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土工袋

转载一篇生态土工袋应用方面的论文

一种新型的软体结构在生态修复工程中的应用

徐文杰1  胡瑞林1  骆祥君2

（1.中国科院地质与地球物理所工程地质力学重点实验室，北京100029；2.北京中国科学院研究生院，北京100036）

摘要:

由于各种自然灾害现象的发生及随着我国各种工程建设的不断开展,形成了大量的裸露边坡,如何使这些裸露边坡的生态系统重新恢复起来，是现代人类可持续发展的需求。

传统的边坡加固技术在边坡的稳定性方面做出了重大的贡献，但是在如何恢复受损的生态环境方面显得力不从心。

本文介绍了一种新型的软体结构边坡加固系统——鑫三角系统，它以目前成熟的土工合成材料为基础，建造了一个稳固的软体加固结构，开辟了边坡加固新空间。

生态土工袋作为该系统的一个重要组成部分为植被的生长提供了一个良好的载体，连接扣的应用加强了袋间的连接力。

整个系统不使用任何钢筋混凝土、建筑块石等高能耗、高污染的硬体材料，充分利用当地的开挖土体，为人类构筑了一个集生态、环保、工程安全性于一体的边坡防护结构。

关键词  软体结构，硬体结构，边坡防护，鑫三角系统

分类号            文献标识码  

APPLICATIONOFANEWKINDOFSOFTSTRUCTURETOSLOPEPROTECTION

XUWen-jie1,HURui-lin1,LUOXiang-jun2

（1KeyLaboratoryofEngineeringGeo-mechanics,InstituteofGeologyandGeophysicsChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China）（2BeijingShuntiangreenslopescienceandtechnologylimitedcompany,Beijing100036,China）

Abstract:

Asaresultofeachkindofnaturaldisasterphenomenonoccurrence,andalongwithourcountry’sunceasingdevelopmentofeachkindofengineeringconstruction,massiveexposedslopeshaveformed.Howmakestheseexposedslopes’ecosystemrestore,isthedemandsofmodernhumanity’sandourcountry’ssustainabledevelopment.Thetraditionalslopeprotectiontechnologieshavemadethesignificantcontributioninslopestableaspects.Howeverinrestoringtheecologicalenvironmentoftheslopeswhichsuffereddamagesbyhumanityorbynaturaldisaster,itmayappearmanylacksinabilitythatwewouldliketodo.Thisarticleintroducedanewkindofsoftstructureslopeprotectionsystem-Ecolocksystem,whichtakesthepresentmaturegeosyntheticsasthefoundationandconstructsastablesoftreinforcementstructure,opensanewspaceinslopeprotection.Theecologygeotextilebagisanimportantpartofthissystem,whichprovidedagoodcarrierforvegetation'sgrowth.Theapplicationofthejointunitsreinforcedthestrengthofthebags.Thesystemdoesnotuseanyreinforcedconcrete,thebuildingrubblestone,anyhighenergyconsumptionandhighpollutionhardwarematerials.AndtheEcolocksystemtakefulladvantageofthelocalexcavatingsoilbodyasthemainlycomponentsofthewholesystem.So,theEcolocksystemconstructsaslopeprotectionstructurewhichcollectszoology,environmentalprotection,andprojectsecurityforthehumanityinabody.

Keywords:

