單向拉伸對土工織物覆砂系統(tǒng)滲透特性的影響試驗

肖 豪，滿曉磊，路承斌，葛 穎，戎夢玉，劉 慧

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

充填管袋筑堤技術(shù)因相較于土石壩的碾壓和拋投建造工藝有著低碳節(jié)能、工藝簡單、技術(shù)可靠、節(jié)省造價和工期可控等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用，并快速發(fā)展。其中，管袋的滲透特性是影響管袋壩整體穩(wěn)定性的一個重要影響因素，而充填管袋是由充填砂和土工織物組成的包裹系統(tǒng)。近幾十年間，國內(nèi)對于管袋壩的施工工藝、充填土體的脫水保土性能、充填管袋的穩(wěn)定性等方面進行了深入探索，為充填管袋滲透特性的研究奠定了理論基礎(chǔ)。

目前，國內(nèi)學(xué)者對充填管袋滲透特性的研究較為深入。蘇立君等[1]通過多種級配土料的常水頭滲透試驗最終得出不同級配土對滲透系數(shù)的經(jīng)驗公式。唐國航等[2]研究了土工布放置位置及其層數(shù)對滲透特性的影響規(guī)律,并推導(dǎo)了土工布埋深與土體滲透系數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。魏松等[3]通過進行不同等效孔徑的無紡織物滲透淤堵試驗總結(jié)了梯度比、滲透系數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律。吳海民等[4]通過室內(nèi)吊袋試驗研究總結(jié)出粉粒較高的填充土料的高效排水固結(jié)施工工藝。丁瑜等[5]通過分析多種級配粗粒土對滲透系數(shù)的影響得出不同粒徑下的影響程度不同。詹美禮等[6]進行室內(nèi)大尺度應(yīng)力-滲流耦合模型試驗，研究得到不同布置方式的應(yīng)力對管袋堆積體滲透特性的影響。滿曉磊等[7]通過對比無覆砂條件下的滲透系數(shù)得到土工織物能抑制砂料中的細(xì)顆粒流失。龐小朝等[8]通過自主改造的梯度比滲透儀對土工織物的淤堵情況進行分析。李國棟等[9]利用自主改進的梯度比滲透儀對兩種土工織物進行滲透試驗得出有紡?fù)凉た椢镙^無紡?fù)凉た椢锔菀装l(fā)生淤堵。吳綱等[10]研究了土工織物在覆土條件下的滲透系數(shù)與純土滲透系數(shù)的差異，得到覆粉砂條件下滲透系數(shù)略大于純粉砂的滲透系數(shù)。

但在實際施工中充填管袋的滲透特性不可避免地受到不同水流和擠壓變形的影響，因此，對這兩種條件下的滲透特性研究十分必要。梁健偉等[11]利用可變動水頭位置的常水頭試驗裝置對特細(xì)粘土進行滲透試驗得出水力梯度對滲透系數(shù)的影響關(guān)系。汪帥等[12]通過梯度比滲透裝置研究往復(fù)水流下雙向拉伸土工織物的保土性能，得出該條件下應(yīng)變的增大使土工織物的保土性減弱。莊艷峰等[13]利用自主研發(fā)的往復(fù)水流滲透試驗儀器研究了多種頻率水流對“土工織物-土”系統(tǒng)的影響原理。陳亮等[14]對充填管袋填充土料過程的研究分析得出管袋在充填過程中受力變形過程。滿曉磊等[15]利用不同縫制方向的土工織物進行吊袋試驗，研究得到緯絲應(yīng)力大于經(jīng)絲應(yīng)力時吊袋擁有更好的脫水性能。雷國輝等[16]利用自主研發(fā)的多功能滲透裝置研究了土工織物拉伸和荷載情況下的滲透特性。佘巍等[17]通過測定不同拉伸狀態(tài)下的織物孔徑得到土工織物受拉時的孔徑擬合公式。劉偉超[18]利用自主研發(fā)的裝置測定了土工織物在張力作用下的透水率。白彬等[19]利用自主研發(fā)的雙軸拉伸裝置和干篩法研究了土工織物的等效孔徑和拉應(yīng)變的關(guān)系。唐琳等[20]研究兩種類型土工織物在不同拉伸狀態(tài)的滲透特性，從而為實際施工打下基礎(chǔ)。Wu等[21]通過對單向拉伸的土工織物與土組成系統(tǒng)進行滲透實驗，得出土工織物等效孔徑對滲透流速的影響規(guī)律。

