袋体织物缝制方式对管袋脱水性能的影响

满晓磊 汪万升 刘广英 邸云菲 鲍永健

(滁州学院 土木与建筑工程学院， 安徽 滁州 239000)

随着对近海、河口地区的保护性开发，充填管袋坝筑堤技术依靠其就地取材、适应地基变形能力强、施工速度快、造价低等优点被广泛应用于河口蓄淡水库、深水航道整治、沿海港口码头、沿海机场、海堤及防波堤、滩涂围垦等河口、海岸工程中[1]．管袋堤坝一般由若干层管袋堆叠而成，每层管袋的施工过程分为水力造浆、充灌和脱水固结3个阶段．在完成充灌后，利用缝制管袋土工织物的保土性和透水性，袋内的水流带着少部分细颗粒通过土工织物孔隙排出，而充填泥浆中的粗颗粒在自重作用下逐渐沉淀并脱水固结，待本层管袋固结后方可进行上层管袋的施工；因此，管袋堤坝的施工工期与充填管袋的脱水固结速率紧密相关，而充填管袋的脱水固结问题也自然成为了国内外学者研究的热点问题．

关于充填管袋的脱水固结问题，许多国内外学者进行了理论研究．闫玥，闫澍旺，邱长林，等[2]提出了我国工程常用的扁平型充填管袋的设计计算方法，并通过计算得出了扁平充填管袋的尺寸、形态、泵送压力、泥浆重度与拉应力的关系；Malik等[3]对比研究了利用单一充填料与多种密度填料组成的复合充填料进行充填时管袋的不同充填特性，进而分析得出充填料的密度对管袋充填特性的影响．国内外学者在对充填管袋脱水性能进行理论性研究的同时，也进行了很多试验方面的研究．充填管袋脱水固结试验方法主要包括吊袋试验、加压过滤试验、枕状充填袋试验以及现场大型充填试验等，国内外学者分别基于以上方法对土工织物与充填料的相互作用特性进行了试验研究．

吊袋试验[4, 5]是将土工织布缝合成一个圆筒型，底部封闭顶部开口并固定在支架上，在袋子下面放置一收集容器以收集试验过程中排出的水和细颗粒土料的室内模拟试验．通过对收集的水和充填土料的分析，可以得到吊袋的脱水性能及土工织物的保土性能．该试验方法所用模型较小，且操作简便，因此经常被用于对不同土工织物和充填土料组合后的脱水、保土特性进行定性对比分析．常广品，束一鸣，尹家春，等[6]通过吊袋试验探究了充填土料含粘量、管袋袋壁的拍打扰动、管袋袋布等效孔径等因素对充填管袋脱水效率的影响，并提出了一种管袋填充高含粘量泥浆时的高效脱水施工方法：充排结合、边充边排，该方法的脱水效果在室内单元管袋脱水模型试验中也得到了验证[7]．

实际工程中管袋的充填是在一定冲灌压力下进行的，而吊袋试验只能模拟管袋的无压脱水过程，因此Moo-Young等[8]在吊袋试验的基础上进行了改进，提出了加压过滤试验这一试验方法．该方法所用试验装置的主体为圆筒，底部固定土工布试样，筒体顶部连接加压装置，在筒体下方放置一收集容器，用以收集试验过程中排出的水和细颗粒土料．利用该装置可完成不同渗透水头、不同充填土料以及不同土工织物的组合下系统的脱水性能与保土性能等．为避免吊袋试验所用袋子的形状对脱水性能的影响，Tom Stephens等[9]将土工织物缝制成接近充填管袋形状的枕头形袋子，袋子顶部用法兰连接充填管，充填管内液柱高度能实时显示冲灌压力，袋子的底部放置收集容器用以收集排出的水和细颗粒土料．利用该装置分别对不同充填土料的枕状袋进行脱水试验，试验结果表明充填土料对整个管袋的渗透特性有显著影响．

