單向拉伸對編織布覆砂系統(tǒng)滲透特性的影響

胡佳寶，滿曉磊，葛穎，路承斌，劉慧

（滁州學院 土木與建筑工程學院，安徽 滁州 239000）

充填管袋技術于上世紀50 年代最先被應用于國外的海岸防護工程中，于上世紀90 年代被我國引進。與傳統(tǒng)的河湖筑提技術相比，其具有施工工期短、可就地取材、造價低、符合綠色施工等優(yōu)勢，被廣泛應用于我國的水利水運、河口海岸等工程建設中［1-3］。

管袋壩作為工程中常用的水工建筑物，明確管袋壩的滲流機制對管袋壩體的建成以及安全具有重大意義，管袋壩是由管袋堆疊而成。管袋是由土工織物和砂組成的復合系統(tǒng)，因此土工織物覆砂系統(tǒng)的滲流特性是分析滲流問題的基礎，所以眾多學者首先對土工織物覆砂系統(tǒng)在無應力作用下的滲流特性進行深入研究。Wu 等［4］對土工織物纖維和砂土顆粒之間的相互作用力和土壤顆粒之間的阻力之間的關系進行探究，研究表明：相互作用力越大，土顆粒越容易滯留在土工織物中。周波等［5］通過對選取的五種“無紡土工織物-土”系統(tǒng)做不同的水力梯度試驗，得出水力梯度對“無紡織物-土”系統(tǒng)的反濾性能的影響規(guī)律。易進蓉等［6］通過對多種編織布與淤泥組成的系統(tǒng)在不同水力梯度下進行梯度比試驗得出不同水力梯度對滲透性能的影響規(guī)律。Malik 等［7］研究各種密度充填料相互耦合對充填管袋滲透性能的影響，研究結果表明：不同密度的充填土料對充填管袋滲透性能的影響不同。常廣品等［8］在對管袋袋體施加一定的拍打擾動的前提下，針對不同粘量的充填土料進行室內吊袋試驗，研究表明：在擴大袋體織物孔徑大小的同時提高拍打擾動的效率，這一方法可大幅度提高充填管袋脫水固結的效率。

然而在實際工程中充填管袋的充填過程是在有壓狀態(tài)下進行的，土工織物會受到不同方向以及不同程度的應力，從而會導致充填管袋產生變形，因此國內外學者還針對充填管袋受力變形等問題進行一系列研究。吳海民等［9］針對五種充填管袋進行現場大型管袋脫水試驗，研究不同施工方法對充填管袋脫水固結效果的影響，研究表明：采用邊充邊排，放水排泥的方式仍可保證充填管袋的保土性能和透水性能處于優(yōu)良。彭善濤等［10］通過對法向應力下的土工織物過濾黏性土進行梯度比試驗，研究結果表明：法向應力是影響土工織物淤堵特性的重要因素。丁金華等［11］通過對不同織物進行拉伸研究不同計算方法對計算織物拉伸力學特性的影響，研究表明寬條法更適用于測試新型高強經編復合土工織物的拉伸特性。喬建剛等［12］對不同規(guī)格的土工網墊進行單向拉伸得到，縱向拉伸更易發(fā)揮織物的抗拉作用。龐小朝等［13］對不同水力梯度下的土工織物進行防淤堵試驗，研究表明通過比較土和土工織物兩者的滲透系數的變化及其相對大小，即可判斷土工織物滲透能力是否會對土體的透水造成影響，從而判斷土工織物是否淤堵。吳綱等［14］開展了純土及有紡土工織物在覆土條件下的滲透試驗，得到純土的滲透系數略大于覆土條件下的滲透系數。吳迪等［15］采用了拉伸試驗機對五種不同規(guī)格的織物進行拉伸，結果表明，同種織物其拉伸性能一致且土體對土工織物的限制作用與織物的伸長率呈正向關系。唐琳［16］等通過使用自制的梯度比滲透儀對四種不同的土工織物進行單向拉伸，探究單向拉伸對土工織物反濾性能的影響，研究結果表明：有紡土工織物和無紡土工織物隨拉應變的變化是截然不同的，有紡土工織物隨拉應變的增加，其透水性能和防淤堵性能增強，保土性能減弱。

以上學者在對充填管袋滲流問題的研究中，雖然考慮了拉伸作用對土工織物的滲透性能的影響；但是，滿曉磊等［17］認為拉伸方向的不同會導致其滲透特性的結果也有所不同，因此本文針對土工織物在不同拉伸方向的單向拉伸作用下的滲透特性進行研究，對土工織物分別進行經向和緯向的拉伸，通過梯度比滲透儀測試其滲透特性，并分析不同方向的單向拉伸對土工織物覆砂系統(tǒng)滲透特性的影響。

