固定一根繩索，繩索經(jīng)過(guò)定滑輪(將垂直力轉(zhuǎn)變?yōu)樗搅?后，在另一端系一個(gè)盛水容器(本試驗(yàn)所用盛水容器自身質(zhì)量為2.1 kg，容積為50 L)，當(dāng)進(jìn)行剪切操作時(shí)，向容器中勻速注水，即形成了作用在模型上部勻速增大的水平拉力。

模型剪切運(yùn)動(dòng)過(guò)程記錄方法為：在模型上部的尾部粘貼一張標(biāo)有距離刻度的紙帶，紙帶要時(shí)刻處于水平伸展?fàn)顟B(tài)，其旁放置一個(gè)參照物，記錄模型上部滑移單位距離(1 cm)所需的時(shí)間，求出各段的平均速度，并繪制運(yùn)動(dòng)曲線。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型運(yùn)動(dòng)情況分析

正交試驗(yàn)9組模型所受拉力及運(yùn)動(dòng)速度變化曲線見(jiàn)圖3。從圖3中可以看出，纖維絲的加筋作用和錨桿的錨固作用共同提高了底泥和原狀土界面間的抗剪強(qiáng)度。

圖3 模型拉力-速度曲線

由物理常識(shí)可知，當(dāng)?shù)啄嗪屯林g不存在纖維絲和錨桿的連接，拉力不變，但大于摩擦力時(shí)，底泥試塊會(huì)勻加速滑動(dòng)；當(dāng)拉力勻速增加，試塊變加速滑動(dòng)(加速度勻速增加)。而在9組試驗(yàn)中，速度均出現(xiàn)1～4次下降的過(guò)程，由此可以看出，9組試驗(yàn)中，底泥補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)不同程度上與原狀土之間形成連接，當(dāng)纖維絲處于松弛狀態(tài)時(shí)，若拉力大于泥、土之間的摩擦力，速度即會(huì)增加，當(dāng)纖維絲處于緊繃狀態(tài)時(shí)，泥、土之間即產(chǎn)生了牽引力，當(dāng)拉力達(dá)到一定強(qiáng)度，纖維絲遭到破壞后，泥、土之間失去相互牽引力，底泥試塊再度加速，如此往復(fù)，直至所有纖維絲被破壞(或錨桿被破壞)，達(dá)到變加速狀態(tài)，邊坡完全被破壞。

值得關(guān)注的一點(diǎn)是，試塊初始運(yùn)動(dòng)所需要的力(60～70 N)并無(wú)明顯差異，說(shuō)明初始運(yùn)動(dòng)時(shí)，纖維絲在松弛狀態(tài)，還沒(méi)起到拖拽的力量，此時(shí)破壞拉力更大程度上取決于底泥與原狀土層之間的摩擦力。

3.2 各因素對(duì)纖維絲補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗剪能力的影響

為了分析不同因素對(duì)底泥補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗剪能力的影響，本研究利用極差法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

將各考察指標(biāo)在各影響因素相同水平下的試驗(yàn)組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別累加，得到不同水平時(shí)的累加值K1、K2、K3，再根據(jù)K值的極差R值來(lái)判斷各因素的最優(yōu)水平。極差R值越大，該影響因素的水平因子變化對(duì)于數(shù)據(jù)影響越大；反之，則影響越小。

模擬邊坡抗剪能力考察指標(biāo)——每條曲線速度下降的次數(shù)a、運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最大速度b和相鄰兩個(gè)波峰之間的平均拉力間距c的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各模型抗剪能力考察指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

將表2中的數(shù)據(jù)利用極差法處理得到表3。根據(jù)表3可以看出，錨桿數(shù)量對(duì)速度下降的次數(shù)a影響最大，說(shuō)明錨桿數(shù)量越多，土體在破壞的過(guò)程中，破壞被削弱的次數(shù)也越多；錨桿粗細(xì)對(duì)土體運(yùn)動(dòng)速度b影響最大，說(shuō)明錨桿越粗，破壞的速度越慢；加絲量對(duì)相鄰兩個(gè)波峰之間的拉力平均間距c影響最大，即纖維絲添加量越大，相鄰兩次間達(dá)到最大破壞的間隔時(shí)間越長(zhǎng)，需要的力也越大。