除了室内模型试验研究，很多学者还进行了大型现场充填试验．Shin等[10]分别采用砂和粘土两种充填料进行土工管袋现场充填试验，通过对管袋充填过程的观测，得到了充填过程中管袋的高度形态变化，并通过对排水固结过程中袋体高度下降过程的监测，提出了充填袋排水后袋子形状变化的计算方法；吴海民，束一鸣，常广品，等[11]通过现场大型充填管袋脱水模型试验，验证了前期室内试验研究提出的放水排泥、充排结合的快速脱水施工方法，通过实时监测不同施工方法下充填管袋不同部位土体的含水率、固结度、孔隙水压力、干密度和级配等指标，对比分析了不同施工方法对充填管袋脱水固结速度的影响，结果表明放水排泥、充排结合的施工方法具有可行性，且有助于充填管袋的脱水固结．

工程实践表明，在充填管袋脱水固结过程中，土工织物受力、变形等条件的变化会直接影响土工织物的渗透性能，进而影响充填管袋的整体脱水性能，因此国内外许多学者也专门针对充填管袋的受力变形问题以及土工织物在受力、变形条件下的渗透特性开展了深入研究．

Catre等[12]利用摄影测量法[13]对考虑土工织物袋在产生一定应变条件下的袋体特性进行了理论研究；靳向煜，朱远胜，王俊[14]对充填管袋在填充过程中管袋不同方向的变形及受力情况进行了试验研究，试验结果表明，管袋横截面上变形最小的点位于袋体最大宽度处．Wu等[15]对土工织物沿纬向施加单向拉力后进行透水试验和梯度比试验，试验结果表明土工织物在受到单向拉伸时等效孔径会增大，渗透系数随之增大；Fourie等[16]对不同厚度的土工织物进行了单向拉伸和双向拉伸试验，试验结果表明无论是单轴还是双轴拉伸作用下，土工织物的等效孔径均会随拉力的变化而变化．较厚织物的等效孔径随着拉力的增加而减小，而对于较薄的土工织物，其等效孔径随着拉力的增大而增大，说明拉力对土工织物渗透系数的影响不可忽略；陈轮,童朝霞[17]通过室内试验研究了拉应变对土工织物的渗透特性的影响，试验结果表明拉应变会使土工织物发生淤堵，且淤堵程度随拉应变的增大而加重，进而降低土工织物的渗透性能．Hong等[18]研究了持续荷载、脉冲荷载以及复合荷载等不同类型的荷载作用下土工织物渗透系数的变化，试验结果表明，土工织物系统的整体渗透系数均随荷载的增大而增大．白建颖,夏启星[19]在总结国内外关于土工织物渗透性能研究的基础上，通过定性分析，总结了土工织物的微观结构及其渗透原理，并通过定量分析，建立了水头差与渗流流速的的经验关系式．

上述研究表明土工织物管袋在充填及使用过程中受到一定的张力作用，而且在其所受的张力作用下，土工织物渗透性会有所变化；但是充填管袋脱水固结过程是在土工织物与充填料的共同作用下进行的，不仅仅由土工织物本身渗透特性决定，需要考虑土工织物与充填料的整体渗透特性．

雷国辉，吴纲，姜红，等[20]考虑到土工织物与充填土料对系统渗透性能的耦合影响进行了土工织物在双向拉伸状态及无拉伸状态下覆土渗透试验，试验结果表明，在双向拉伸状态下的渗透性能和无拉伸状态下系统的渗透性能有着明显不同，在双向等应力拉伸条件下系统的整体渗透系数先变小后变大．但是，在实际管袋工程中，充填管袋的径向和轴向受力是不同的，因此土工织物经纬向受力也不同，且差别较大，故双向等应力拉伸的研究并不能很好地贴合实际工程．而且，受土工织物的编织方式影响，在无应力状态下，土工织物纬丝几乎无变形现象(如图1(a)所示)，而土工织物经丝变形较为严重，呈现波浪状(如图1(b)所示)；通过对土工织物单向拉伸试验还发现，土工织物的孔隙在受到径向拉伸时会变小(如图2所示)，而沿纬向拉伸土工织物时，其孔隙会变大(如图3所示)．