1 試驗方法

1.1 試驗裝置

試驗利用梯度比滲透儀對土工織物覆砂系統(tǒng)進行單向拉伸狀態(tài)下土工織物覆砂系統(tǒng)滲透特性的試驗研究。如圖1 所示為自主研發(fā)的可提供單向水流的滲透試驗裝置，試驗裝置上部設置一固定水箱以提供常水頭水力條件。梯度比滲透儀進水口連接著上部固定蓄水箱，以保證進行常水頭試驗。A 筒體內徑D 為160 mm，高H 為160 mm，B 筒體內徑D 為160 mm，高H 為80 mm。A 筒體與B 筒體使用法蘭盤連接，用螺絲擰緊以固定受拉后的土工織物。為防止儀器出現滲水和進氣等現象，進而影響試驗結果的精確性，在A筒體下端和B 筒體上端都粘上海綿膠帶，用以增大土工織物與筒體的密切性。土工織物上方土樣高110 mm。在中間筒體側壁共設置四個測壓管，用于計算各滲透特性參數。底部筒體的側壁開有出水口，可測量出水量。下部容器可收集通過織物的砂土顆粒。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Diagram of test device

1.2 試驗材料

試驗所用土工織物選擇工程常用的單位面積質量為150 g/m2，厚度為0.64 mm，等效孔徑為0.09～0.5 mm的編織布。由于級配良好的土體有著較好的反濾特性，土顆粒不易流失，土工織物的防淤堵能力較強。因此，試驗選取不良土用來測試受單向拉伸狀態(tài)下的土工織物的滲透特性。由小于0.075 的細砂和粒徑介于0.3 到0.6 的中砂以及粒徑介于0.6 到1.0 的粗砂混合組成。土樣的顆分參數結果如表1 所示。

表1 土樣的顆分參數Tab.1 Particle parameters of soil samples

1.3 試驗過程

1.3.1 土工織物無覆砂透水試驗

用YG028GS 型高溫拉伸試驗機將土工織物以6 mm/min 的速度對土工織物分別進行0%、3%、6%、9%的拉伸，無覆砂的條件下將拉伸后的土工織物固定到梯度比滲透儀的A 筒與B 筒之間，并用螺絲固定裝好，用橡皮管連接中間筒體接水口，打開水箱閥門，緩慢調整水頭高度，使水流滿整個裝置，以此來調節(jié)水流速度，在A 筒體桶一側接上測壓管，將裝滿水的滲透儀排除氣泡后關閉出水口，并將固定高度的水箱作為常水頭接入進水口，以此將土工織物浸泡12 h以上，直至測壓管中的水的高度保持不變時，打開出水口，每隔半小時測兩分鐘內出水量，并且讀取測壓管中讀數。

1.3.2 土工織物覆砂滲透試驗

將滲透儀分別與拉應變?yōu)?%、3%、6%、9%的土工織物組裝好，再將已經配好的土料混合攪拌均勻后裝填于裝置中。充填過程采用邊沖邊壓的方式來確保土料之間的穩(wěn)定性。當土料充填到一定110 mm 時將頂蓋與頂部筒體采用法蘭連接并用螺絲擰緊來提高其穩(wěn)定性，在A 筒體上面設置一高度的水箱作為常水頭，并保證水頭高度與填充砂料壓實后的高度一致，連接梯度滲透儀頂蓋的進水口，打開閥門，當水箱中的水通過進水口緩慢流進整個裝置后打開下方筒體出水閥門的同時打開A 筒體的進水閥門，以排出裝置中的空氣，提高試驗的精準性。當整個裝置都充滿水的時，關閉所有閥門，將水箱調至合適高度并將測壓管與儀器相連接，使水流自上而下的流經整個試驗裝置。觀察測壓管高度變化，待測壓管高度一致且不再變化時，打開出水口，進行試驗數據采集。連續(xù)進行30 h 試驗，試驗完成后，收集底部筒體里的砂粒并烘干稱量。

2 試驗結果及分析

2.1 拉應變對透水性能的影響

對所用織物以6 mm/min 的速率進行單向拉伸，經、緯向分別拉伸至3%，6%，9%。在常水頭條件下進行不覆砂的滲透試驗。如圖2 所示為透水率隨拉應變變化曲線圖。

圖2 透水率隨拉應變變化曲線圖Fig.2 The change curve of water permeability with tensile strain

由圖2 可知，在經向拉伸作用下，土工織物的透水率隨拉應變的增加呈先下降后上升的趨勢，且當經向拉應變?yōu)?%左右時，土工織物的透水率出現最小值。說明在經向拉伸3%下，土工織物的透水性能最差。而在緯向拉伸條件下，土工織物的透水率隨拉應變的增加呈現持續(xù)上升趨勢，說明在緯向拉伸下，拉應變能增強土工織物的透水性能。

2.2 拉應變對滲透特性的影響

2.2.1 拉應變對流速的影響

圖3 是滲流流速隨時間變化曲線，由圖3 可知，不同拉應變條件下滲流流速隨時間的變化基本一致，均隨時間的增加呈現出先增加后減小的趨勢，在220 min后趨于穩(wěn)定。其原因是，由于單向水流的沖刷作用，細顆粒從織物孔隙中流失，隨著時間的推移，細顆粒逐漸堆積形成反濾系統(tǒng)導致滲流流速最終趨于穩(wěn)定。其穩(wěn)定后的數值如圖4 所示。

