沖刷試驗下土工織物袋物理力學性質變化規律

張 靜，丁金華

（長江科學院巖土重點實驗室，武漢 430010）

沖刷試驗下土工織物袋物理力學性質變化規律

張 靜，丁金華

（長江科學院巖土重點實驗室，武漢 430010）

通過定水頭沖刷模擬試驗，對土工織物的物理、水力學、力學參數進行了分析。研究結果表明，對于充礫或充砂的土工織物袋，沖刷會使填料中的細粒嵌入土工織物孔隙，導致織物的單位面積質量及厚度增加，等效孔徑O95降低。在流速3.1～4.1 m／s條件下，充礫土工織物袋在沖刷3 h內不會引起強度的明顯衰減，沖刷24 h后袋體易產生局部破壞，強度可能降低20%左右，但填料的粗骨架仍可維持袋體的整體性。而充砂土工織物袋強度及延伸率變化不大，袋體局部受損情況要好于充礫土工袋，但在沖刷10 h后織物產生不均勻變形，在模型槽末端流速為2.0 m／s的部位，未見袋體明顯破損。通過對比分析沖刷前后土工袋物理、水力學、力學參數的變化，發現物理性參數難以反映沖刷對材料特性的影響，選用拉伸強度等力學性質參數作為材料抗沖刷性能的反映指標較合理。

沖刷試驗；土工織物；物理性質；力學性質；水力學性質

1 概 述

土工織物編織袋（下稱土工袋）與混凝土塊或砂、土等結合組成軟體沉排或砂、土、石袋等，可以用作江、河堤岸的防護，防止水流直接沖刷堤岸或波浪沖淘，替代傳統的砂礫反濾料［1］，具有整體性好、施工方便、柔性大、適應變形能力強等優點，已在國內外的護岸工程中應用得非常普遍。常規的護岸結構設計大多是針對土工織物軟體砂被、砂枕、軟體沉排或模袋進行排體的抗漂浮穩定性、抗掀動穩定性、排面抗滑穩定性以及排體壓重等整體性能指標進行核算和驗證，對于組成排體或土袋的土工織物材料本身僅籠統規定應滿足受力要求，有足夠的抗拉強度和抗刺破、頂破強度等。但實際上，由于土工袋在水下承受反復的動水沖刷和浪擊，且一般袋體中均充填了一定密度和容積的砂礫，在高速動水沖擊以及填料棱角磨損等作用下，袋體材料必然產生變形，強度發生變化，最后可能出現局部破損情況，導致袋內填料被水流淘刷，護岸結構的整體穩定性降低。因此土工袋在水流沖刷條件下的材料強度、穩定性是影響護岸工程長期穩定的決定性因素，也是設計中的重要參數。但目前有關土工織物抗沖刷性能的研究成果在國內外都非常缺乏，土工合成材料試驗規范或標準中均沒有對沖刷試驗方法的規定。因此，對土工織物進行室內沖刷模型試驗，探索土工袋抗沖刷性能的測試方法，比較并明確土工袋抗沖刷性能的反映指標，最終獲得特定水流沖刷條件下土工袋的物理力學性能變化規律，可為土工袋應用于護岸工程提供合理的指標依據。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗材料為土工織物袋。

2.2 試驗方法

沖刷試驗采用高壓沖刷試驗系統進行，該模型系統包括高壓泵、循環供水系統、上游蓄水池、混凝土模型槽以及量測系統等，通過對供水流量、水頭及尾水位的調節可實現不同流速，并可對任意過水斷面的水位、流速等參數進行測量。土工織物袋的力學性能試驗采用微機控制電子萬能試驗機進行，拉伸試驗按照規范規定采用寬條法，其拉伸強度和拉伸延伸率取試樣受拉后對應斷裂時的最大拉力及延伸率。厚度采用土工織物厚度儀進行測量，按照規范取2 kPa壓力下對應的厚度。單位面積質量采用電子天平進行稱量。等效孔徑一般取O95［2］，是指當通過土工織物的顆粒重量與粒料總重量之比為5%時對應的粒徑尺寸，又可以稱為土工織物的表觀最大孔徑，是反映織物的透水性能與保持土顆粒能力的重要指標。采用振篩機進行干篩法獲得。垂直滲透系數是指當水流垂直于土工織物平面水力梯度等于1時的滲透流速，采用土工織物垂直滲透試驗儀進行。

