袋裝淤泥土土工袋的強度變形研究

高軍軍 劉斯宏 白福清

（1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；2.華東勘測設(shè)計研究院，杭州 310014）

淤泥土是一種常見的具有強度低、含水量高、壓縮性大等工程特性的軟弱粘土.在海濱圍墾和河道疏浚工程中，往往會開挖出大量淤泥土.尤其是我國沿海地區(qū)，軟弱淤泥土的分布極為廣泛，珠江三角洲每年疏浚淤泥將近八千萬方，而拋入海洋中的淤泥達(dá)兩億方左右［1］.目前處理淤泥土一般采取的方法主要有吹填造地、脫水處理、燒結(jié)制磚、拋泥處置、摻加固化劑等［2－6］.而土工袋技術(shù)［7－9］能夠直接將現(xiàn)場開挖的淤泥土裝入土工編織袋封口而形成新的結(jié)構(gòu)體，使棄置的淤泥土得到重復(fù)利用.土工袋利用外力荷載下袋子的張力約束袋內(nèi)土體，提高袋內(nèi)土體整體的強度.同時，由于編織袋具有保土濾水的性能，外力荷載愈大，就愈促進(jìn)袋內(nèi)淤泥土的排水，從而加快穩(wěn)定速度.本文對袋裝淤泥土土工袋進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗研究，并對袋內(nèi)土體的強度參數(shù)和含水率進(jìn)行測定；再通過固結(jié)沉降試驗研究淤泥土土工袋的沉降變形特性.

1 無側(cè)限抗壓強度試驗

土工袋加固淤泥土的原理有兩點：一是利用土工編織袋的保土濾水特性，裝在土工袋內(nèi)的高含水量淤泥在上部荷載作用下排水固結(jié)；二是利用土工袋的張力作用約束袋內(nèi)土體.

試驗中制作土工袋3只，每只裝淤泥土約70kg，約占袋子最大容量的80%，土工袋的攤平成型尺寸：75cm×35cm×14cm（長×寬×高）.袋內(nèi)淤泥土的物理力學(xué)參數(shù)見表1.編織袋為黑色，由PP聚丙烯材料制成，其徑向拉力標(biāo)準(zhǔn)超過25kN／m，而緯向拉力標(biāo)準(zhǔn)超過16.2kN／m.

表1 試驗所用淤泥土的物理力學(xué)指標(biāo)

1.1 抗壓強度特性

試驗在YE－200A型萬能液壓機上進(jìn)行，其最大加載重量為200t.為了減小試驗機上下加載臺面摩擦對土工袋的約束影響，每組試驗豎向疊放3層土工袋，如圖1所示.試驗前對土工袋施加10kN的預(yù)壓荷載5min，保證土工袋表面平整并使得內(nèi)部土體受力均勻.在下加載臺面安裝位移計，并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連.

圖1 土工袋抗壓強度試驗

試驗時，固定萬能試驗機的上加載臺，控制下加載臺以3.5cm／min的速率豎直向上移動，并利用動擺式測力計讀取豎向力，數(shù)據(jù)測讀周期為20s.當(dāng)豎向力數(shù)值基本穩(wěn)定后，表明土工袋已達(dá)到極限抗壓強度，此時停止加載.共完成兩組土工袋抗壓強度試驗.

圖2為淤泥土土工袋的壓縮過程及破壞后土工袋的狀況.土工袋在壓縮過程中有水滲出，隨著時間的延長，袋內(nèi)土體逐漸穩(wěn)定，豎向位移變小直到破壞.反映了編織袋良好的保土濾水效果.試驗結(jié)束后，土工袋呈扁平狀，破壞處在緯度方向中部位置，此處受拉最嚴(yán)重.破壞后土工袋的尺寸為73.2cm×54.5cm ×16cm.

圖2 土工袋壓縮過程與結(jié)束后的破壞狀態(tài)

圖3為兩次無側(cè)限抗壓強度試驗得到的土工袋豎向壓力與豎向應(yīng)變的關(guān)系曲線.破壞時的極限荷載分別為560kN與620kN，將其值分別除以破壞后的橫截面積（即73.2cm×54.5cm），得到極限抗壓強度為1.40MPa與1.55MPa，接近普通混凝土強度的1／10.足以說明將淤泥土裝入編織袋形成的土工袋能夠變廢為寶，使淤泥土在工程實踐中得到重新運用.

圖3 土工袋豎向壓力與豎向應(yīng)變的關(guān)系

1.2 袋內(nèi)土樣強度及含水率測定

無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)束后，土工袋內(nèi)部土體在ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀上進(jìn)行了抗剪強度測試.在3層土工袋中分別用環(huán)刀取得土樣，對每個典型土樣施加一組垂直應(yīng)力：50、100、150、200、250kPa.圖4為袋內(nèi)土樣在不同垂直壓力下的摩爾強度線.