softstructure;Hardstructure;Slopeprotection;Ecolocksystem

1引言

我国是一个地质条件非常复杂的国家，自然界的各类边坡分布非常广泛，许多边坡常常由于当地的气候或地质条件等因素而使得植被无法生长，形成了大量的裸露边坡（图1）。

此外，随着各类工程规模的不断扩大，大量的挖方、填方等也形成了许多的裸露工程边坡。

裸露边坡的存在给工程和环境带来了巨大的问题，如水土流失、滑坡、泥石流、滚石、流砂及生态环境的破坏等灾害现象。

即使这类边坡现在是稳定的，如果不及时对它们进行相应的表层防护处理，在各种外界不良环境的影响下则可能导致边坡向灾变的方向发展。

然而，这些边坡仅靠自然界自身的能力来恢复正常的生态功能非常困难，尤其对于土壤环境比较薄弱的边坡（如岩质边坡、流砂坡、松散堆积体边坡及某些特殊土边坡等）。

通常的治理方法是采用不同的加固技术对边坡进行人工治理、绿化，或者直接采用传统的硬体结构（如浆砌片石、柔性网等）措施将边坡表面进行固化处理。

但是传统护坡措施，无论是采用无结构的护坡、还是使用传统的硬体结构护坡，在工程建设初期发挥了一定的作用，但是使用的过程中由于外界各种因素的影响常常出现不同程度的破坏（图2），而且对于那些采用硬体结构进行坡面固化的措施难以达到恢复生态的作用，它们只能是临时加固，而无法作为永久的边坡防护措施为人类、为工程服务。

图1云南某地区巨型松散堆积体边坡

Fig.1AlargeincompactaccumulationslopeinYunnanprovince

（1）无结构护坡工程，因地表流水等因素造成坡体的局部塌陷破坏

（2）采用传统的硬体结构护坡工程，因不均匀变型而造成结构的开裂破坏

图2传统的边坡加固措施存在的问题

Fig.2Theproblemsinconventionalslopeprotectionmethods

图3某黄土边坡侵蚀破坏情况

Fig.3Erodingdestroyinstanceofaloessslope

在黄土地区，由于黄土自身的结构特点决定了仅靠植被的作用在这类边坡防护中难以起到很好的作用，有时甚至会起到相反的效果。

如图3所示为一黄土边坡的侵蚀破坏情况，从图中可以看出：

在植被根系较少的地方其侵蚀破坏较弱，在植被根系较多的地方反而侵蚀破坏较严重，这种现象在黄土边坡分布地区普遍存在。

植物为什么在这类边坡中起不到固坡保土的作用呢？

随着季节的交替，植物的根系由于枯竭、腐烂在黄土中形成一些与外界连通的空洞，这些空洞在地表水及风力等作用下不断溶解其中的可溶盐或者剥蚀，导致空洞的不断的扩大、连通，最后使土体崩溃。

