pp織物袋梯田田坎的構(gòu)筑穩(wěn)定性研究

土干梯田的坍塌是陜西省秦巴山區(qū)重建班塔的中心問題。為此,當?shù)夭扇×艘幌盗蓄A防梯田垮坎的措施,如建設塑料編織袋坎、石坎、混凝土預制件坎等,但這些措施或由于材料易風化,或由于建設成本過高、石料短缺以及開山取石易造成新的水土流失和形成新的環(huán)境問題等,尚難以大面積普及和推廣［３－５］。PP織物袋是由聚丙烯復合材料制成的土工織物袋,有使用壽命長、易于綠化、耐風化和環(huán)保等優(yōu)點,前期調(diào)研和論證表明,PP織物袋適宜于秦巴山區(qū)梯田建設,具有廣泛的應用和推廣前景,將其用于梯田筑坎不僅能提高工程質(zhì)量、加快建設速度,而且可以有效解決梯田垮坎問題［３，５］。李光錄等［４］對PP織物袋筑坎結(jié)構(gòu)和坎型進行了理論研究,分析了坎高與坎坡的關(guān)系;高霞等［５］對PP織物袋梯田筑坎的穩(wěn)定性進行了理論計算,分析了坎高、坎坡與穩(wěn)定性的關(guān)系。梯田田坎建設實際表明,PP織物袋梯田筑坎的穩(wěn)定性變化范圍是該技術(shù)應用推廣需解決的首要問題。為此,本研究通過模擬筑坎試驗,實測了在不同降雨強度下PP織物袋田坎高度、坡度、抗剪強度、抗傾覆力、抗滑力及側(cè)向土壓力等指標的變化,以期確定出較為穩(wěn)定的筑坎類型組合,從而為PP織物袋在梯田田坎建設中的推廣應用提供參考。1材料和方法1.1拉伸性能的測定PP織物袋的基本性質(zhì)測試指標包括單位面積質(zhì)量、厚度、抗拉伸強度及抗撕裂力。各項測試試驗依據(jù)中華人民共和國水利部批準發(fā)布的《土工合成材料測試規(guī)程》(SL/T235-1999)［６］完成,其中單位面積質(zhì)量測定參照《土工織物的單位面積質(zhì)量測定方法》(IS09864-90)進行,厚度測定參照《土工織物厚度測定方法》(IS09863-90)進行,條樣法拉伸試驗參照《用寬條法測定土工織物的拉伸特性》(ASTMD4595-86)和《土工織物-寬條拉伸試驗》(IS010319-93)進行,撕裂試驗參照《土工織物梯形撕裂強度試驗》(ASTMD4533-85)進行。試驗測定了PP織物袋在干燥狀態(tài)下的單位面積質(zhì)量和厚度,并分別測定了其在干燥和濕潤狀態(tài)下橫、縱向的拉伸強度、伸長率和撕裂力［７］。1.2試驗材料及過程通過對陜南秦巴山區(qū)已經(jīng)建成的PP織物袋田坎的調(diào)查,發(fā)現(xiàn)PP織物袋梯田筑坎的破壞形式一般分為中部鼓出、底部滑塌和整體傾覆倒塌3種。以此作為試驗設計的出發(fā)點和依據(jù),通過在實驗室模擬野外梯田田坎完成抗剪強度、抗傾覆力、抗滑力的試驗測定,在陜南洋縣野外實地測定側(cè)向土壓力［８］。另外,本試驗主要探討的筑坎形式為單坎型的PP織物袋田坎。1.2.1PP織物袋田坎的抗剪穩(wěn)定性測定陜南實地調(diào)查情況顯示,現(xiàn)場布設的PP織物袋梯田田坎坡度多集中在65°~75°,田坎高度主要在1~1.5m,田坎鼓出現(xiàn)象主要發(fā)生在田坎的中下部。針對此問題,抗剪試驗設計2個坡度(65°~70°和70°~75°),每個坡度設計3個高度(1.0,1.2,1.4m),每個高度按有無連接扣設計2組抗剪試驗。每組試驗分3種情況進行:第1種情況抽拉第2層的織物袋(從靠近地面的1層數(shù)起,下同),共1個袋子;第2種情況抽拉第2、3層的織物袋,其中第2層2個,第3層1個,總共3個袋子;第3種情況抽拉第2、3、4層的織物袋,其中第2層2個,第3層3個,第4層2個,總共7個袋子,每次試驗均重復3次,抽拉器械為拖拉機?？