有紡?fù)凉た椢锏木幹品绞绞沟每椢锊煌较虻慕z線變形程度不一，經(jīng)絲變形相對緯絲較大。在施工過程中，相同的荷載沿經(jīng)、緯向分別作用在經(jīng)絲和緯絲上時會導(dǎo)致經(jīng)、緯絲變形程度不同，使得充填管袋滲透特性發(fā)生變化。Man等[22]在做室內(nèi)管袋充填試驗中發(fā)現(xiàn)經(jīng)緯絲受壓變形程度不一進而導(dǎo)致滲透特性發(fā)生變化。目前，國內(nèi)外針對充填管袋受力變形的試驗研究只是單軸拉伸和雙軸拉伸兩種類型，并未注意到經(jīng)緯絲不同程度變形對“土-土工織物”系統(tǒng)滲透性能的影響。因此，有必要繼續(xù)深入研究土工織物經(jīng)緯絲單向拉伸對系統(tǒng)滲透性能的影響。文中利用梯度比滲透儀分別對土工織物進行未拉伸未覆砂狀態(tài)下、未拉伸覆砂狀態(tài)下、經(jīng)緯向各拉伸3%覆砂狀態(tài)下進行試驗，以探尋經(jīng)緯向單向拉伸對其滲透特性的影響規(guī)律。

1 滲透試驗

1.1 試驗材料與設(shè)備

如圖1所示，試驗裝置為可進行常水頭滲透試驗的梯度比滲透試驗儀，在裝置上方固定一個高度放置儲水箱，保證試驗的常水頭條件。梯度比滲透試驗儀主體部分分為上下兩個圓筒，上筒的直徑D為200 mm，高度H為200 mm，下筒直徑D為200 mm，高度H為100 mm。梯度比滲透試驗儀主體部分中間使用法蘭盤固定單向拉伸后的土工織物。上筒和下筒布置了一層發(fā)泡膠帶，以保證在試驗過程中受到壓縮的發(fā)泡膠帶與土工織物充分結(jié)合，有效地阻止水流出和空氣進入，使得試驗數(shù)據(jù)非常精準(zhǔn)。梯度比滲透試驗儀中填充土料高度為200 mm，設(shè)置水力梯度為i=6.0。在梯度比滲透試驗儀上筒的下端開始每隔25 mm設(shè)置一個測壓管，共計4個測壓管。下筒設(shè)有出水口，用于測出水量，同時下筒還用于收集透過織物的土粒。所選土體級配見表1。

表1 土樣的顆粒級配

1.2 試驗方案

將沿經(jīng)向和緯向拉伸的土工織物在滲透裝置中分別進行未覆砂狀態(tài)下的透水試驗和覆砂狀態(tài)下的滲透試驗，具體試驗方案見表2。

表2 試驗方案

1.3 試驗過程

利用自主研發(fā)的梯度比滲透儀進行滲透試驗。首先將試驗所需的土工織物裁剪成矩形,然后安置在拉伸機上按照固定的速率和應(yīng)變進行拉伸，滲透儀拆分與拉伸完成的土工織物進行安裝，并裁剪多余的土工織物。取下梯度比滲透儀，按照固定級配配置好的土料均勻裝填在梯度比滲透儀中。土料填充完成后打開給水裝置，使得水流由出水口進入，控制水流流速使水流慢慢浸透土料。當(dāng)水完全浸透整體土料時，逐漸升高水頭高度最終至固定位置。試驗前浸泡12 h，使得土料中的氣泡排盡，降低不良影響。待浸泡完成時，將給水裝置與進水口連接，打開出水口，開始收集數(shù)據(jù)。每隔15 min測得一次數(shù)據(jù)，直至數(shù)據(jù)穩(wěn)定時結(jié)束試驗。試驗結(jié)束后，取出透過土工織物的顆粒進行烘干稱重，測得數(shù)據(jù)為漏砂量。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 經(jīng)緯向拉伸對透水性能的影響

將選取的兩種規(guī)格土工織物分別以10 mm·min-1的速率進行單向拉伸，兩種土工織物的經(jīng)、緯向絲分別拉伸至應(yīng)變?yōu)?%和3%。在常水頭條件下，對拉伸后的土工織物分別進行覆砂和無覆砂狀態(tài)滲透試驗。有無覆砂狀態(tài)下土工織物滲透速率如圖2、圖3所示。