3 試驗設計

首先對未充填填料的原狀土工織物進行各項指標的測試，然后再對土工織物袋充填填料，進行各項指標的測試。充填材料包括礫類土和砂類土2種，粒徑分布見表1及表2。填充時，按照體積－重量法控制，在60 cm×80 cm的土工袋中填充約45 kg填料，集中疊放在沖刷模型槽底部，并加以固定。土工袋縱向為順水流的沖刷方向。針對不同充填料的土工袋，分別進行沖刷時間為3，10，24 h的沖刷試驗，每次試驗都實時監測不同過流斷面的流速。達到預定的沖刷時間后，將疊放的土工袋取出，抖去表面粘附的充填料，晾干后進行物理、力學及水力學性能試驗。為了消除在土工袋裝填填料及運輸安放過程中對袋體材料的損傷所引起的性能變化，以袋體迎水面材料作為直接受到沖刷影響后檢測的依據，同時對背水面材料也進行了檢測，二者的差異性即可用來評價沖刷的影響。試驗控制起始斷面流速為4 m／s左右，這與近年對長江中下游近岸流速資料的分析結果相一致，汛期從降雨結束至洪峰一般歷時20 h左右，最大流速可達4 m／s［3］。

表1 充填料（礫）的粒徑分布Table 1 Particle size distribution of the gravel filler

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

4 結果分析

4.1 原狀土工袋的基本性質

對原狀土工袋進行了物理、力學及水力學性能檢測［2，4］，其單位面積質量為127.60 g／m2，厚度為1.27 mm，等效孔徑O95為0.138 mm，滲透系數為1.37×10－1cm／s。拉伸試驗成果表明，其縱、橫向的拉伸強度及延伸率基本一致（應力應變曲線見圖1），縱向拉伸強度為5.01 kN／m，延伸率為46.18%，橫向分別為4.95 kN／m和48.20%，且相應的變異系數基本上都小于20%（除橫向拉伸強度之外），可以認為材料的不均勻性在檢測樣品范圍內較低，其中縱向的不均勻性較橫向更低一些。

圖1 土工袋應力應變曲線（原狀）Fig.1 Stress-strain curves of geotextile bags in prototype

表3是不同試驗方案對應的土工袋單位面積質量及厚度等物理性能指標的變化情況。可見，水流短期沖刷使得部分細粒不可避免地被嵌入土工袋孔隙之中，且試驗后無法去除，導致單位面積質量有所增加，相應的厚度也增大。

表3 各沖刷試驗方案得到的土工袋物理性能指標統計表Table 3 Physical indexes of geotextile bags under the various scouring experiments

4.3 沖刷對土工袋水力學特性的影響

表4為沖刷后土工袋的等效孔徑及垂直滲透系數的變化。由于填料中細粒的嵌入，導致織物的等效孔徑明顯降低，但垂直滲透系數基本上變化不大。

4.4 沖刷對土工袋力學性能的影響

4.4.1 不同預處理方式對強度的影響

考慮到填料土工袋在沖刷前經過了裝填、運輸及浸水等過程，可能對材料的性能產生影響，因此，進行了原狀土工袋浸水以及裝填并浸水2種狀態下的比較試驗。前者是將原狀土工袋浸泡于清水中24 h，然后取出晾干進行拉伸試驗，后者是將礫料按規定的填充率裝填入土工袋中，并浸泡于清水中24h，取出晾干后同樣進行拉伸試驗。表5為不同狀態下土工袋的縱向拉伸強度及延伸率。

與原狀土工袋相比，經過浸水及裝填并浸水預處理后的材料其拉伸強度略有提高，可能與纖維的定向排列及相互之間摩擦咬合方式的改變有關，有關的原因和機理還有待于進一步的研究才能探明。

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4.4.2 充礫土工袋沖刷后的強度變化

表6為充礫土工袋在不同沖刷時間條件下得到的力學性能指標統計，其中對應每一種沖刷方案均進行了迎水面和背水面袋體材料的拉伸試驗，二者之間的差異可直接反映水流沖刷的影響。

從表中各種條件對應的變異系數來看，縱向拉伸強度的變異系數在5.44%～16.35%之間，橫向拉伸強度變異系數范圍8.33%～13.65%，縱向延伸率5.45%～15.44%，橫向延伸率8.35%～11.81%，均小于20%，可以認為試驗前后檢測取樣的方式及數量滿足要求，得到的強度和延伸率成果可以作為反映材料性能的依據。

表4 各沖刷試驗方案得到的土工袋水力學特性指標統計表Table 4 Hydraulic properties of geotextile bags under the various scouring experiments

表5 不同狀態下土工袋的力學性能變化統計表Table 5 M echanical properties of geotextile bags under different experiments

表6 不同沖刷試驗方案得到的充礫土工袋力學性能變化統計表Table 6 Mechanical properties of geotextile bagswith the gravel filler under different scouring experiments