辜舴€(wěn)定性計算方法如下:式中:E抗剪強度ｔ為第t種情況的抗剪強度(kPa);E剪切強度ｔ為第t種情況的剪切強度(kPa);F拉力ｔ為試驗中第t種情況拉力計的讀數(shù)(kN);t為3種不同的情況,取1,2,3;Sｉ為第i層PP織物袋的受力面積(m２),每個裝土PP織物袋的受力面積為0.12m２;Eｈｉ為第i層PP織物袋1/2高度處的土壓力(kPa);hｉ為第i層PP織物袋1/2處的高度(m),取0.225,0.375,0.525;i為PP織物袋的層數(shù),取2,3,4。試驗器材:粗繩2根,拉力計2只(LK-1型拉力計,極限負荷10kN,最小分度值200N;LK-3型拉力計,極限負荷30kN,最小分度值1kN),木棒2根,拖拉機1臺。試驗過程見圖1。1.2.2PP織物袋田坎的抗滑穩(wěn)定性測定田坎抗滑穩(wěn)定性采用抗滑穩(wěn)定系數(shù)(Kｃ)來衡量,Kｃ可以通過抗滑力和滑動力來計算?；谠囼灥目刹僮餍?抗滑力和滑動力不能通過試驗直接測得,而是通過測定摩擦系數(shù)和土壓力間接計算得到的。Kｃ計算方法［９］如下:式中:W是PP織物袋田坎的重力(N),為裝土袋的個數(shù)×裝土袋的平均質(zhì)量(kg)×重力系數(shù);μ為基底摩擦系數(shù),由試驗確定,在黏性土基底上,干燥時μ為0.55,潮濕時μ為0.39;Eｘ、Eｙ分別為土壓力EＡ在水平方向、垂直方向的分量(圖2),Eｘ即為實測土壓力,Eｙ=EＡcosδ′,EＡ=Eｘ/sinδ′,其中δ′為偏斜角,取δ′=δ(δ為摩擦角),雖然δ′較填土與墻背的摩擦角δ稍大,但這個偏差是允許的,根據(jù)經(jīng)驗取δ=1/2φ［９］,在洋縣當?shù)厝≡瓲钔?通過直剪試驗測得填土的內(nèi)摩擦角φ=16°。1.2.3PP織物袋田坎的抗傾覆穩(wěn)定性測定試驗設計3個坡度(65°,70°,75°),每個坡度設計3個高度(1.0,1.2,1.4m),每個坡度段重復3次。PP織物袋田坎抗傾覆穩(wěn)定性試驗布設與抗剪強度試驗(圖1-D)類似,在田坎的背部加2根木棒,以田坎整體作為拉力對象,連接點在距田坎底部大約1/3H(即土壓力的合力作用點處,其中H為田坎高度)處。用抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)評估田坎穩(wěn)定性,抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)(Kｑ)按下式計算:式中:F抗傾覆力為PP織物袋田坎的抗傾覆力,與試驗中的拉力是一對作用力與反作用力;H為田坎高度;h為E傾覆力的力臂,取1.2.4田坎土壓力的測定試驗在陜南洋縣進行,該地區(qū)土質(zhì)多為黃褐土,黏粒含量高,脹縮性強,遇水后土粒膨脹。沿著田坎深度從底層埋置土壓力盒(型號XS-186),每隔0.3m埋置1層,每層埋置3個,橫向間隔50cm,土壓力計布置［８］示意圖見圖3。降雨前采集1次數(shù)據(jù),然后按100mm的降雨量人工降雨(參照洋縣氣象站2012-07-2808:00-08-0108:00最大連續(xù)降雨量為109mm,也是洋縣四郎鄉(xiāng)50年來的最大降雨量,折算成人工降雨量對供試梯田模型進行降雨)后采集1次數(shù)據(jù),之后每間隔6h采集1次數(shù)據(jù),總共采集7次數(shù)據(jù),其中降雨后第1次采集的數(shù)據(jù)稱為降雨后0h,降雨后第5次采集的數(shù)據(jù)稱為降雨后30h。1.2.