土工編織袋在邊坡防護中的破壞方式及因素探討

蘭素戀 潘良偉 張潛華

摘要：土工編織袋作為一種通過袋裝固體材料而成的柔性加固單元，因其施工簡便、就地取材節省資源、工程造價低及防護效果好等優點而在邊坡防護中備受青睞。文章結合廣西區內某土工編織袋護坡破壞實例，分析了土工編織袋護坡過程中的受力特征、材料特性及裝填物性質，探討了土工編織袋在邊坡防護中的破壞方式及因素，對推進土工編織袋在邊坡支護中的規范應用和改進具有一定的參考作用。

關鍵詞：土工編織袋;邊坡防護;破壞方式;機理分析

中圖分類號：U416.1⁺4文獻標識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.010

文章編號：1673-4874（2021）01-0036-04

0引言

土工編織袋是指在濾水、且有一定規格和性能的編織袋內充填固體材料（素土、水泥土、砂礫等）及不同混合物，并封口形成的柔性加固單元。通過不同的形狀和構筑結構設計堆砌而成的土工編織袋防護體系具有可變形、強度大、就地取材節省資源、自立性強、施工簡單、嵌固效果好等優點而被廣泛應用于水利及公路工程領域相關的邊坡防護之中[1-3]，如南水北調中線工程中膨脹土邊坡的處理[4]、灌排水系護坡工程建設[5]、季節性凍土地區邊坡防治[6]等。土工編織袋結構在取得了良好防治效果的同時還具備一定的景觀效果，是集柔性防護、節約資源、生態環保、整體美觀四位一體的優質防護結構，具有廣闊的應用前景和顯著的社會經濟效益。

1土工編織袋物理力學特性

1.1土工編織袋材料特性

近年來，由于結構簡單、施工便捷及防護效果顯著等優點，土工編織袋的相關應用研究可以很快通過工程建設驗證，研究工作與工程應用進程齊頭并進，應用研究越發成熟。國內外學者對土工編織袋結構在邊坡防護中的力學性質、變形及穩定性展開了一系列研究[7-8]，但大多數研究聚焦于理想條件下的應用方面，關于土工編織袋在護坡過程中的破壞方式和破壞因素研究鮮有報道，而土工編織袋在邊坡防護應用過程中的耐用性是保證其具有應用前景的關鍵，知悉土工編織袋在邊坡防護中的破壞因素并提出相應的處治改進措施才能進一步提高其在邊坡防護中的競爭力。本文以廣西某高速公路邊坡土工編織袋護坡過程中的破壞為例，對土工編織袋在邊坡防護過程中的破壞方式和因素進行分析探討，并對土工編織袋邊坡防護中的規范應用提出相應建議。

應用于邊坡防護的土工袋通常是由織造和非織造形土工布包裹而成。前者由于抗拉壓強度大、結構牢固、使用壽命長及各向異性明顯等優點在工程應用中更受青睞。土工編織袋通過經、緯兩高分子聚合物交織而成（如圖1所示），在織造過程中由于經線作為支撐結構較緯線具有更高的強度。采用不同材料織造而成的土工編織袋具有不同的力學特性，如采用聚丙烯材料織造而成的編織袋相比于聚乙烯、聚酯材料織造而成的編織袋具有更高的抗拉壓強度及更好的環境適應性。但是聚丙烯材料化學分子結構中，由于叔碳原子的存在而不穩定，在光照輻射下，分子結構中的氫原子易被氧化，呈現出強度衰減且隨紫外線輻射呈線性變化的關系[9]。另一方面，編織袋的耐用性與滲透性亦有一定關聯性，若滲透性過小則袋面材料易在雨季受到長期沖刷作用而破損，并且袋內土體汲取不到充分的水分使植物種子發芽，雖然可以通過鋪設草皮的方式解決綠化問題，但需承擔額外的成本。若土工編織袋滲透性過大則會使得土袋內細顆粒隨著水分流失，造成土袋填充率下降呈干癟狀態，難以發揮護坡效果。

綜上可知，在采用土工編織袋進行邊坡防護過程中，由于不同地區的地理環境截然不同，因此在選取編織袋材料時應有特殊的考量。如廣西降雨豐沛、熱量豐富且光照時間適中，因此應選用強度大、滲透性適中、具有抗沖刷性、耐熱性強且有一定抗輻射性的材料（或混合材料）來織造土工編織袋?，F有研究表明[10]，通過化學處治（如富磷抗氧化劑處理聚丙烯材料）或在土工編織袋上覆一層一定厚度土體的方法可以減少使用過程中袋面因長時間受到暴曬而產生的破壞，保證土工編織袋具有一定的使用年限。

