滿曉磊 汪萬升 劉廣英 邸云菲 鮑永健

(滁州學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院， 安徽 滁州 239000)

隨著對近海、河口地區(qū)的保護(hù)性開發(fā)，充填管袋壩筑堤技術(shù)依靠其就地取材、適應(yīng)地基變形能力強(qiáng)、施工速度快、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于河口蓄淡水庫、深水航道整治、沿海港口碼頭、沿海機(jī)場、海堤及防波堤、灘涂圍墾等河口、海岸工程中[1]．管袋堤壩一般由若干層管袋堆疊而成，每層管袋的施工過程分為水力造漿、充灌和脫水固結(jié)3個(gè)階段．在完成充灌后，利用縫制管袋土工織物的保土性和透水性，袋內(nèi)的水流帶著少部分細(xì)顆粒通過土工織物孔隙排出，而充填泥漿中的粗顆粒在自重作用下逐漸沉淀并脫水固結(jié)，待本層管袋固結(jié)后方可進(jìn)行上層管袋的施工；因此，管袋堤壩的施工工期與充填管袋的脫水固結(jié)速率緊密相關(guān)，而充填管袋的脫水固結(jié)問題也自然成為了國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題．

關(guān)于充填管袋的脫水固結(jié)問題，許多國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了理論研究．閆玥，閆澍旺，邱長林，等[2]提出了我國工程常用的扁平型充填管袋的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并通過計(jì)算得出了扁平充填管袋的尺寸、形態(tài)、泵送壓力、泥漿重度與拉應(yīng)力的關(guān)系；Malik等[3]對比研究了利用單一充填料與多種密度填料組成的復(fù)合充填料進(jìn)行充填時(shí)管袋的不同充填特性，進(jìn)而分析得出充填料的密度對管袋充填特性的影響．國內(nèi)外學(xué)者在對充填管袋脫水性能進(jìn)行理論性研究的同時(shí)，也進(jìn)行了很多試驗(yàn)方面的研究．充填管袋脫水固結(jié)試驗(yàn)方法主要包括吊袋試驗(yàn)、加壓過濾試驗(yàn)、枕狀充填袋試驗(yàn)以及現(xiàn)場大型充填試驗(yàn)等，國內(nèi)外學(xué)者分別基于以上方法對土工織物與充填料的相互作用特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究．

吊袋試驗(yàn)[4, 5]是將土工織布縫合成一個(gè)圓筒型，底部封閉頂部開口并固定在支架上，在袋子下面放置一收集容器以收集試驗(yàn)過程中排出的水和細(xì)顆粒土料的室內(nèi)模擬試驗(yàn)．通過對收集的水和充填土料的分析，可以得到吊袋的脫水性能及土工織物的保土性能．該試驗(yàn)方法所用模型較小，且操作簡便，因此經(jīng)常被用于對不同土工織物和充填土料組合后的脫水、保土特性進(jìn)行定性對比分析．常廣品，束一鳴，尹家春，等[6]通過吊袋試驗(yàn)探究了充填土料含粘量、管袋袋壁的拍打擾動(dòng)、管袋袋布等效孔徑等因素對充填管袋脫水效率的影響，并提出了一種管袋填充高含粘量泥漿時(shí)的高效脫水施工方法：充排結(jié)合、邊充邊排，該方法的脫水效果在室內(nèi)單元管袋脫水模型試驗(yàn)中也得到了驗(yàn)證[7]．

實(shí)際工程中管袋的充填是在一定沖灌壓力下進(jìn)行的，而吊袋試驗(yàn)只能模擬管袋的無壓脫水過程，因此Moo-Young等[8]在吊袋試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了加壓過濾試驗(yàn)這一試驗(yàn)方法．該方法所用試驗(yàn)裝置的主體為圓筒，底部固定土工布試樣，筒體頂部連接加壓裝置，在筒體下方放置一收集容器，用以收集試驗(yàn)過程中排出的水和細(xì)顆粒土料．利用該裝置可完成不同滲透水頭、不同充填土料以及不同土工織物的組合下系統(tǒng)的脫水性能與保土性能等．為避免吊袋試驗(yàn)所用袋子的形狀對脫水性能的影響，Tom Stephens等[9]將土工織物縫制成接近充填管袋形狀的枕頭形袋子，袋子頂部用法蘭連接充填管，充填管內(nèi)液柱高度能實(shí)時(shí)顯示沖灌壓力，袋子的底部放置收集容器用以收集排出的水和細(xì)顆粒土料．利用該裝置分別對不同充填土料的枕狀袋進(jìn)行脫水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明充填土料對整個(gè)管袋的滲透特性有顯著影響．