另一方面的原因为植被的根系总是保水的地带，这些水分也可能会使周围的土体结构遭受破坏，使得在根系周围形成空洞，地表水顺着植被的这些根系不断入渗也会造成空洞的扩大。

此外，在植被根系发育地带土体较为松散，加上黄土的粘聚力较低，更容易遭受地表水及外界风力的侵蚀。

因此，在黄土边坡地区，植被的根系常常成为破坏黄土结构的一个因素存在，如果不采取相应的表层防护措施仅靠植被的作用难以起到理想的防护效果。

以上这些灾害现象不但给生态、环境带来了一些不良的影响，而且影响着工程的正常运营，造成人力、财力、物力的巨大浪费。

目前，随着土工合成材料的不断发展和成熟，它已经被广泛地应用于各类岩土工程中。

但是，就目前国内现有的土工合成材料使用技术方面，很多没有充分发挥其应有的效果，难以将工程和生态防护充分的结合起来，满足现代人类文明可持续发展的需求。

因此如何充分发挥目前土工合成材料的优势，开发新型的土工合成材料结构系统，实现工程、生态、环境于一体的功能，一直是工程设计者的追求。

基于现代土力学理论及目前成熟的土工合成材料技术发展起来的一种新型的软体结构系统——鑫三角系统为边坡加固开辟了新的技术空间，适应了当前建设的需求。

2鑫三角系统特性

2.1系统的基本构成

鑫三角系统主要由生态土工袋、连接扣及用于加筋土挡墙的加筋土工格栅组成。

生态土工袋和连接扣交叠放置构成了一个稳固的三角结构（图4）。

图4鑫三角基本结构示意图

Fig.4AsketchmapofthestructureofEclock

鑫三角生态土工袋采用无纺土工织物制作而成，其材料为聚丙烯PP。

土工袋内可以充填土或碎石等，具有透水但又不允许土体颗粒通过的良好功能，因此生态土工袋可以成为植物生长的良好载体。

这种生态土工袋的强度较高，袋体得胀破强度最大可达1650kPa。

连接扣也是由聚丙烯PP材料制成的构件，它包括标准连接扣和工程连接扣两种，放置于生态土工袋之间以增强系统的整体强度。

工程连接扣除了具有加强土工袋之间的连接外，它还有三个倒钩用于连接加筋土工格栅或传统加固结构（如：

锚杆、锚锁等）的作用。

加筋土工格栅是采用材料延伸率小、抗拉强度高、蠕变小、不易变形（在长期的工作应力状态下）聚乙烯（HDPE）制成的双向土工格栅，是建造加筋土挡墙的重要组成部分。

2.2系统的主要技术特点

构成系统的所有构件都是柔性土工合成材料，它不使用任何传统的水泥砂浆及钢筋混凝土等硬体材料，因此整个系统构成了一个具有承受一定变形能力的新型软体结构。

这种新型的软体结构加固技术与传统的硬体结构及无结构加固技术相比有智能性强、整体强度高、地域适应性强、施工便利、和易性好、造价较低、生态功能好等优点。

2.2.1智能性

鑫三角系统是一个智能型的软体结构，它具有承受一定变形的能力，而不会出现像传统的硬体加固技术那样因局部不均匀沉降而导致结构的破坏或断裂等现象（图2.2）。

当边坡体因各种因素出现局部或整体不均匀变形时，系统会自我进行调整，以适应当前变形状态，因此我们称之为一个智能性系统，解决了传统的硬体结构所难以解决的问题。

同时系统的这种自适应式的微小变形，可是使防护体释放巨大的内部作用力，因此从某种程度上讲也有利于结构和工程体的稳定性。

2.2.2整体强度高

通过对加连接扣土工袋直立墙体和未加连接扣的无结构土工袋直立墙体（高度均为1m，墙体长度为6m）的现场抗剪强度测试（图5）表明：

对于无结构的土工袋直立墙当拉力达到580N时测试袋被拉出破坏；而对于加有连接扣的有结构土工袋直立墙当拉力达到2.14kN时测试墙体出现整体的倒塌破坏，其强度增加了370％。