1.2土工編織袋力學特性

通過單軸壓縮試驗可以較為直觀地看出土工編織袋的力學特性[7]，土工編織袋在抗壓過程中，受力如圖2所示。從圖中可以看出，由于其編織物材料柔性的特點，土工編織袋在受壓過程中斷面高度逐漸減小，高寬比逐漸變大，在這個過程中假設土體體積不變，土體橫向擴張擠壓編織袋，袋面整體周長變大，土袋產生拉伸應變隨之帶來一個拉伸應力，這個應力作用于袋內土體，給土體增加了一個附加圍壓而使其更具有整體性。但是在這個過程中，土工編織袋邊緣處易發生鼓脹而受到一個集中拉力荷載而使得經線發生撕裂。且邊緣處通常是土工編織袋的縫合處，集中的拉應力易撐開縫線斷裂袋口，導致袋內土體流失。

在護坡工程中，土工編織袋的堆砌連接是通過高強度材料錐釘、倒鉤棘爪刺穿袋面來實現的，連接位置多處于內邊緣附近。根據前文分析可知，此處是受集中荷載最大的位置，易在堆砌過程中刺穿袋面。在護坡過程中，土工編織袋結構會更多地承擔來自后方巖土坡體的水平作用力，在這個水平推力作用下，土袋之間難免會發生相對位移，連接扣初期造成的裂口會逐漸擴展開來，在造成土體大范圍流失的同時袋體會整體出現破壞。

1.3土工編織袋填充物特性

土工編織袋的填充率為填充物的質量與土工編織袋所能填充的最大限度填充物質量之比，在工程應用中填充率應保持在80%以上[1]。土工編織袋內的填充物性質與袋面的破損情況息息相關。從上一節可知在土工編織袋受到上部荷載（堆疊的袋體自重等）時，編織袋內土體會向水平擴張，此時不同內摩擦角的土體向外擴張的程度不同，與袋體接觸的程度也存在差異。袋內固體填料內摩擦角越大其整體性越好，橫向擴散的程度越小，在編織袋中部會有一部分聚集體與土袋表面充分接觸，此時若裝填物為硬質材料（如碎石、混凝土塊等）且其強度大于編織袋袋面材料，則在堆砌時就易貫穿袋面。在邊坡土體的水平作用力下，袋與袋之間發生相對位移時，這部分填料則會劃開編織袋袋面使其破損。因此在工程應用中應避免填充硬度較大且棱角分明的填料，若受場地限制必須選用此類填料，可以適當降低填充率以避免土工編織袋破壞。

2某邊坡土工編織袋破壞方式及機理探討

2.1研究區域概況

研究滑坡區域位于廣西壯族自治區北部某地區高速公路，地貌類型為剝蝕丘陵地貌，地面高程為2～58m。公路邊坡所在山體近南北走向，兩側帶狀谷地發育，滑坡區域邊坡坡比約為1：0.8～1：1.0。研究區域地表不均勻覆蓋薄層殘坡積土，下伏志留系中厚層強-中風化泥質粉砂巖夾頁巖。研究區域二級邊坡原采用土工編織袋覆綠技術進行防護，由于6月廣西進入雨季，雨量充沛、日照時間長且溫度高，該處二級邊坡出現滑坡，并使得一級邊坡表面植綠被沖毀，露出基巖。

2.2土工編織袋破壞方式

經過現場踏勘發現該處所用編織袋為普通水泥編織袋，所用材料為聚丙烯（PP），編織袋長為780mm，寬為420mm，充填率達80%時約厚200mm。從滑坡區域出露的編織袋堆疊體可以看出，該處土工編織袋采用順層堆疊的方式進行堆砌，即土袋與土袋之間沒有交錯擺放，從下至上依次搭接而成。

袋中填料多為現場開挖所取的強-中風化泥質粉砂巖，多為棱角石塊體。踏勘結果發現該滑坡區域未滑動土工編織袋基本已破壞，失去彈性和光澤感，扁絲、裂紋脆化現象明顯，揉搓袋面會崩碎成粉。此滑坡區域破壞形式大多分為以下三種情況：（1）土工編織袋縫口處破壞、靠近縫口處袋面破壞，土體從破口涌出;（2）袋體中部斷裂，袋面經線材料斷裂僅有緯線材料連接;（3）石塊、高強度錐狀連接扣劃破袋面。