表3 抗剪能力考察指標(biāo)極差分析

根據(jù)以上分析，在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，土體強(qiáng)度達(dá)到最大的組合為：錨桿粗10 mm+錨桿數(shù)3根+加絲量1.3 kg/m3。

3.3 纖維絲補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為了分析底泥補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)在邊坡上的安全穩(wěn)定性，分別對(duì)9組模型處于45°和60°邊坡上的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，穩(wěn)定系數(shù)[6]計(jì)算公式為

FS=R抗/T

(1)

T=W·sinα

(2)

上二式中：FS為抗滑穩(wěn)定系數(shù)；R抗為抗滑力，即抗剪拉力運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)中模型運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度發(fā)生第一次加速突變時(shí)，模型所受的拉力大小，N；T為下滑力，N；W為滑體自身重力，9組模型W=210 N；α為邊坡坡度，(°)。

穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

注：當(dāng)FS<1.00時(shí)，邊坡為不穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)1.00≤FS<1.05時(shí)，邊坡為欠穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)1.05≤FS

根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)邊坡坡度為45°時(shí)，模型2、模型4和模型6安全性滿足邊坡工程安全等級(jí)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)定系數(shù)分別為1.37、1.55和1.43；當(dāng)邊坡坡度為60°時(shí)，模型4安全性滿足邊坡工程安全等級(jí)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)定系數(shù)為1.27。因此，不同工況下，邊坡的穩(wěn)定性對(duì)各材料的配比需求不同，在施工過(guò)程中，可根據(jù)具體工況和工程安全要求，相應(yīng)地調(diào)整每種材料的比例，以滿足工程需求。

4 結(jié) 論

本研究提出的剪切性能測(cè)試裝置可模擬大尺度的模型試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)含不規(guī)則排布加筋材料及錨桿加固邊坡的模擬試驗(yàn)，對(duì)不同加固方案進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化加固方案。通過(guò)本研究，得到以下結(jié)論：

(1)通過(guò)模型運(yùn)動(dòng)曲線規(guī)律得到，纖維絲的加筋作用和錨桿的錨固作用共同提高了底泥和原狀土界面間的抗剪強(qiáng)度。從力學(xué)的角度解釋，添加纖維絲提高了底泥補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的黏聚力、內(nèi)摩擦角等性能，添加量越多，其自身抗剪強(qiáng)度越強(qiáng)；錨桿數(shù)量和錨桿粗細(xì)(二者構(gòu)成錨桿總強(qiáng)度)對(duì)造成邊坡破壞的外力的削減次數(shù)和每次削減幅度影響較大，二者共同影響了邊坡對(duì)切應(yīng)力的承受能力，而邊坡切應(yīng)力主要受邊坡自身重力、坡度等影響。

(2)通過(guò)極差法分析得到，錨桿數(shù)量對(duì)邊坡所受外力被削弱的次數(shù)影響較大；錨桿粗細(xì)度對(duì)土體所受外力每次被削弱的程度影響較大；加絲量則決定每次削減后穩(wěn)定狀態(tài)維持的時(shí)長(zhǎng)。在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，土體強(qiáng)度達(dá)到最大的組合為：錨桿粗10 mm+錨桿數(shù)3根+加絲量1.3 kg/m3。

(3)通過(guò)穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算得到，邊坡坡度為45°時(shí)，正交試驗(yàn)中有3組模型的安全性可滿足邊坡工程安全等級(jí)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)將邊坡坡度增大到60°時(shí)，僅模型4的安全性可滿足邊坡工程安全等級(jí)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)?？梢?jiàn)，邊坡的穩(wěn)定性盡管在相同工藝中也要視施工工況而定，因此，需要根據(jù)具體施工工況和工程安全等級(jí)要求采取不同的工藝配置對(duì)邊坡進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。