不同的土工袋之间加有连接扣连接使系统从传统的无结构系统转变为有结构系统，抗剪强度提高。

图5土工袋的野外抗剪强度测试

Fig.5Shearstrengthfieldtestofbags

2.2.3地域适应性强

  目前土工合成材料已经被广泛适用于世界各地，从极地寒冷地区到赤道附近热带地区均有使用。

加上系统本身作为一个柔性结构，具有自我调节适应局部或整体变形的能力，因此即使在寒冷地区也不会因为季节性冻融现象的影响而使其出现整体性的破坏现象。

2.2.4施工便利

  由于在施工过程中充分利用现场材料，无需任何钢筋和水泥等高能耗、高污染的硬体材料，而且土工合成材料本身的重量较轻，施工过程中的运输十分便利。

在山区等交通不发达地区，其优点更是普通的硬体结构无法相比的。

系统安装操作简单，施工速度快，施工人员无需进行专门培训，普通劳动力经过简单的指导就可以进行现场施工作业，从另一个角度讲可以解决大量的农村剩余劳动力的就业问题。

2.2.5和易性好

该系统作为一种新型的边坡加固处理技术除了可以独立实现边坡的防护功能外，还可以与传统的边坡加固技术进行无缝集成。

对于不稳定的边坡可以通过传统的锚杆、锚锁等技术进行坡体加固，满足工程的需要。

通过系统特有的工程连接扣使系统与锚杆、锚锁等连接为整体，增强坡体的整体稳定性能。

此外，对于已采用传统的技术加固的而坡面受损的边坡，完全可以在现有结构的基础上，利用已有的可用构件对边坡进行加固修复，减少了工程量、节约了资金。

2.2.5造价较低

  由于系统的基本构件是由造价较低的土工合成材料制成，重量较轻，运输和施工简便，因此工程造价较传统的硬体结构低。

2.2.6生态功能好

系统采用的聚丙烯（PP）作为原材料，它在自然界中永不降解、100％可以回收利用、且地表及地下生物（如白蚁、蚯蚓等）不会给其造成破坏，因此从材料角度上讲系统不会对周围的生态环境造成任何不良的影响。

系统充分利用施工现场的开挖土方充填在生态土工袋中（对于干旱地区，可以将适当的保湿剂跟土混和一起装入袋中，以保证植被生长的需求），而不使用钢筋、混凝土等材料，为边坡形成一个柔性的生态防护壳体。

系统采用的无纺土工织物具有透水、不透土的良好功能，一方面防止了水土流失现象，另一方面又为植被提供了一个良好的生长载体。

尤其在岩质边坡、黄土边坡、松散堆积体边坡及流砂坡等植被难以直接生长的地区，生态土工袋的使用为植被根系发育提供了一个很好的空间。

植被的生长又使土工袋免受太阳紫外线的照射，有效地保护了袋体，增强了袋体材料的使用寿命。

开始时植被可以借助生态袋来吸收水分发育根系，随着植被的不断生长，其根系穿过土工袋底部进入坡体，这样坡体表面既不会被地表水流所冲刷又起到了固坡及恢复受损坡体的生态系统作用。

植被可以通过各种播种方式来进行，如：

插播、撒播、压播等方式，也可以直接把植被的种子与土体混和一起放入生态袋中的播种方式。

即满足了工程的需要又与不会因为工程的实施而破坏周围的生态环境，实现了工程与生态环境的无缝结合。

3工程应用

3.1边坡体的表层防护

对于因工程建设或者自然因素而形成的各种裸露边坡，常常造成原有的植被破坏而难以甚至无法修复。

目前常用的方法是使用“生态砖”、柔性网、混凝土面层等等，但是这些技术只能保证工程上的安全性或进行简单的表层固化处理，但难以实现理想的生态、绿化功能，尤其在松散堆积体、岩石、特殊土（如黄土）等地区。

鑫三角系统的开发为解决这类问题带来了方便，其功能实现是目前常用的硬体结构所难以达到的。

正如前面所述，该系统在边坡体表面形成一个柔性的生态防护壳层，防止边坡的冲刷、剥蚀和碎石的掉落等灾害现象的发生，有利于受损生态环境的恢复。

在安装系统时，不同层的生态袋之间的可以形成一定尺寸的错台（图6），为植被的扎根生长提供了一个平台，以及插播、压播等种植技术的联合使用，克服了传统的当坡度大于70°时难以绿化的难题。

我们可以生动地将鑫三角软体结构防护壳层称为自然界一个巨型“创可贴”，修复受损的地质体，实现人类工程建设和生态平衡的和谐统一。

鑫三角软体结构系统在加固边坡技术方面可分为两类：

（1）对于工程上稳定的边坡体，可以直接将生态土工袋及标准连接扣按设计的标准安装在边坡防护面上。

当坡体较陡或较高时，为了保证生态土工袋与坡体的良好接触及其稳定性，可以加稍许锚杆加以锚固。

锚杆与系统之间通过特有的工程扣来连接。

此外在植被的选择上最好选择上，宜选择一些根系发育的乔、灌木类，宜增强系统于坡体的连接。

（2）对于工程上不稳定的边坡体，可采用传统的锚杆、锚锁等技术对整个坡体进行锚固处理，以达到边坡体的表层防护与整体稳定的统一，保证整个加固结构工程上的稳定性。

然后通过工程连接扣将系统与传统结构连接起来，如图6所示。

（1）剖面图

（2）平视图

图6边坡表层防护结构示意图

Fig.6Asketchmapofsurfaceprotectionstructureofslope

施工工艺：

削坡、整平坡面——打锚杆、锚锁等（如果需要，否则跳过该步）——将开挖弃土装入土工袋——安装第一层土工袋，并夯实——填实土工袋与边坡坡面之间的空隙，并夯实——放置系统连接扣——放置第二层生态土工袋……放置最顶层生态土工袋，并压实——种植植被——洒水养护——结束。

