冲刷试验下土工织物袋物理力学性质变化规律

张 静，丁金华

（长江科学院岩土重点实验室，武汉 430010）

冲刷试验下土工织物袋物理力学性质变化规律

张 静，丁金华

（长江科学院岩土重点实验室，武汉 430010）

通过定水头冲刷模拟试验，对土工织物的物理、水力学、力学参数进行了分析。研究结果表明，对于充砾或充砂的土工织物袋，冲刷会使填料中的细粒嵌入土工织物孔隙，导致织物的单位面积质量及厚度增加，等效孔径O95降低。在流速3.1～4.1 m／s条件下，充砾土工织物袋在冲刷3 h内不会引起强度的明显衰减，冲刷24 h后袋体易产生局部破坏，强度可能降低20%左右，但填料的粗骨架仍可维持袋体的整体性。而充砂土工织物袋强度及延伸率变化不大，袋体局部受损情况要好于充砾土工袋，但在冲刷10 h后织物产生不均匀变形，在模型槽末端流速为2.0 m／s的部位，未见袋体明显破损。通过对比分析冲刷前后土工袋物理、水力学、力学参数的变化，发现物理性参数难以反映冲刷对材料特性的影响，选用拉伸强度等力学性质参数作为材料抗冲刷性能的反映指标较合理。

冲刷试验；土工织物；物理性质；力学性质；水力学性质

1 概 述

土工织物编织袋（下称土工袋）与混凝土块或砂、土等结合组成软体沉排或砂、土、石袋等，可以用作江、河堤岸的防护，防止水流直接冲刷堤岸或波浪冲淘，替代传统的砂砾反滤料［1］，具有整体性好、施工方便、柔性大、适应变形能力强等优点，已在国内外的护岸工程中应用得非常普遍。常规的护岸结构设计大多是针对土工织物软体砂被、砂枕、软体沉排或模袋进行排体的抗漂浮稳定性、抗掀动稳定性、排面抗滑稳定性以及排体压重等整体性能指标进行核算和验证，对于组成排体或土袋的土工织物材料本身仅笼统规定应满足受力要求，有足够的抗拉强度和抗刺破、顶破强度等。但实际上，由于土工袋在水下承受反复的动水冲刷和浪击，且一般袋体中均充填了一定密度和容积的砂砾，在高速动水冲击以及填料棱角磨损等作用下，袋体材料必然产生变形，强度发生变化，最后可能出现局部破损情况，导致袋内填料被水流淘刷，护岸结构的整体稳定性降低。因此土工袋在水流冲刷条件下的材料强度、稳定性是影响护岸工程长期稳定的决定性因素，也是设计中的重要参数。但目前有关土工织物抗冲刷性能的研究成果在国内外都非常缺乏，土工合成材料试验规范或标准中均没有对冲刷试验方法的规定。因此，对土工织物进行室内冲刷模型试验，探索土工袋抗冲刷性能的测试方法，比较并明确土工袋抗冲刷性能的反映指标，最终获得特定水流冲刷条件下土工袋的物理力学性能变化规律，可为土工袋应用于护岸工程提供合理的指标依据。

2 材料与方法

2.1 试验材料

试验材料为土工织物袋。

2.2 试验方法

冲刷试验采用高压冲刷试验系统进行，该模型系统包括高压泵、循环供水系统、上游蓄水池、混凝土模型槽以及量测系统等，通过对供水流量、水头及尾水位的调节可实现不同流速，并可对任意过水断面的水位、流速等参数进行测量。土工织物袋的力学性能试验采用微机控制电子万能试验机进行，拉伸试验按照规范规定采用宽条法，其拉伸强度和拉伸延伸率取试样受拉后对应断裂时的最大拉力及延伸率。厚度采用土工织物厚度仪进行测量，按照规范取2 kPa压力下对应的厚度。单位面积质量采用电子天平进行称量。等效孔径一般取O95［2］，是指当通过土工织物的颗粒重量与粒料总重量之比为5%时对应的粒径尺寸，又可以称为土工织物的表观最大孔径，是反映织物的透水性能与保持土颗粒能力的重要指标。采用振筛机进行干筛法获得。垂直渗透系数是指当水流垂直于土工织物平面水力梯度等于1时的渗透流速，采用土工织物垂直渗透试验仪进行。