圖2 無覆砂狀態(tài)下土工織物滲透速率

由圖2中工況一、三可以看出，在未覆砂條件下，相對于未拉伸狀態(tài)，沿經(jīng)絲單向拉伸后的兩種土工織物滲透速率均明顯減小，其中，工況一中試驗B的土工織物降低了67.6%，而工況三中試驗H的土工織物降低了34.4%；而沿緯絲拉伸后的兩種土工織物滲透速率均略有增加，其中，工況一中試驗C的土工織物增加了4.2%，而工況三中試驗I的土工織物增加了3.4%。說明土工織物沿經(jīng)絲方向受力會使土工織物的孔隙減小，因而導(dǎo)致其滲透速率明顯降低，這與滿曉磊等[7]就土工織物編織方式對充填管袋脫水速率的影響探究中所得到的結(jié)論不謀而合；并且沿經(jīng)絲方向拉伸相同程度時，單位面積重量越小的土工織物孔隙縮小程度越大，其滲透速率降低程度更明顯。而沿土工織物緯向拉伸，則會導(dǎo)致其孔隙變大，進而使拉伸后的土工織物在未覆砂狀態(tài)下的滲透速率較未拉伸時略有增加。

由圖3中工況二、四可以看出，在覆砂條件下，相對于未拉伸狀態(tài)，沿經(jīng)絲單向拉伸后的兩種土工織物滲透速率均略有減小，其中，工況二中試驗E的土工織物降低了32.0%，而工況四中試驗K的土工織物降低了27.1%；并且沿緯絲拉伸后的兩種土工織物滲透速率均有明顯增加，其中，工況二中試驗F的土工織物增加了18.6%，而工況四中試驗L的土工織物增加了101.6%。說明在覆砂狀態(tài)下，土工織物沿經(jīng)向拉伸依舊會使得織物孔隙變小，進而導(dǎo)致其滲透速率降低，但在覆砂狀態(tài)下，單位面積重量越大的土工織物在經(jīng)向拉伸后的滲透速率降低更明顯；而沿緯向拉伸則會使得土工織物的孔隙變大，進而導(dǎo)致其在覆砂狀態(tài)下的滲透速率明顯增加，且單位面積重量越大增加越明顯。

圖3 覆砂狀態(tài)下土工織物滲透速率

圖2和圖3對比分析得出，對于同種規(guī)格的土工織物進行同一方向相同程度的單向拉伸，其在未覆砂和覆砂狀態(tài)下的滲透速率有著明顯的差異。表現(xiàn)在以下幾個方面：

1)沿經(jīng)向拉伸后的土工織物相較于未拉伸的土工織物在未覆砂狀態(tài)下的滲透速率降低更為明顯，說明砂體會降低裝置內(nèi)水流的流速。

2)對于這兩種規(guī)格的土工織物，沿經(jīng)向拉伸相同程度后，無論是未覆砂還是覆砂狀態(tài)下，單位質(zhì)量越大滲透性能越好，且在覆砂狀態(tài)下土體對滲流的阻礙作用明顯。

3)沿緯向拉伸后的土工織物相較于未拉伸的土工織物在覆砂狀態(tài)下滲透速率增加比率要遠(yuǎn)大于未覆砂狀態(tài)下的滲透速率，說明在未覆砂狀態(tài)下的土工織物沿緯向拉伸與未拉伸對其滲透速率的影響可以近似忽略，而在覆砂狀態(tài)下時則不能忽略。

2.2 經(jīng)緯向拉伸對保土性能的影響

漏砂量可以直觀反映土工織物對填充砂樣的保土性能。圖4為土工織物在覆砂狀態(tài)下進行滲透試驗時的漏砂量。由圖4可知，無論是何種規(guī)格的土工織物，較未拉伸狀態(tài)下，經(jīng)向拉伸均會使漏砂量減少，而緯向拉伸則會使漏砂量增加。對于圖4進行橫向比較可知，無論是拉伸還是未拉伸的土工織物，其單位質(zhì)量越大漏砂量越多，保土性能就越差，其中,以沿經(jīng)向拉伸表現(xiàn)最為明顯。

圖4 經(jīng)緯向拉伸覆砂條件下的漏砂量

2.3 經(jīng)緯向拉伸對防淤堵性能影響

針對本試驗選取的梯度比GR的計算公式為

(1)

