袋装淤泥土土工袋的强度变形研究

高军军 刘斯宏 白福清

（1.河海大学水利水电学院，南京 210098；2.华东勘测设计研究院，杭州 310014）

淤泥土是一种常见的具有强度低、含水量高、压缩性大等工程特性的软弱粘土.在海滨围垦和河道疏浚工程中，往往会开挖出大量淤泥土.尤其是我国沿海地区，软弱淤泥土的分布极为广泛，珠江三角洲每年疏浚淤泥将近八千万方，而抛入海洋中的淤泥达两亿方左右［1］.目前处理淤泥土一般采取的方法主要有吹填造地、脱水处理、烧结制砖、抛泥处置、掺加固化剂等［2－6］.而土工袋技术［7－9］能够直接将现场开挖的淤泥土装入土工编织袋封口而形成新的结构体，使弃置的淤泥土得到重复利用.土工袋利用外力荷载下袋子的张力约束袋内土体，提高袋内土体整体的强度.同时，由于编织袋具有保土滤水的性能，外力荷载愈大，就愈促进袋内淤泥土的排水，从而加快稳定速度.本文对袋装淤泥土土工袋进行无侧限抗压强度试验研究，并对袋内土体的强度参数和含水率进行测定；再通过固结沉降试验研究淤泥土土工袋的沉降变形特性.

1 无侧限抗压强度试验

土工袋加固淤泥土的原理有两点：一是利用土工编织袋的保土滤水特性，装在土工袋内的高含水量淤泥在上部荷载作用下排水固结；二是利用土工袋的张力作用约束袋内土体.

试验中制作土工袋3只，每只装淤泥土约70kg，约占袋子最大容量的80%，土工袋的摊平成型尺寸：75cm×35cm×14cm（长×宽×高）.袋内淤泥土的物理力学参数见表1.编织袋为黑色，由PP聚丙烯材料制成，其径向拉力标准超过25kN／m，而纬向拉力标准超过16.2kN／m.

表1 试验所用淤泥土的物理力学指标

1.1 抗压强度特性

试验在YE－200A型万能液压机上进行，其最大加载重量为200t.为了减小试验机上下加载台面摩擦对土工袋的约束影响，每组试验竖向叠放3层土工袋，如图1所示.试验前对土工袋施加10kN的预压荷载5min，保证土工袋表面平整并使得内部土体受力均匀.在下加载台面安装位移计，并与数据采集系统相连.

图1 土工袋抗压强度试验

试验时，固定万能试验机的上加载台，控制下加载台以3.5cm／min的速率竖直向上移动，并利用动摆式测力计读取竖向力，数据测读周期为20s.当竖向力数值基本稳定后，表明土工袋已达到极限抗压强度，此时停止加载.共完成两组土工袋抗压强度试验.

图2为淤泥土土工袋的压缩过程及破坏后土工袋的状况.土工袋在压缩过程中有水渗出，随着时间的延长，袋内土体逐渐稳定，竖向位移变小直到破坏.反映了编织袋良好的保土滤水效果.试验结束后，土工袋呈扁平状，破坏处在纬度方向中部位置，此处受拉最严重.破坏后土工袋的尺寸为73.2cm×54.5cm ×16cm.

图2 土工袋压缩过程与结束后的破坏状态

图3为两次无侧限抗压强度试验得到的土工袋竖向压力与竖向应变的关系曲线.破坏时的极限荷载分别为560kN与620kN，将其值分别除以破坏后的横截面积（即73.2cm×54.5cm），得到极限抗压强度为1.40MPa与1.55MPa，接近普通混凝土强度的1／10.足以说明将淤泥土装入编织袋形成的土工袋能够变废为宝，使淤泥土在工程实践中得到重新运用.

图3 土工袋竖向压力与竖向应变的关系

1.2 袋内土样强度及含水率测定

无侧限抗压强度试验结束后，土工袋内部土体在ZJ型应变控制式直剪仪上进行了抗剪强度测试.在3层土工袋中分别用环刀取得土样，对每个典型土样施加一组垂直应力：50、100、150、200、250kPa.图4为袋内土样在不同垂直压力下的摩尔强度线.

图4 各层土工袋内部土体的摩尔强度线

可见，自上而下土工袋袋内土体的凝聚力和摩擦角基本不变；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.袋内土体的含水率测试结果见表2.可知平均含水率为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滤水作用.

表2 抗压试验结束后土工袋内部土体含水率测试

2 沉降固结试验

为了预测施工过程中土工袋地基的沉降变形，对垂直荷载作用下的两层淤泥土土工袋进行了沉降固结试验，如图5所示.土工袋的制作及材料同第1节所述.

图5 土工袋沉降固结试验示意图

钢板与铁桶总重300kg，作为第1级荷载；待土工袋沉降稳定后，向铁桶内注水300kg作为第2级荷载.按照此步骤总共分4级荷载，见表3.

表3 土工袋沉降固结试验荷载施加过程

沉降试验长达49d.图6为土工袋的沉降过程线.由于土工袋袋内是淤泥土，每次加载瞬间沉降都会有突变，但很快就趋于稳定.同时，随着荷载级别的增加，沉降瞬变值逐渐变小，待固结稳定需50～60d.

图6 淤泥土工袋的沉降过程线

施工时对土工袋进行一定碾压，可消除加载瞬时沉降的影响.剔除加载瞬变值后，统计出各荷载级中沉降速率过程线，如图7所示，并对其进行对数拟合，得到沉降速率vh随时间t的关系.

图7 各级荷载下沉降速率变化曲线

由图7可知，可令vh＝－A·ln（t）＋B.假设第i层土工袋填筑后达到ti天，则此后t时刻该层土工袋的沉降变形可以表示为

式中，参数A和B与荷载级别σ1有关；根据固结沉降试验值，可得到不同荷载级别下的参数A、B，如图8所示.

对其进行对数拟合，得到参数与荷载级别的函数关系

图8 参数拟合曲线图

将式（2）、（3）代入式（1），推得沉降变形函数（4），再根据分层总和法S＝∑Hi，即得土工袋的累积沉降预测公式.

3 结 语

1）土工袋加固淤泥的原理有两点：一是利用土工编织袋的保土滤水特性，装在土工袋内的高含水量淤泥在上部一定荷载作用下排水固结；二是利用土工袋的张力作用约束袋内土体.

2）试验得到淤泥土土工袋的无侧限抗压强度达普通混凝土的1／10左右，并远高于淤泥土本身的极限抗压强度，实现淤泥土变废为宝的功效.

3）淤泥土土工袋受压后，袋内土样的含水率有所降低，摩擦角与天然土样相比有所增大，而其凝聚力略有减小，但是袋内土体的强度随土工袋层数的变化不大.

4）加载瞬间，土工袋会有沉降瞬变，随着荷载级别的增加，瞬变值逐渐变小.淤泥土土工袋的累计沉降量与施工时间和施工荷载级别有关.

［1］ 季 冰，肖许沐，黎 忠.疏浚淤泥的固化处理技术与资源化利用［J］.安全与环境工程，2010，17（2）：54－56.

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