图1 土工织物丝

图2 经向土织物受力 图3 纬向土织物受力

以上现象进一步说明，有必要结合充填管袋的应力状态考虑土工织物经、纬向受力的不同对充填管袋排水速率的影响．因此，本文采用吊袋试验方法对该问题进行研究，试验过程中按土工织物的经向与纬向将吊袋分为横向吊袋和纵向吊袋，即当土工织物经丝与吊袋径向一致时，此时经丝应力大于纬丝应力，此吊袋为纵向吊袋；当土工织物经丝与吊袋环向一致时，此时经丝应力小于纬丝应力，此吊袋为横向吊袋．以横向吊袋和纵向吊袋进行对照试验研究，得出脱水与渗土速率规律；进而结合对充填管袋的应力分析，得出袋体土工织物缝制方式对充填管袋脱水固结速率的影响因素．

1 吊袋试验

1.1 试验土料与吊袋材料的选择

充填管袋所用砂料一般多采用亚砂土、粉细砂类土料，因此，依据土工织物充填管袋土料宜采用砂性土的相关规定[21]，配制本试验所用土料，其级配曲线如图4所示．

图4 试验土料级配曲线

吊袋制作材料为充填管袋常用的土工编织物，其单位面积质量为150 g/m2，厚度为0.67 mm，等效孔径为0.08～0.5 mm，按照土工织物纬丝沿吊袋环向缝制成纵向吊袋，按照土工织物经丝沿吊袋环向缝制成横向吊袋，横、纵向吊袋的几何尺寸相同，直径均为0.5 m，高度均为1 m．

1.2 室内试验方案

按照控制变量法，将相同的试验土料分别倒入横向吊袋与纵向吊袋中进行脱水试验，试验方案见表1．

表1 室内试验方案

如图5所示，吊袋试验的过程为：称取试验土料10 kg，与10 kg水混合成总重20 kg的泥浆混合物，搅拌均匀后，匀速倒入吊袋中；在吊袋正下方放置一个可接渗出物的称盘，每隔规定时间将吊袋下的秤盘置换、称重，重复操作直至吊袋边壁不再有液体渗出时，试验结束．

对每段时间内渗透出的泥水称重，并静置、烘干再次称重，分析得到每段时间内渗出土的质量、水的质量，并计算每个时间段内平均脱水及渗土速率．

图5 吊袋脱水试验

2 试验结果与分析

1)整个试验过程中横向吊袋与纵向吊袋的脱水速率和脱水累计量随时间变化情况如图6～7所示．

图6 横向吊袋脱水速率与脱水累计量随时间变化

图7 纵向吊袋脱水速率与脱水累计量随时间变化

由图6可以看出，试验A在开始阶段脱水速率较大，但降低速度较快；脱水累计量在试验开始阶段随时间呈现铅直线型增长，随后趋于水平．由图7可以看出，试验B的脱水速率与脱水累计量随时间变化趋势与图6中试验A的趋势大体一致．说明在整个试验过程中横向吊袋与纵向吊袋的脱水均集中于试验开始阶段．

2)试验A、B在试验开始短时间内吊袋渗出物为浑浊液体，且浊度逐渐降低，随后大部分的试验时间内吊袋渗出物均为清水．渗土情况如图8～9所示，由图可知，横向吊袋与纵向吊袋的渗土速率和渗土累计量随时间变化趋势高度相似，均在试验开始短时间内渗水速率较大时有土料渗出，随后渗土速率降为0；通过渗土累计量的对比发现，横向吊袋最终渗土累计量大约是纵向吊袋的4倍，但二者的渗土累计量均小于10%，都符合管袋保土性要求[22]．