在植被种植时可以根据当地的需要选择适合当地生长的植被物种、采用合理的种植方式，如果采用压播或插播方式时可以在放置生态袋的过程中可以直接将植被的枝条放置在袋间。

3.2加筋挡土墙

  加筋挡土墙自上世纪60年代问世以来，以其造价低、节约占地、造型美观、对地基的要求不高、能适应地基的不均匀变形、能与周围环境保持良好的协调性及施工简便等优越性而受到工程界的青睐，目前已被广泛用于工程建设中来。

3.2.1普通加筋挡土墙

图7普通加筋土挡墙

Fig.7Asketchmapofcommonreinforcedearthwall

普通加筋挡土墙主要由面板、基座、加筋土工格栅及回填土体组成（图7）。

虽然在大多数工程中这种挡土墙基本保持良好的工作状态，但是由于该技术由于各方面的原因在工程使用过程中常常会出现不同程度的失稳现象，不能很好地发挥其应有的加固效果。

①材料与墙后加筋土材料力学性质上的差异，因此在工程使用过程中常常会产生面板与加筋土体间产生不均匀沉降变形。

当这种不均匀沉降较大时，如若设计采用的土工合成材料拉筋强度小、伸长率低，拉筋难以适应协同变形的基本要求，在面板连接处急剧向下转折，不仅大大地增加了拉筋在局部范围内的拉伸变形，而且严重恶化了拉筋的受力条件，使拉筋实际具有的拉应力大大高于设计允许应力，导致拉筋断裂。

②近面板处碾压机不能进人，造成该处填土密实度低于远离面板的加筋土的主体填料，从而增加了面板处的不均匀沉降和断筋的可能性。

③面板上的拉筋拉环制作不够合理时，可能会损坏拉筋带，造成筋带受到的剪力过大，而损伤筋带。

④由于面板附近排水不畅，加之地表水的入渗，导致面板后填土的含水量加大，孔隙水压力增高，降低了土的强度，从而增多了墙后的主动土压力，促使了墙面的水平位移和面板的垮塌。

⑤通加筋土挡墙面板难于绿化，没有生态功能，与周围的自然环境难于协调，造成视觉上的不美观。

3.2.2鑫三角加筋挡土墙

鑫三角加筋挡土墙是一种新型的挡土墙加固技术，其结构主要由生态土工袋、标准连接扣、工程连接扣、加筋土工格栅及回填土体组成（图8）。

图8鑫三角加筋土挡墙

Fig.8AsketchmapofEcolockreinforcedearthwall

鑫三角加筋土挡墙采用生态土工袋构成的稳固的柔性鑫三角结构代替普通加筋挡土墙中的面板，通过工程扣上的倒钩是其与墙后的加筋土工格栅连接，其坡面坡度可达1:

0.1。

由于土工袋中的土体跟墙后土体具有相同的力学性质，而且克服了碾压机不能进入面板附近碾压的困难（碾压机械可达到距离墙面1米处，对于距离墙面较近处及土工袋内土体可以使用小型的碾压机具进行碾压），保证了土工袋内土体与墙后填土在压实度上的一致性。