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析研究所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由試驗測定,數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Excel和SPSS軟件。PP織物袋的力學性質(zhì)測定采用多組重復試驗,結(jié)果分析采用重復方差分析法,即通過計算標準差和變異系數(shù),確定數(shù)據(jù)的可行性,然后對各指標數(shù)據(jù)求平均值。土壓力數(shù)據(jù)則通過篩選求平均值,然后采用一元回歸分析法進行分析(相關(guān)系數(shù)良好)［８－１３］,其中剪切力、傾覆力和滑動力均是在土壓力數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計算得到的。根據(jù)剪切破壞的實際情況,抗剪穩(wěn)定性分析采取比較抗剪強度和剪切強度大小的方法,抗剪強度(kPa)為田坎單位面積(m２)上的抗剪力(kN),剪切強度(kPa)為單位面積上的土壤剪切力(kN)。根據(jù)擋土墻設計原則,抗滑穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性分析分別通過比較各自穩(wěn)定性系數(shù)的大小進行,其中滿足穩(wěn)定性要求的抗滑穩(wěn)定系數(shù)≥1.3,抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)≥1.5［９］。2結(jié)果與分析2.1干燥和潮濕的pp織物袋的機械性質(zhì)由表1可見,PP織物袋的橫、縱向力學指標在干、濕狀態(tài)下的測定結(jié)果有一定的差異。2.2袋田坎的抗剪穩(wěn)定性PP織物袋田坎是否達到抗剪穩(wěn)定性需通過比較田坎抗剪強度和剪切強度的大小來確定?？辜袅推茐奶锟驳膶崪y拉力是一對作用力與反作用力,剪切力為水平方向的土壓力。田坎的受力面由多個PP織物袋的側(cè)面組成,每個裝土PP織物袋的受力面積為0.12m２?？辜羝茐脑囼炛兴美τ嫷淖钚》侄戎禐?.2kN,所以換算成抗剪強度(kPa)時的誤差為:第1層(1個裝土袋)1.67kPa,第2層(3個裝土袋)0.56kPa,第3層(7個裝土袋)0.24kPa。PP織物袋田坎抗剪穩(wěn)定性的測定結(jié)果見表2。由表2可以看出,有連接扣時PP織物袋田坎的抗剪強度遠大于無連接扣時的抗剪強度;降雨后的剪切力比降雨前的剪切力大,且剪切強度顯著增大。降雨前,抗剪強度在任意高度、坡度和有無連接扣的情況下均大于剪切強度,所以田坎不會發(fā)生剪切破壞。強降雨后,在無連接扣的條件下,發(fā)生剪切破壞的可能性更大,主要集中在1.2~1.4m的第2、3層;在有連接扣的條件下,田坎的剪切破壞多發(fā)生在1.2~1.4m的第3層,而且坡度越大,發(fā)生的可能性越大。通過推理,筆者認為PP織物袋田坎的剪切破壞程度在野外模擬中比實際生產(chǎn)過程中略微強烈一些,主要原因可能是PP織物袋具有柔性,其在實際生產(chǎn)過程中受到田坎的主動土壓力作用時會發(fā)生一定范圍的收縮［１４］,膨脹土吸水后的膨脹體積只要在PP織物袋的可收縮范圍內(nèi)就不會發(fā)生剪切破壞,而試驗模擬過程中沒有考慮PP織物袋的柔性。2.3袋田坎抗滑穩(wěn)定性PP織物袋田坎的抗滑、抗傾覆穩(wěn)定性分別通過抗滑穩(wěn)定系數(shù)Kc和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)Kq來反映,Kc≥1.3時滿足抗滑穩(wěn)定性要求,Kq≥1.5時滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求。