袋體織物縫制方式對(duì)管袋脫水性能的影響

滿曉磊 汪萬(wàn)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(duì)近海、河口地區(qū)的保護(hù)性開(kāi)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(kù)、深水航道整治、沿海港口碼頭、沿海機(jī)場(chǎng)、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(guò)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(guò)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(wèn)題也自然成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題．

關(guān)于充填管袋的脫水固結(jié)問(wèn)題，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了理論研究．閆玥，閆澍旺，邱長(zhǎng)林，等[2]提出了我國(guó)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(guò)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(duì)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(duì)管袋充填特性的影響．國(guó)內(nèi)外學(xué)者在對(duì)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(guò)濾試驗(yàn)、枕狀充填袋試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)大型充填試驗(yàn)等，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別基于以上方法對(duì)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(kāi)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(guò)程中排出的水和細(xì)顆粒土料的室內(nèi)模擬試驗(yàn)．通過(guò)對(duì)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(jiǎn)便，因此經(jīng)常被用于對(duì)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(duì)比分析．常廣品，束一鳴，尹家春，等[6]通過(guò)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(duì)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(wú)壓脫水過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)充填試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)管袋充填過(guò)程的觀測(cè)，得到了充填過(guò)程中管袋的高度形態(tài)變化，并通過(guò)對(duì)排水固結(jié)過(guò)程中袋體高度下降過(guò)程的監(jiān)測(cè)，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(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jí)配等指標(biāo)，對(duì)比分析了不同施工方法對(duì)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(guò)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(guó)內(nèi)外許多學(xué)者也專(zhuān)門(mén)針對(duì)充填管袋的受力變形問(wèn)題以及土工織物在受力、變形條件下的滲透特性開(kāi)展了深入研究．

Catre等[12]利用攝影測(cè)量法[13]對(duì)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(duì)充填管袋在填充過(guò)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(duì)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(duì)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(wú)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(duì)于較薄的土工織物，其等效孔徑隨著拉力的增大而增大，說(shuō)明拉力對(duì)土工織物滲透系數(shù)的影響不可忽略；陳輪,童朝霞[17]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了拉應(yīng)變對(duì)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(lèi)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(guó)內(nèi)外關(guān)于土工織物滲透性能研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guó)輝，吳綱，姜紅，等[20]考慮到土工織物與充填土料對(duì)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(wú)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(wú)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(wú)應(yīng)力狀態(tài)下，土工織物緯絲幾乎無(wú)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(guò)對(duì)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(shuō)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(duì)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(duì)該問(wèn)題進(jìn)行研究，試驗(yàn)過(guò)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(duì)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(duì)充填管袋的應(yīng)力分析，得出袋體土工織物縫制方式對(duì)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(lèi)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(jí)配曲線如圖4所示．

圖4 試驗(yàn)土料級(jí)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(jiàn)表1．

表1 室內(nèi)試驗(yàn)方案

如圖5所示，吊袋試驗(yàn)的過(guò)程為：稱(chēng)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(chēng)盤(pán)，每隔規(guī)定時(shí)間將吊袋下的秤盤(pán)置換、稱(chēng)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(duì)每段時(shí)間內(nèi)滲透出的泥水稱(chēng)重，并靜置、烘干再次稱(chēng)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(guò)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(kāi)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(kāi)始階段隨時(shí)間呈現(xiàn)鉛直線型增長(zhǎng)，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(shì)與圖6中試驗(yàn)A的趨勢(shì)大體一致．說(shuō)明在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中橫向吊袋與縱向吊袋的脫水均集中于試驗(yàn)開(kāi)始階段．

2)試驗(yàn)A、B在試驗(yàn)開(kāi)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(shì)高度相似，均在試驗(yàn)開(kāi)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(guò)滲土累計(jì)量的對(duì)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(guò)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(shì)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(guò)程中脫水速率存在波動(dòng)現(xiàn)象，而試驗(yàn)B無(wú)此現(xiàn)象，說(shuō)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(shuō)明在脫水過(guò)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(jiǎn)化，并對(duì)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(jiǎn)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(jiàn)，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(jiǎn)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(duì)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(chēng)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(duì)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(chēng)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(shuō)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(guó)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(shuō)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．