3 试验设计

首先对未充填填料的原状土工织物进行各项指标的测试，然后再对土工织物袋充填填料，进行各项指标的测试。充填材料包括砾类土和砂类土2种，粒径分布见表1及表2。填充时，按照体积－重量法控制，在60 cm×80 cm的土工袋中填充约45 kg填料，集中叠放在冲刷模型槽底部，并加以固定。土工袋纵向为顺水流的冲刷方向。针对不同充填料的土工袋，分别进行冲刷时间为3，10，24 h的冲刷试验，每次试验都实时监测不同过流断面的流速。达到预定的冲刷时间后，将叠放的土工袋取出，抖去表面粘附的充填料，晾干后进行物理、力学及水力学性能试验。为了消除在土工袋装填填料及运输安放过程中对袋体材料的损伤所引起的性能变化，以袋体迎水面材料作为直接受到冲刷影响后检测的依据，同时对背水面材料也进行了检测，二者的差异性即可用来评价冲刷的影响。试验控制起始断面流速为4 m／s左右，这与近年对长江中下游近岸流速资料的分析结果相一致，汛期从降雨结束至洪峰一般历时20 h左右，最大流速可达4 m／s［3］。

表1 充填料（砾）的粒径分布Table 1 Particle size distribution of the gravel filler

表2 充填料（砂）的粒径分布Table 2 Particle size distribution of the sand filler

4 结果分析

4.1 原状土工袋的基本性质

对原状土工袋进行了物理、力学及水力学性能检测［2，4］，其单位面积质量为127.60 g／m2，厚度为1.27 mm，等效孔径O95为0.138 mm，渗透系数为1.37×10－1cm／s。拉伸试验成果表明，其纵、横向的拉伸强度及延伸率基本一致（应力应变曲线见图1），纵向拉伸强度为5.01 kN／m，延伸率为46.18%，横向分别为4.95 kN／m和48.20%，且相应的变异系数基本上都小于20%（除横向拉伸强度之外），可以认为材料的不均匀性在检测样品范围内较低，其中纵向的不均匀性较横向更低一些。

图1 土工袋应力应变曲线（原状）Fig.1 Stress-strain curves of geotextile bags in prototype

表3是不同试验方案对应的土工袋单位面积质量及厚度等物理性能指标的变化情况。可见，水流短期冲刷使得部分细粒不可避免地被嵌入土工袋孔隙之中，且试验后无法去除，导致单位面积质量有所增加，相应的厚度也增大。

表3 各冲刷试验方案得到的土工袋物理性能指标统计表Table 3 Physical indexes of geotextile bags under the various scouring experiments

4.3 冲刷对土工袋水力学特性的影响

表4为冲刷后土工袋的等效孔径及垂直渗透系数的变化。由于填料中细粒的嵌入，导致织物的等效孔径明显降低，但垂直渗透系数基本上变化不大。

4.4 冲刷对土工袋力学性能的影响

4.4.1 不同预处理方式对强度的影响

考虑到填料土工袋在冲刷前经过了装填、运输及浸水等过程，可能对材料的性能产生影响，因此，进行了原状土工袋浸水以及装填并浸水2种状态下的比较试验。前者是将原状土工袋浸泡于清水中24 h，然后取出晾干进行拉伸试验，后者是将砾料按规定的填充率装填入土工袋中，并浸泡于清水中24h，取出晾干后同样进行拉伸试验。表5为不同状态下土工袋的纵向拉伸强度及延伸率。

与原状土工袋相比，经过浸水及装填并浸水预处理后的材料其拉伸强度略有提高，可能与纤维的定向排列及相互之间摩擦咬合方式的改变有关，有关的原因和机理还有待于进一步的研究才能探明。