圖4 各層土工袋內(nèi)部土體的摩爾強度線

可見，自上而下土工袋袋內(nèi)土體的凝聚力和摩擦角基本不變；但是相比天然淤泥土（c＝16kPa，φ＝5.9°），凝聚力有所降低，而摩擦角增大很多.袋內(nèi)土體的含水率測試結(jié)果見表2.可知平均含水率為46.5%，相比天然淤泥土（w＝50.4%），有所降低，主要是由于土工袋的濾水作用.

表2 抗壓試驗結(jié)束后土工袋內(nèi)部土體含水率測試

2 沉降固結(jié)試驗

為了預(yù)測施工過程中土工袋地基的沉降變形，對垂直荷載作用下的兩層淤泥土土工袋進(jìn)行了沉降固結(jié)試驗，如圖5所示.土工袋的制作及材料同第1節(jié)所述.

圖5 土工袋沉降固結(jié)試驗示意圖

鋼板與鐵桶總重300kg，作為第1級荷載；待土工袋沉降穩(wěn)定后，向鐵桶內(nèi)注水300kg作為第2級荷載.按照此步驟總共分4級荷載，見表3.

表3 土工袋沉降固結(jié)試驗荷載施加過程

沉降試驗長達(dá)49d.圖6為土工袋的沉降過程線.由于土工袋袋內(nèi)是淤泥土，每次加載瞬間沉降都會有突變，但很快就趨于穩(wěn)定.同時，隨著荷載級別的增加，沉降瞬變值逐漸變小，待固結(jié)穩(wěn)定需50～60d.

圖6 淤泥土工袋的沉降過程線

施工時對土工袋進(jìn)行一定碾壓，可消除加載瞬時沉降的影響.剔除加載瞬變值后，統(tǒng)計出各荷載級中沉降速率過程線，如圖7所示，并對其進(jìn)行對數(shù)擬合，得到沉降速率vh隨時間t的關(guān)系.

圖7 各級荷載下沉降速率變化曲線

由圖7可知，可令vh＝－A·ln（t）＋B.假設(shè)第i層土工袋填筑后達(dá)到ti天，則此后t時刻該層土工袋的沉降變形可以表示為

式中，參數(shù)A和B與荷載級別σ1有關(guān)；根據(jù)固結(jié)沉降試驗值，可得到不同荷載級別下的參數(shù)A、B，如圖8所示.

對其進(jìn)行對數(shù)擬合，得到參數(shù)與荷載級別的函數(shù)關(guān)系

圖8 參數(shù)擬合曲線圖

將式（2）、（3）代入式（1），推得沉降變形函數(shù)（4），再根據(jù)分層總和法S＝∑Hi，即得土工袋的累積沉降預(yù)測公式.

3 結(jié) 語

1）土工袋加固淤泥的原理有兩點：一是利用土工編織袋的保土濾水特性，裝在土工袋內(nèi)的高含水量淤泥在上部一定荷載作用下排水固結(jié)；二是利用土工袋的張力作用約束袋內(nèi)土體.

2）試驗得到淤泥土土工袋的無側(cè)限抗壓強度達(dá)普通混凝土的1／10左右，并遠(yuǎn)高于淤泥土本身的極限抗壓強度，實現(xiàn)淤泥土變廢為寶的功效.

3）淤泥土土工袋受壓后，袋內(nèi)土樣的含水率有所降低，摩擦角與天然土樣相比有所增大，而其凝聚力略有減小，但是袋內(nèi)土體的強度隨土工袋層數(shù)的變化不大.

4）加載瞬間，土工袋會有沉降瞬變，隨著荷載級別的增加，瞬變值逐漸變小.淤泥土土工袋的累計沉降量與施工時間和施工荷載級別有關(guān).

［1］ 季 冰，肖許沐，黎 忠.疏浚淤泥的固化處理技術(shù)與資源化利用［J］.安全與環(huán)境工程，2010，17（2）：54－56.

［2］ 黃繼昌.蘇州河污染底泥處置對策［J］.船舶，1997（1）：4－12，27.

［3］ 林瑞建.航道整治疏浚物得綜合利用［J］.珠江水運，2004（5）：26－27.

［4］ 王金華.航道疏浚淤泥出路問題的初探［J］.江蘇交通運輸，1994（4）：34－35.

［5］ MacFarlane F，Henry E，Boulemia C.Management approach of contaminated dredged materials for valorization in civil engineering applications to Dunkirk seaport［A］.Proceedings of the International Symposium of Recycling and Reuse of Waste Materials［C］.Dundee，United Kingdom：Thomas Telford Services Ltd，2003，143－154.

［6］ 梁文泉，何 真，李亞杰，等.土壤固化劑的性能及固化機理的研究［J］.武漢水利電力大學(xué)學(xué)報，1995，28（6）：675－679.

［7］ Matsuoka H，Liu S H.A New Earth Reinforcement Method Using Soilbags［M］.The Netherlands：A.A.Balkema Publishers－Taylor ＆Francis，2005.

［8］ 劉斯宏，汪易森.土工袋加固地基原理及其工程應(yīng)用［J］.巖土工程技術(shù)，2007，21（5）：221－225.

［9］ 劉斯宏，松岡元.土工袋加固地基新技術(shù)［J］.巖土力學(xué)，2007，28（8）：1665－1670.