除了室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，很多學(xué)者還進(jìn)行了大型現(xiàn)場充填試驗(yàn)．Shin等[10]分別采用砂和粘土兩種充填料進(jìn)行土工管袋現(xiàn)場充填試驗(yàn)，通過對管袋充填過程的觀測，得到了充填過程中管袋的高度形態(tài)變化，并通過對排水固結(jié)過程中袋體高度下降過程的監(jiān)測，提出了充填袋排水后袋子形狀變化的計(jì)算方法；吳海民，束一鳴，常廣品，等[11]通過現(xiàn)場大型充填管袋脫水模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了前期室內(nèi)試驗(yàn)研究提出的放水排泥、充排結(jié)合的快速脫水施工方法，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測不同施工方法下充填管袋不同部位土體的含水率、固結(jié)度、孔隙水壓力、干密度和級配等指標(biāo)，對比分析了不同施工方法對充填管袋脫水固結(jié)速度的影響，結(jié)果表明放水排泥、充排結(jié)合的施工方法具有可行性，且有助于充填管袋的脫水固結(jié)．

工程實(shí)踐表明，在充填管袋脫水固結(jié)過程中，土工織物受力、變形等條件的變化會(huì)直接影響土工織物的滲透性能，進(jìn)而影響充填管袋的整體脫水性能，因此國內(nèi)外許多學(xué)者也專門針對充填管袋的受力變形問題以及土工織物在受力、變形條件下的滲透特性開展了深入研究．

Catre等[12]利用攝影測量法[13]對考慮土工織物袋在產(chǎn)生一定應(yīng)變條件下的袋體特性進(jìn)行了理論研究；靳向煜，朱遠(yuǎn)勝，王俊[14]對充填管袋在填充過程中管袋不同方向的變形及受力情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，管袋橫截面上變形最小的點(diǎn)位于袋體最大寬度處．Wu等[15]對土工織物沿緯向施加單向拉力后進(jìn)行透水試驗(yàn)和梯度比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明土工織物在受到單向拉伸時(shí)等效孔徑會(huì)增大，滲透系數(shù)隨之增大；Fourie等[16]對不同厚度的土工織物進(jìn)行了單向拉伸和雙向拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明無論是單軸還是雙軸拉伸作用下，土工織物的等效孔徑均會(huì)隨拉力的變化而變化．較厚織物的等效孔徑隨著拉力的增加而減小，而對于較薄的土工織物，其等效孔徑隨著拉力的增大而增大，說明拉力對土工織物滲透系數(shù)的影響不可忽略；陳輪,童朝霞[17]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了拉應(yīng)變對土工織物的滲透特性的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明拉應(yīng)變會(huì)使土工織物發(fā)生淤堵，且淤堵程度隨拉應(yīng)變的增大而加重，進(jìn)而降低土工織物的滲透性能．Hong等[18]研究了持續(xù)荷載、脈沖荷載以及復(fù)合荷載等不同類型的荷載作用下土工織物滲透系數(shù)的變化，試驗(yàn)結(jié)果表明，土工織物系統(tǒng)的整體滲透系數(shù)均隨荷載的增大而增大．白建穎,夏啟星[19]在總結(jié)國內(nèi)外關(guān)于土工織物滲透性能研究的基礎(chǔ)上，通過定性分析，總結(jié)了土工織物的微觀結(jié)構(gòu)及其滲透原理，并通過定量分析，建立了水頭差與滲流流速的的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式．