因此不会发生如普通的加筋土挡墙因面板与墙后土体不均匀变形而带来的损坏。

鑫三角加筋土挡墙采用工程扣来连接加筋土工格栅，并不会对筋带产生损坏。

此外，生态土工袋具有良好的透水能力，可以快速将墙体内的地下水排除墙体，而不会使加筋挡土墙因过高的孔隙水压力而造成破坏。

生态土工袋的使用使加筋土挡墙的生态绿化成为可能，从而形成了将工程结构与生态的完美结合。

施工工艺：

清理基地——装土工袋——基底生态土工袋安装——连接扣安装——放置第二层生态袋……碾压回填土体及生态土工袋——放置工程连接扣及加筋土工格栅……（重复以上步骤）……放置顶层生态土工袋，并进行墙体的完全封顶、压实——种植植被——喷水养护——结束。

3.2.2.1鑫三角加筋土挡墙稳定性研究

鑫三角加筋土挡墙虽然克服了普通的加筋挡土墙的一些缺陷，但是为了保证工程的安全性，在进行设计时应充分考虑系统潜在的破坏模式，然后按照设计规范根据不同的需要选择土工袋、连接扣及加筋网的型号、加筋网的层数、加筋网的宽度等。

鑫三角加筋土挡墙可能存在的破坏方式主要有：

外部稳定性破坏、内部稳定性破坏及表面稳定性破坏三种类型。

其中外部稳定性破坏主要包括：

滑动破坏、倾覆破坏和翻转破坏三类（图9）；内部稳定性破坏主要包括：

内部滑动破坏、拉拔破坏及加筋土工格栅的断裂破坏三类（图10）；表面稳定性破坏主要包括：

土工袋的剪切破坏及工程连接扣倒钩连接处的破坏两类（图11）。

（1）滑动破坏

（2）倾覆破坏

（3）翻转破坏

图9外部稳定性破坏示意图

Fig.9Asketchmapoftheexteriorstabilitydestroy

（1）内部滑动破坏

（2）拉拔破坏

（3）断裂破坏

图10内部稳定性破坏示意图

Fig.9Asketchmapoftheinsidestabilitydestroy

（1）剪切破坏

（2）连接破坏

图11表面稳定性破坏示意图

Fig.9Asketchmapofthesurfacestabilitydestroy

因此，在加筋土挡墙的设计过程中要充分保证其外部稳定性、及内部稳定性的同时，还要保证面层的稳定性。

就外部稳定而言，加筋土工格栅的铺设宽度必须能够克服滑动、倾倒等变形破坏及内部连接的失败。

就内部稳定而言，加筋土工格栅必须保证有效的宽度和层数，来克服拉张应力（断裂）等破坏。

对于表面稳定性问题，要选择合适的土工袋及连接扣的强度。

4工程实例

4.1边坡体的表层防护工程实例

  福建某采石场因大量开挖，基岩暴露，造成植被的严重破坏，而且破碎的岩石随时就有下落的可能。

为防止滚石的下落，并恢复原有的生态环境，工程采用了鑫三角系统作为护坡加固措施（图12）。

整个护坡高度近10m，工程完工后两个月达到了完全的绿化效果，实现了防护与绿化于一个的功能。

（1）防护前

（2）施工进行中

图12福建某采石场的护坡工程

4.1鑫三角加筋挡土墙工程实例

图13为韩国某工程使用的鑫三角加筋挡土墙，墙体总高度约为8m，坡面坡度为1:

0.1，加筋土工格栅采用聚乙烯（HDPE）双向土工格栅。

采用喷播技术进行播种，11周后墙面完全绿化，绿化后的挡土墙与周围的环境实现了完美的结合。

（1）施工过程中场地概貌

（2）11周后的植被绿化情况

图13某工地使用的鑫三角加筋挡土墙工程

5结论

本文介绍了一种新型的以现代土工合成材料为基础的软体结构加固边坡技术可以解决目前边坡加固技术的许多不足之处，该技术已经在工程实践中得到了很好的应用。

随着我国经济建设的迅速发展、西部大开发的全面展开及人类文明可持续发展的需求，大量的边坡工程急需有效