2.3土工編織袋破壞機理

綜合踏勘成果結合上述土工編織袋物理力學特性分析可知，本研究滑坡區域土工編織袋的破壞是由內外兩方面的因素造成的。

外因方面，所處邊坡上覆土體多為中-強風化粉砂巖，施工中將帶有棱角的碎石不作處理就作為填料填充至編織袋中，其強度大于編織袋易將其劃破。所采用的編織袋材料并非專用于邊坡防護的土工編織袋而是普通水泥塑料袋，長寬比較大，在承壓過程中易在袋面上端中部產生一個集中拉應力，使得袋面材料長期處于一個抗拉狀態而產生塑性變形。袋面滲透性不大，保水性強，但在持續強降雨作用下，上部土袋浸水后整體重量變大使得下部土袋承壓逐漸變大，直至下部袋面材料達到極限狀態而撕裂。土袋間通過高強度材料錐釘、倒鉤棘爪連接，袋面初始狀態就存在裂痕，在防護過程中土工編織袋產生相對橫向位移后強度較大的棱角易劃破土袋。該處邊坡坡度較陡，在土工編織袋堆砌的過程中，未對坡面的碎石進行處理就堆疊編織袋，在降雨的情況下土工編織袋與坡體間的接觸摩擦逐漸變小，接觸面極易發生滑動而發生滑坡。由于堆疊的方式采用順層搭接，整體性較差易發生滑移而產生土工編織袋之間的相對位移，促使袋中硬質塊體和錐鉤狀連接器劃破袋面。

內因方面，袋面材料采用聚丙烯材料，其分子結構在高溫、光照條件下不穩定，極易發生降解和老化脆化的現象，而廣西氣溫高、光照強度大、降雨強度大，土工編織袋未經特別處理則易出現老化、破損的現象。

3土工編織袋護坡建議

綜合上述土工編織袋在護坡過程中出現破壞的方式和因素，給出以下建議供設計施工人員參考：

（1）袋面材料應根據地區環境進行選取，如本文所研究滑坡區域溫度高、光照強度大、雨量充沛，應選用聚丙烯長絲高強機織布而成的土工編織袋，其在人工老化試驗中面對強輻射、高溫度、浸水工況下仍保持很好的完整性和強度口1」，并且要盡量避免選用長寬比過大的編織袋以免因應力集中發生撕裂。

（2）土工編織袋應盡量避免填充棱角分明的硬質物，若別無他選應盡可能對其棱角進行磨平處理，在土袋連接方面應避免選用高強度錐、鉤狀物，可以選用網兜式連接方式對袋體進行連接。

（3）土工編織袋堆砌應該采用交錯堆疊的方式，在堆砌前應對坡體進行整平處理，并且對坡面進行挖臺階處理，如此可以將邊坡劃分為幾個次級小型邊坡，將邊坡土體應力擴散至各個次級邊坡，從而使得失穩的規模和范圍減小[12]。臺階的存在會使得土工編織袋的堆疊更具有整體性，穩定性更高，發生相對位移而破壞的情況較少。

4結語

（1）在工程應用中土工編織袋常用材料為聚丙烯材料（PP），其化學分子結構由于叔碳原子的存在而不穩定，在高溫、高強度光照下易發生老化破損。

（2）在長寬比不大時，土工編織袋的邊緣位置和袋口縫線處易受到集中拉應力而產生破壞;袋內填充物的形狀、硬度和內摩擦角與袋面的破壞具有一定關聯性;編織袋堆疊所用錐鉤狀連接扣易劃開袋面而破損。

（3）所研究滑坡區域土工編織袋由于袋體尺寸（長寬比）、填料未經處理、堆砌時坡面未整平、連接扣為錐鉤狀高強度材料等因素而在護坡過程中發生破損情況。

（4）土工編織袋護坡過程中，建議根據當地環境選用具有針對性的材料編織成袋，并且要避免過大的長寬比。填料的選擇應盡量避免棱角狀硬質物或應對棱角進行處理，連接扣亦應避免選用錐鉤狀硬質物。堆砌時應對坡體進行臺階式開挖處理，整平坡面后采用交錯式堆疊。

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