图8 横向吊袋渗土速率与渗土累计量随时间变化

图9 纵向吊袋渗土速率与渗土累计量随时间变化

3)试验A与试验B在试验过程中脱水速率随时间的变化情况比较结果如图10所示．

图10 不同方向缝制下吊袋脱水速率随时间变化

由图10可以看出，横向吊袋与纵向吊袋脱水速率的整体趋势基本一致，均是前期较快，后迅速降低；但在脱水阶段有显著差别，主要表现在两点：①试验A在脱水过程中脱水速率存在波动现象，而试验B无此现象，说明在试验的前期阶段横向吊袋内可能因淤堵而形成了不稳定的反滤结构，导致脱水速率的下降，当该结构破坏时，出现脱水速率的快速上升，后又逐渐恢复正常速率；②试验A的初始脱水速率远大于试验B的初始值；且在相同的总脱水时间段内，试验A的平均脱水速率0.026 kg/min远大于试验B的0.012 kg/min，说明在脱水过程中横向吊袋的等效孔径更大，脱水性能更优．

3 充填管袋应力分析

为将本次试验成果应用于实际工程中，将充填管袋进行了简化，并对其进行受力分析．如图11所示为实际工程中的扁平状充填管袋，为计算方便将其简化为如图12所示的椭圆形柱体，现假设实际管袋在充填时从a口进入，泥浆充填到一定量时管袋会受到一定的冲灌压强(现定为p)，由此可见，如图13所示的管袋轴向的土工编织丝物会受到一个向左的应力σ轴，土工编织丝物的厚度为δ．

图11 充填管袋实物图

图12 充填管袋简化示意图 图13 管袋轴向受力示意图

根据受力平衡:

Fp1=F轴

(1)

Fp1=pπR2

(2)

F轴=2πRσ轴δ

(3)

联立(1)、(2)、(3)得，轴向所受应力：

(4)

其中：p为管袋内泥浆的压强(Pa)；Fp1为泥浆对管袋端部的压力(N)；F轴为管袋端部所受拉力(N)；R为管袋的半径(m)；σ轴为管袋轴向所受应力，称作轴向应力(N/m2)；δ为土工织物的厚度(m)．

将充填管袋环向的几何形状近似看成一个圆，此时管袋环向的受力示意图(如图14所示)及应力计算推导如下．

图14 管袋环向受力示意图

根据力的正交分解：

2Tsinθ=Fp2

(5)

其中，

Fp2=pΔL

(6)

由几何关系知：

(7)

联立(5)、(6)、(7)，解得：

T=pR

(8)

则充填管袋所受环向应力

(9)

其中：Fp2为泥浆对管袋侧壁单宽拉力(N)；σ环为管袋侧壁所受单宽应力，称为环向力(N)；T为管袋环向单宽所受拉力(N)；δ为环向土织物的厚度．

由上述分析可知：充填管袋的环向应力为轴向应力的两倍，说明在相同的充灌压力下，若制管袋时保证土工织物的纬丝方向与管袋环向一致，则管袋的纬丝受力更大，管袋织物的等效孔径更大，管袋的脱水性能更优．然而，雷国辉等人的研究表明，土工织物经向抗拉能力是其纬向的两倍，说明土工织物的纬丝方向与管袋轴向一致时，更能够发挥材料的强度，使管袋承受更大的充灌压力，从而提高其脱水速率．因此，在后续研究中，有必要考虑管袋强度发挥与脱水速率的耦合影响，即不同缝制方向的土工管袋进行有压脱水试验研究．

4 结 论

1)当土工织物的纬丝方向与吊袋径向一致时，即纬丝应力大于经丝应力时，土工织物等效孔径更大，吊袋的脱水速率更快．

2)当土工织物的纬丝方向与管袋的环向一致时，纬丝应力大于经丝应力，土工织物的等效孔径更大，管袋的脱水性能更优．

3)土工织物的纬丝与管袋的环向一致，虽有利于管袋脱水性能，但不利于发挥材料的强度．因此，在后续研究中，有必要进行有压脱水试验，研究充填管袋强度发挥与脱水速率的耦合影响．