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4.4.2 充砾土工袋冲刷后的强度变化

表6为充砾土工袋在不同冲刷时间条件下得到的力学性能指标统计，其中对应每一种冲刷方案均进行了迎水面和背水面袋体材料的拉伸试验，二者之间的差异可直接反映水流冲刷的影响。

从表中各种条件对应的变异系数来看，纵向拉伸强度的变异系数在5.44%～16.35%之间，横向拉伸强度变异系数范围8.33%～13.65%，纵向延伸率5.45%～15.44%，横向延伸率8.35%～11.81%，均小于20%，可以认为试验前后检测取样的方式及数量满足要求，得到的强度和延伸率成果可以作为反映材料性能的依据。

表4 各冲刷试验方案得到的土工袋水力学特性指标统计表Table 4 Hydraulic properties of geotextile bags under the various scouring experiments

表5 不同状态下土工袋的力学性能变化统计表Table 5 M echanical properties of geotextile bags under different experiments

表6 不同冲刷试验方案得到的充砾土工袋力学性能变化统计表Table 6 Mechanical properties of geotextile bagswith the gravel filler under different scouring experiments

与原状土工袋相比，冲刷试验后的袋体延伸率降低，强度略有提高，但变化幅度不超过10%。考虑到不同预处理方式对强度的影响，并以预处理方式2（装填及浸水）得到的材料强度做比较的基础，可见，充砾土工袋在冲刷3h内强度的变化不明显。但当冲刷时间达到24 h时，迎水面的纵向拉伸强度较之同样情况下未受冲刷的背水面材料强度降低了约23%，且观察可见袋体织物多处有局部的损伤，甚至顶破现象。说明在长期高速动水作用下，填料棱角与袋体之间的摩擦作用会导致材料强度和完整性的明显损耗。

4.4.3 充砂土工袋冲刷后的强度变化

表7为充砂土工袋在不同冲刷时间条件下得到的力学性能指标统计，纵、横向的拉伸强度及延伸率的变异系数均小于20%。

与充砾土工袋的试验成果相似，3 h内充砂土工袋的迎水面强度较背水面未见降低，当冲刷时间达到10 h后，迎水面纵向强度较之背水面降低了约3%，也可以认为材料的强度从统计平均值上来看没有变化，但是从范围值看，最低强度值降低了约23%，变异系数也有所增大，说明水流冲刷引起袋体材料的不均匀变形仍然很明显。冲刷时间为24 h的变化趋势与此相似。与填充粗砾不同的是，由于砂料的粒径较小，袋体土工织物即便局部仅有微小破损，袋中的填料也会很快被水流全部带走，而使土工袋丧失整体性。试验表明大约在冲刷6 h后部分充砂土工袋的填料全部流失。从冲刷时间来看，24 h后的迎水面纵向拉伸强度较3 h时降低了约10%左右，说明冲刷时间越长，袋体材料强度的损耗越明显。

表7 不同冲刷试验方案得到的充砂土工袋力学性能变化统计表Table 7 Mechanical properties of geotextile bagsw iht sand filler under the different scouring experiments

5 结 论

（1）对于充砾或充砂的土工织物袋，冲刷会使填料中的细粒嵌入土工织物孔隙，导致织物的单位面积质量及厚度增加，等效孔径O95降低，渗透系数的变化不大，仍在10－1量级。

（2）在流速3.1～4.1 m／s条件下，充砾土工织物袋在冲刷3 h内不会引起强度的明显衰减，冲刷24 h后袋体易产生局部破坏，强度可能降低20%左右，但填料的粗骨架仍可维持袋体的整体性。

（3）在流速3.1～4.1 m／s条件下，冲刷时间在24 h内，充砂土工织物袋强度及延伸率变化不大，袋体局部受损情况要好于充砾土工袋，但在冲刷10 h后织物产生不均匀变形，在模型槽末端流速为2.0 m／s的部位，未见袋体的明显破损。但充砂土工袋的袋体如果存在局部破损现象，则细颗粒填料可能会被高速水流冲走而使土工袋丧失其整体稳定性。