上述研究表明土工織物管袋在充填及使用過程中受到一定的張力作用，而且在其所受的張力作用下，土工織物滲透性會(huì)有所變化；但是充填管袋脫水固結(jié)過程是在土工織物與充填料的共同作用下進(jìn)行的，不僅僅由土工織物本身滲透特性決定，需要考慮土工織物與充填料的整體滲透特性．

雷國輝，吳綱，姜紅，等[20]考慮到土工織物與充填土料對系統(tǒng)滲透性能的耦合影響進(jìn)行了土工織物在雙向拉伸狀態(tài)及無拉伸狀態(tài)下覆土滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在雙向拉伸狀態(tài)下的滲透性能和無拉伸狀態(tài)下系統(tǒng)的滲透性能有著明顯不同，在雙向等應(yīng)力拉伸條件下系統(tǒng)的整體滲透系數(shù)先變小后變大．但是，在實(shí)際管袋工程中，充填管袋的徑向和軸向受力是不同的，因此土工織物經(jīng)緯向受力也不同，且差別較大，故雙向等應(yīng)力拉伸的研究并不能很好地貼合實(shí)際工程．而且，受土工織物的編織方式影響，在無應(yīng)力狀態(tài)下，土工織物緯絲幾乎無變形現(xiàn)象(如圖1(a)所示)，而土工織物經(jīng)絲變形較為嚴(yán)重，呈現(xiàn)波浪狀(如圖1(b)所示)；通過對土工織物單向拉伸試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，土工織物的孔隙在受到徑向拉伸時(shí)會(huì)變小(如圖2所示)，而沿緯向拉伸土工織物時(shí)，其孔隙會(huì)變大(如圖3所示)．

圖1 土工織物絲

圖2 經(jīng)向土織物受力 圖3 緯向土織物受力

以上現(xiàn)象進(jìn)一步說明，有必要結(jié)合充填管袋的應(yīng)力狀態(tài)考慮土工織物經(jīng)、緯向受力的不同對充填管袋排水速率的影響．因此，本文采用吊袋試驗(yàn)方法對該問題進(jìn)行研究，試驗(yàn)過程中按土工織物的經(jīng)向與緯向?qū)⒌醮譃闄M向吊袋和縱向吊袋，即當(dāng)土工織物經(jīng)絲與吊袋徑向一致時(shí)，此時(shí)經(jīng)絲應(yīng)力大于緯絲應(yīng)力，此吊袋為縱向吊袋；當(dāng)土工織物經(jīng)絲與吊袋環(huán)向一致時(shí)，此時(shí)經(jīng)絲應(yīng)力小于緯絲應(yīng)力，此吊袋為橫向吊袋．以橫向吊袋和縱向吊袋進(jìn)行對照試驗(yàn)研究，得出脫水與滲土速率規(guī)律；進(jìn)而結(jié)合對充填管袋的應(yīng)力分析，得出袋體土工織物縫制方式對充填管袋脫水固結(jié)速率的影響因素．

1 吊袋試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)土料與吊袋材料的選擇

充填管袋所用砂料一般多采用亞砂土、粉細(xì)砂類土料，因此，依據(jù)土工織物充填管袋土料宜采用砂性土的相關(guān)規(guī)定[21]，配制本試驗(yàn)所用土料，其級配曲線如圖4所示．

圖4 試驗(yàn)土料級配曲線

吊袋制作材料為充填管袋常用的土工編織物，其單位面積質(zhì)量為150 g/m2，厚度為0.67 mm，等效孔徑為0.08～0.5 mm，按照土工織物緯絲沿吊袋環(huán)向縫制成縱向吊袋，按照土工織物經(jīng)絲沿吊袋環(huán)向縫制成橫向吊袋，橫、縱向吊袋的幾何尺寸相同，直徑均為0.5 m，高度均為1 m．

1.2 室內(nèi)試驗(yàn)方案

按照控制變量法，將相同的試驗(yàn)土料分別倒入橫向吊袋與縱向吊袋中進(jìn)行脫水試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見表1．