PP織物袋田坎抗滑、抗傾覆穩(wěn)定性測定結(jié)果見表3。由表3可知,PP織物袋田坎坡度越小,坎高越低,抗滑、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)越大,即田坎越穩(wěn)定;反之,田坎坡度越大,坎高越高,抗滑、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)越小,田坎也越不穩(wěn)定。圖4和圖5反映了PP織物袋田坎在降雨前后不同坡度條件下抗滑穩(wěn)定系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨著田坎高度的變化情況。降雨前,PP織物袋田坎抗滑穩(wěn)定性滿足要求,不會發(fā)生抗滑穩(wěn)定性破壞;強降雨后,田坎在高度≥1.2m、坡度65°~75°內(nèi)都可能發(fā)生抗滑穩(wěn)定性破壞。降雨發(fā)生一段時間后,隨著水分的散失,田坎抗滑穩(wěn)定性逐漸增強。田坎坡度越大,坎高越高,越容易發(fā)生滑動破壞(圖4)。分析田坎抗滑穩(wěn)定性破壞發(fā)生在雨后的可能原因是雨后的土壓力增大而引起滑動力增大,另外降雨后下墊面的摩擦系數(shù)減小,抗滑力減小,所以抗滑穩(wěn)定性降低［１５］。降雨前,PP織物袋田坎任意坡度和高度均滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求。強降雨后,PP織物袋田坎抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)減小,即田坎抗傾覆穩(wěn)定性降低,但在坡度65°~75°、坎高1.0~1.4m內(nèi),抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)≥1.5,所以田坎基本不會發(fā)生抗傾覆穩(wěn)定性破壞(圖5)?？箖A覆穩(wěn)定性模擬試驗結(jié)果比較符合實際調(diào)研結(jié)果,由于抗傾覆模擬試驗仍然沒有考慮到PP織物袋的柔性,所以在實際生產(chǎn)過程中,PP織物袋田坎的抗傾覆性系數(shù)可能更大。3田間抗傾覆穩(wěn)定性1)強降雨后隨著土壓力的增大,PP織物袋田坎的剪切強度顯著增加,抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)和抗滑穩(wěn)定系數(shù)顯著減小。2)PP織物袋田坎在筑坎過程中,有連接扣時的抗剪強度明顯大于無連接扣時,抗剪切破壞作用明顯。強降雨后,在無連接扣的條件下,發(fā)生剪切破壞的可能性更大,主要集中在坎高1.2~1.4m的第2、3層;在有連接扣的條件下,田坎的剪切破壞多發(fā)生在坎高1.2~1.4m的第3層,而且坡度越大,發(fā)生的可能性越大。3)無論降雨前還是降雨后,田坎在坡度65°~75°、坎高1.0~1.4m內(nèi),抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)≥1.5,不會發(fā)生傾覆破壞。4)強降雨后,田坎在坎高≥1.2m、坡度65°~75°內(nèi),抗滑穩(wěn)定系數(shù)≤1.3,容易發(fā)生滑動破壞;但隨著水分的散失,田坎抗滑穩(wěn)定性逐漸增強。綜上所述,PP織物袋梯田田坎在坎高≤1.0m、坎坡65°~75°時都是穩(wěn)定的;在有連接扣的條件下,當坎高≥1.2m、坎坡65°~75°時,強降雨后更容易發(fā)生滑動破壞,所以用PP織物袋筑坎時,對于地基的處理很重要,應盡量增大基底摩擦系數(shù)。PP織