（4）通过对冲刷前后土工袋物理、力学、水力学性能指标的检测，可认为物理性参数难以反映冲刷对材料特性的影响，而渗透系数基本没有变化，选用力学性质参数（拉伸强度）作为材料抗冲刷性能的反映指标是合理可行的。

（5）本次针对土工织物袋的冲刷试验，模拟的工况与河道护岸工程略有差别，但从流速、冲刷时间以及土工袋的结构性来看，基本上考虑了实际应用中的极端工况，得到的成果可供护岸工程设计参考。

（6）本次试验仅从水流（清水）冲刷对土工袋工程特性的影响方面进行了初步研究，实际土工袋护岸工程中的影响材料特性的因素还有很多，如暴露于大气中的氧化、老化作用、往复水流的淘刷作用、含泥砂水流的冲刷作用，以及生物和人为破坏等，都会对袋体材料性质以及结构的整体稳定性造成影响，更深入全面的探讨还有待于进一步的研究工作。

［1］ 岳红艳，余文畴.长江河道崩岸机理［J］.人民长江，2002，33（8）：20－24.（YUE Hong-yan，YUWen-chou.Mechanism of Changjiang River course collapse［J］.Yangtze River，2002，33（8）：20－24.（in Chinese））

［2］ SL／T235－1999，土工合成材料测试规程［S］.（SL／T235－1999，Code for test and measurement of geosynthetics［S］.（in Chinese））

［3］ 《中国海洋年鉴》编纂委员会.中国海洋年鉴（2002－2007）［M］.北京：海洋出版社.（Editorial Board of anual book of China Ocean.Annual Book of China Ocean（2002－2007）［M］.Beijing：Ocean Press，2002－2007.（in Chinese））

［4］ GB50290－98，土工合成材料应用技术规范［S］.（GB50290－98，Technical standard for applications of geosynthetics［S］.（in Chinese））

［5］ 《土工合成材料工程应用手册》编写委员会.土工合成材料工程应用手册（第二版）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2000.（Editorial Board of Applications Handbook of Geosynthetics.Applications Handbook of Geosynthetics（Second edition）［M］.Beijing：China Construction Industry Press，2000.（in Chinese））

（编辑：王 慰）

Experimental Study on Variation of Physical Properties of Geotextil Bags by Using Scouring M ethod

ZHANG Jing，DING Jing-hua
（Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Physical，mechnics and hydraulic properties of geotextile bagswere studied in this paper by using scouring experiments.The results indicated as follows：For ecological bags with gravel or sand filler，the washout can cause the fine grainmaterial filling into the gaps of geotextile，and thus，result in weight and thickness of unit area increase and the equivalent opening size O95is reduced.When flow velocity is3.1－4.1 m／s，the strength of geotextile bagswith gravel filler is not obviously weakened in 3 hours，but partial damage will appear on bags and the strength is reduced by about20%while the unity of the bags is unalterable.For ecological bagswith sand filler，its strength and integrity is basically constant and partial damage is better than bagswith gravel filler.However，heterogeneous deformation happens after 10-hour wash.At the terminal of the experimental flume with flow velocity 2.0 m／s，damages do not appear on the bags.By comparisons of physical，mechanics and hydraulic properties before and after the experiment，this proves that physical properties can not reflect the effectofwash onmaterial characteristics.Themechanical properties such as tensile strength etc.aremore suitable indicators to reflect the erosion-resistant characteristics ofmaterials.

scouring experiment；geotextile；physical property；mechanical property；hydraulic property

S157

A

1001－5485（2010）11－0067－04

2010-09-10

张 静（1960-），女，河北阜城人，工程师，主要从事土力学试验和土工合成材料检测方面的研究，（电话）027-82927645（电子信箱）zhangjing2008－12＠sohu.com。