表1 室內(nèi)試驗(yàn)方案

如圖5所示，吊袋試驗(yàn)的過程為：稱取試驗(yàn)土料10 kg，與10 kg水混合成總重20 kg的泥漿混合物，攪拌均勻后，勻速倒入吊袋中；在吊袋正下方放置一個(gè)可接滲出物的稱盤，每隔規(guī)定時(shí)間將吊袋下的秤盤置換、稱重，重復(fù)操作直至吊袋邊壁不再有液體滲出時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束．

對每段時(shí)間內(nèi)滲透出的泥水稱重，并靜置、烘干再次稱重，分析得到每段時(shí)間內(nèi)滲出土的質(zhì)量、水的質(zhì)量，并計(jì)算每個(gè)時(shí)間段內(nèi)平均脫水及滲土速率．

圖5 吊袋脫水試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1)整個(gè)試驗(yàn)過程中橫向吊袋與縱向吊袋的脫水速率和脫水累計(jì)量隨時(shí)間變化情況如圖6～7所示．

圖6 橫向吊袋脫水速率與脫水累計(jì)量隨時(shí)間變化

圖7 縱向吊袋脫水速率與脫水累計(jì)量隨時(shí)間變化

由圖6可以看出，試驗(yàn)A在開始階段脫水速率較大，但降低速度較快；脫水累計(jì)量在試驗(yàn)開始階段隨時(shí)間呈現(xiàn)鉛直線型增長，隨后趨于水平．由圖7可以看出，試驗(yàn)B的脫水速率與脫水累計(jì)量隨時(shí)間變化趨勢與圖6中試驗(yàn)A的趨勢大體一致．說明在整個(gè)試驗(yàn)過程中橫向吊袋與縱向吊袋的脫水均集中于試驗(yàn)開始階段．

2)試驗(yàn)A、B在試驗(yàn)開始短時(shí)間內(nèi)吊袋滲出物為渾濁液體，且濁度逐漸降低，隨后大部分的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)吊袋滲出物均為清水．滲土情況如圖8～9所示，由圖可知，橫向吊袋與縱向吊袋的滲土速率和滲土累計(jì)量隨時(shí)間變化趨勢高度相似，均在試驗(yàn)開始短時(shí)間內(nèi)滲水速率較大時(shí)有土料滲出，隨后滲土速率降為0；通過滲土累計(jì)量的對比發(fā)現(xiàn)，橫向吊袋最終滲土累計(jì)量大約是縱向吊袋的4倍，但二者的滲土累計(jì)量均小于10%，都符合管袋保土性要求[22]．

圖8 橫向吊袋滲土速率與滲土累計(jì)量隨時(shí)間變化

圖9 縱向吊袋滲土速率與滲土累計(jì)量隨時(shí)間變化

3)試驗(yàn)A與試驗(yàn)B在試驗(yàn)過程中脫水速率隨時(shí)間的變化情況比較結(jié)果如圖10所示．

圖10 不同方向縫制下吊袋脫水速率隨時(shí)間變化

由圖10可以看出，橫向吊袋與縱向吊袋脫水速率的整體趨勢基本一致，均是前期較快，后迅速降低；但在脫水階段有顯著差別，主要表現(xiàn)在兩點(diǎn)：①試驗(yàn)A在脫水過程中脫水速率存在波動(dòng)現(xiàn)象，而試驗(yàn)B無此現(xiàn)象，說明在試驗(yàn)的前期階段橫向吊袋內(nèi)可能因淤堵而形成了不穩(wěn)定的反濾結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致脫水速率的下降，當(dāng)該結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，出現(xiàn)脫水速率的快速上升，后又逐漸恢復(fù)正常速率；②試驗(yàn)A的初始脫水速率遠(yuǎn)大于試驗(yàn)B的初始值；且在相同的總脫水時(shí)間段內(nèi)，試驗(yàn)A的平均脫水速率0.026 kg/min遠(yuǎn)大于試驗(yàn)B的0.012 kg/min，說明在脫水過程中橫向吊袋的等效孔徑更大，脫水性能更優(yōu)．