與原狀土工袋相比，沖刷試驗后的袋體延伸率降低，強度略有提高，但變化幅度不超過10%。考慮到不同預處理方式對強度的影響，并以預處理方式2（裝填及浸水）得到的材料強度做比較的基礎，可見，充礫土工袋在沖刷3h內強度的變化不明顯。但當沖刷時間達到24 h時，迎水面的縱向拉伸強度較之同樣情況下未受沖刷的背水面材料強度降低了約23%，且觀察可見袋體織物多處有局部的損傷，甚至頂破現象。說明在長期高速動水作用下，填料棱角與袋體之間的摩擦作用會導致材料強度和完整性的明顯損耗。

4.4.3 充砂土工袋沖刷后的強度變化

表7為充砂土工袋在不同沖刷時間條件下得到的力學性能指標統計，縱、橫向的拉伸強度及延伸率的變異系數均小于20%。

與充礫土工袋的試驗成果相似，3 h內充砂土工袋的迎水面強度較背水面未見降低，當沖刷時間達到10 h后，迎水面縱向強度較之背水面降低了約3%，也可以認為材料的強度從統計平均值上來看沒有變化，但是從范圍值看，最低強度值降低了約23%，變異系數也有所增大，說明水流沖刷引起袋體材料的不均勻變形仍然很明顯。沖刷時間為24 h的變化趨勢與此相似。與填充粗礫不同的是，由于砂料的粒徑較小，袋體土工織物即便局部僅有微小破損，袋中的填料也會很快被水流全部帶走，而使土工袋喪失整體性。試驗表明大約在沖刷6 h后部分充砂土工袋的填料全部流失。從沖刷時間來看，24 h后的迎水面縱向拉伸強度較3 h時降低了約10%左右，說明沖刷時間越長，袋體材料強度的損耗越明顯。

表7 不同沖刷試驗方案得到的充砂土工袋力學性能變化統計表Table 7 Mechanical properties of geotextile bagsw iht sand filler under the different scouring experiments

5 結 論

（1）對于充礫或充砂的土工織物袋，沖刷會使填料中的細粒嵌入土工織物孔隙，導致織物的單位面積質量及厚度增加，等效孔徑O95降低，滲透系數的變化不大，仍在10－1量級。

（2）在流速3.1～4.1 m／s條件下，充礫土工織物袋在沖刷3 h內不會引起強度的明顯衰減，沖刷24 h后袋體易產生局部破壞，強度可能降低20%左右，但填料的粗骨架仍可維持袋體的整體性。

（3）在流速3.1～4.1 m／s條件下，沖刷時間在24 h內，充砂土工織物袋強度及延伸率變化不大，袋體局部受損情況要好于充礫土工袋，但在沖刷10 h后織物產生不均勻變形，在模型槽末端流速為2.0 m／s的部位，未見袋體的明顯破損。但充砂土工袋的袋體如果存在局部破損現象，則細顆粒填料可能會被高速水流沖走而使土工袋喪失其整體穩定性。

（4）通過對沖刷前后土工袋物理、力學、水力學性能指標的檢測，可認為物理性參數難以反映沖刷對材料特性的影響，而滲透系數基本沒有變化，選用力學性質參數（拉伸強度）作為材料抗沖刷性能的反映指標是合理可行的。

（5）本次針對土工織物袋的沖刷試驗，模擬的工況與河道護岸工程略有差別，但從流速、沖刷時間以及土工袋的結構性來看，基本上考慮了實際應用中的極端工況，得到的成果可供護岸工程設計參考。

（6）本次試驗僅從水流（清水）沖刷對土工袋工程特性的影響方面進行了初步研究，實際土工袋護岸工程中的影響材料特性的因素還有很多，如暴露于大氣中的氧化、老化作用、往復水流的淘刷作用、含泥砂水流的沖刷作用，以及生物和人為破壞等，都會對袋體材料性質以及結構的整體穩定性造成影響，更深入全面的探討還有待于進一步的研究工作。

［1］ 岳紅艷，余文疇.長江河道崩岸機理［J］.人民長江，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，土工合成材料測試規程［S］.（SL／T235－1999，Code for test and measurement of geosynthetics［S］.（in Chinese））

［3］ 《中國海洋年鑒》編纂委員會.中國海洋年鑒（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，土工合成材料應用技術規范［S］.（GB50290－98，Technical standard for applications of geosynthetics［S］.（in Chinese））

［5］ 《土工合成材料工程應用手冊》編寫委員會.土工合成材料工程應用手冊（第二版）［M］.北京：中國建筑工業出版社，2000.（Editorial Board of Applications Handbook of Geosynthetics.Applications Handbook of Geosynthetics（Second edition）［M］.Beijing：China Construction Industry Press，2000.（in Chinese））

（編輯：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

張 靜（1960-），女，河北阜城人，工程師，主要從事土力學試驗和土工合成材料檢測方面的研究，（電話）027-82927645（電子信箱）zhangjing2008－12＠sohu.com。