式中:H1-2為測壓管1號管和2號管間的水位差,cm；H2-3為測壓管2號管和3號管間的水位差,cm；&為土工織物的厚度,cm。

如圖5所示為工況二與工況四中各組試驗的梯度比隨時間的變化規(guī)律，可知工況二與工況四中各組試驗在滲透過程中的梯度比隨試驗時間的變化大體一致；均隨試驗時間的延伸而增加，且在16 h后趨于穩(wěn)定。

圖5 梯度比GR隨時間的變化曲線

如圖6所示為覆砂狀態(tài)下的土工織物在滲透穩(wěn)定后的梯度比。由圖6可知，相較于未拉伸狀態(tài)下的土工織物，沿經(jīng)向拉伸的土工織物梯度比會增加，且單位質(zhì)量越小的土工織物增加得越明顯；而沿緯向拉伸則會導(dǎo)致土工織物的梯度比降低，且單位質(zhì)量越大降低得越明顯。表明經(jīng)向拉伸使得土工織物的防淤堵性能減弱；緯向拉伸使得土工織物的防淤堵性能增強。經(jīng)向拉伸影響土工織物的防淤堵性能效果比緯向拉伸要大。由于制造工藝的原因，經(jīng)向拉伸使得織物更加密實，有效孔徑減少，更易造成淤堵。土工織物的厚度對防淤堵性能的影響表現(xiàn)為越厚的土工織物無論拉伸還是未拉伸其梯度比都較大。

圖6 經(jīng)緯向拉伸覆砂條件下的梯度比

對于圖6進行橫向比較可知，在相同的拉伸條件下，單位質(zhì)量越大的土工織物梯度比越高，初步判斷是由于土工織物發(fā)生嚴(yán)重淤堵所造成。為了更加客觀全面地評價土工織物與不連續(xù)級配土組成系統(tǒng)的淤堵情況，對土工織物與不連續(xù)級配土組成系統(tǒng)的滲透系數(shù)進行計算分析，試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 經(jīng)緯向拉伸覆砂條件下的滲透系數(shù)

由圖7可以看出，較未拉伸狀態(tài)下的土工織物而言，經(jīng)向拉伸會使土工織物覆砂系統(tǒng)的滲透系數(shù)減小，其中，土工織物單位質(zhì)量越小減小得越明顯；而沿緯向拉伸則會使土工織物覆砂系統(tǒng)的滲透系數(shù)增加，其中，土工織物單位質(zhì)量越大增加得越明顯。結(jié)果表明，經(jīng)向拉伸后的土工織物滲透系數(shù)會減小，緯向拉伸后的土工織物滲透系數(shù)會增大。工況二的土工織物與不連續(xù)級配土組成系統(tǒng)的滲透系數(shù)在未拉伸和經(jīng)向拉伸條件下的滲透系數(shù)要比工況四大，緯向拉伸下的滲透系數(shù)與工況四較為接近。結(jié)合上面數(shù)據(jù)分析，在試驗過程中，土體中上層小顆粒逐漸下移造成土工織物淤堵，工況四土工織物的等效孔徑較大，漏砂量較多，大量的細(xì)砂流失造成土體坍塌變得密實，因此，工況四的滲透系數(shù)較工況二要小。

以上4個參數(shù)間接證明了土工織物在經(jīng)向拉伸應(yīng)變至3%時，土工織物的等效孔徑變?。辉诰曄蚶鞈?yīng)變至3%時，土工織物的等效孔徑變大。

3 結(jié) 論

1)經(jīng)緯向拉伸對土工織物各方面的影響效果不同，對于經(jīng)緯向拉伸后的滲透性能的參數(shù)應(yīng)綜合分析。在實際運用中應(yīng)當(dāng)依據(jù)實際需要采取合理的措施以達到最優(yōu)選擇。

2)經(jīng)向拉伸使得有紡織物的透水性能和防淤堵性能減弱，保土性能增強；緯向拉伸使得有紡織物的透水性能和防淤堵性能增強，保土性能減弱。土工織物的厚度對其透水性能、保土性能和防淤堵性能的影響不可忽視。

3)本實驗結(jié)果表明有紡?fù)凉た椢镌诮?jīng)向拉伸下等效孔徑變?。辉诰曄蚶煜碌刃Э讖阶兇?。有紡織物由于制造工藝的原因造成經(jīng)絲呈彎折狀，經(jīng)向拉伸導(dǎo)致整個平面密實，等效孔徑變小。但土工織物在更大的拉伸應(yīng)變下是否遵循該規(guī)律仍需繼續(xù)研究。