3 充填管袋應(yīng)力分析

為將本次試驗(yàn)成果應(yīng)用于實(shí)際工程中，將充填管袋進(jìn)行了簡化，并對其進(jìn)行受力分析．如圖11所示為實(shí)際工程中的扁平狀充填管袋，為計(jì)算方便將其簡化為如圖12所示的橢圓形柱體，現(xiàn)假設(shè)實(shí)際管袋在充填時(shí)從a口進(jìn)入，泥漿充填到一定量時(shí)管袋會(huì)受到一定的沖灌壓強(qiáng)(現(xiàn)定為p)，由此可見，如圖13所示的管袋軸向的土工編織絲物會(huì)受到一個(gè)向左的應(yīng)力σ軸，土工編織絲物的厚度為δ．

圖11 充填管袋實(shí)物圖

圖12 充填管袋簡化示意圖 圖13 管袋軸向受力示意圖

根據(jù)受力平衡:

Fp1=F軸

(1)

Fp1=pπR2

(2)

F軸=2πRσ軸δ

(3)

聯(lián)立(1)、(2)、(3)得，軸向所受應(yīng)力：

(4)

其中：p為管袋內(nèi)泥漿的壓強(qiáng)(Pa)；Fp1為泥漿對管袋端部的壓力(N)；F軸為管袋端部所受拉力(N)；R為管袋的半徑(m)；σ軸為管袋軸向所受應(yīng)力，稱作軸向應(yīng)力(N/m2)；δ為土工織物的厚度(m)．

將充填管袋環(huán)向的幾何形狀近似看成一個(gè)圓，此時(shí)管袋環(huán)向的受力示意圖(如圖14所示)及應(yīng)力計(jì)算推導(dǎo)如下．

圖14 管袋環(huán)向受力示意圖

根據(jù)力的正交分解：

2Tsinθ=Fp2

(5)

其中，

Fp2=pΔL

(6)

由幾何關(guān)系知：

(7)

聯(lián)立(5)、(6)、(7)，解得：

T=pR

(8)

則充填管袋所受環(huán)向應(yīng)力

(9)

其中：Fp2為泥漿對管袋側(cè)壁單寬拉力(N)；σ環(huán)為管袋側(cè)壁所受單寬應(yīng)力，稱為環(huán)向力(N)；T為管袋環(huán)向單寬所受拉力(N)；δ為環(huán)向土織物的厚度．

由上述分析可知：充填管袋的環(huán)向應(yīng)力為軸向應(yīng)力的兩倍，說明在相同的充灌壓力下，若制管袋時(shí)保證土工織物的緯絲方向與管袋環(huán)向一致，則管袋的緯絲受力更大，管袋織物的等效孔徑更大，管袋的脫水性能更優(yōu)．然而，雷國輝等人的研究表明，土工織物經(jīng)向抗拉能力是其緯向的兩倍，說明土工織物的緯絲方向與管袋軸向一致時(shí)，更能夠發(fā)揮材料的強(qiáng)度，使管袋承受更大的充灌壓力，從而提高其脫水速率．因此，在后續(xù)研究中，有必要考慮管袋強(qiáng)度發(fā)揮與脫水速率的耦合影響，即不同縫制方向的土工管袋進(jìn)行有壓脫水試驗(yàn)研究．

4 結(jié) 論

1)當(dāng)土工織物的緯絲方向與吊袋徑向一致時(shí)，即緯絲應(yīng)力大于經(jīng)絲應(yīng)力時(shí)，土工織物等效孔徑更大，吊袋的脫水速率更快．

2)當(dāng)土工織物的緯絲方向與管袋的環(huán)向一致時(shí)，緯絲應(yīng)力大于經(jīng)絲應(yīng)力，土工織物的等效孔徑更大，管袋的脫水性能更優(yōu)．

3)土工織物的緯絲與管袋的環(huán)向一致，雖有利于管袋脫水性能，但不利于發(fā)揮材料的強(qiáng)度．因此，在后續(xù)研究中，有必要進(jìn)行有壓脫水試驗(yàn)，研究充填管袋強(qiáng)度發(fā)揮與脫水速率的耦合影響．