圖3 流速隨時間變化曲線圖Fig.3 Curve of velocity changing with time

圖4 流速隨拉應變變化曲線圖Fig.4 Curve of flow velocity changing with tensile strain

由圖4 可知，在緯向拉伸作用下，土工織物的滲流流速與拉應變的關系呈正向關系，隨著拉應變的增大滲流流速也在增大。與不覆砂的土工織物的透水率隨拉應變的變化趨勢整體相似，說明緯向拉伸作用下，拉應變對土工織物的透水性能有增強作用；在經向拉伸作用下，土工織物覆砂系統(tǒng)的滲流流速與拉應變的關系呈持續(xù)下降趨勢，即隨著拉應變的增加，土工織物覆砂系統(tǒng)的滲流流速逐漸減小。其中，在經向拉應力處于3%之前，滲流流速隨著拉應變的增加大幅下降。在3%處達到相對穩(wěn)定，且隨著拉應力的增大僅發(fā)生輕微變化。說明土工織物覆砂系統(tǒng)在經向拉伸3%～9%時，淤堵情況較為嚴重。

2.2.2 拉應變對保土性能的影響

漏砂量可直接反應出織物的保土性能，即在一定時間內通過織物的土顆粒總質量。

經過多組重復實驗以減小實驗誤差的方式得出如圖5 所示漏砂量與拉應變變化曲線圖。由圖可知，在經向拉伸作用下，土工織物覆砂系統(tǒng)的漏砂量隨拉應變呈現出先下降后增加的趨勢，其中，當拉應變達到3%附近，其漏砂量達到最小值點。說明土工織物在經向拉伸作用下拉應變達到左右時土工織物覆砂系統(tǒng)的漏砂量最少，土工織物覆砂系統(tǒng)的保土性能最佳；在緯向拉伸作用下，土工織物覆砂系統(tǒng)的漏砂量隨拉應變呈持續(xù)上升趨勢，說明緯向拉應變削弱了土工織物覆砂系統(tǒng)的保土性能。

圖5 漏砂量隨拉應變變化曲線圖Fig.5 Variation curve of sand leakage with tensile strain

2.2.3 拉應變對防淤堵性能的影響

針對本試驗梯度比試驗儀尺寸，梯度比GR 的計算公式為：

式中:H1-2為測壓管1 號管和2 號管間水位差（cm）；H2-4為測壓管2 號管和4 號管間水位差（cm）；δ 為土工織物厚度（cm）。如圖6 所示為不同拉應變條件下梯度比GR 隨時間的變化規(guī)律。

圖6 梯度比隨時間變化曲線圖Fig.6 Curve of gradient ratio with time

由圖6 可知，不同拉應變條件下梯度比隨時間的變化基本一致，均隨時間的增加而增大，在160 min后趨于穩(wěn)定。其原因是，由于單向水流的沖刷作用，細顆粒下移較快且大量堆積在土工織物表面，使土工織物覆砂系統(tǒng)淤堵加劇，最終趨于穩(wěn)定。其穩(wěn)定后的數值如圖7 所示。由圖可知，在經向拉伸作用下，土工織物覆砂系統(tǒng)梯度比隨拉應變的增加呈現出先上升后下降的趨勢，當拉應變達到3%時，梯度比達到最大值。說明土工織物覆砂系統(tǒng)在經向拉伸3%時的防淤堵能力較差；在緯向拉伸作用下，土工織物覆砂系統(tǒng)梯度比隨拉應變的增加呈現出持續(xù)下降趨勢，說明緯向拉應變對土工織物覆砂系統(tǒng)的防淤堵性能有增強作用。

圖7 梯度比隨拉應變變化曲線圖Fig.7 Curve of gradient ratio changing with tensile strain

由圖8 可得，經、緯向拉伸作用下，梯度比變化率均隨拉應變的增大而減小。土工織物覆砂系統(tǒng)受經向拉伸作用時，梯度比變化率下降明顯，說明不同土工織物覆砂系統(tǒng)的防淤堵能力隨著拉應變的增大呈現出先減小后增加的趨勢，當經向拉應力處于0%～6%階段時，變化明顯。經向拉應力處于6%～9%時變化相對穩(wěn)定。緯向拉應力作用下，土工織物覆砂系統(tǒng)的梯度比變化率整體相對穩(wěn)定，防淤都能力在緯向拉應力處于6%～9%時有所提高。

圖8 梯度比變化率隨拉應變變化曲線圖Fig.8 Variation curve of gradient ratio with tensile strain

3 結論

經向與緯向的單向拉伸對土工織物覆砂系統(tǒng)的透水性能、保土性能及防淤堵性能均存在區(qū)別：

（1）經向拉伸作用下，當拉應變小于3%時，土工織物覆砂系統(tǒng)的透水性能和防淤堵性能隨拉應變的增大而減小，保土性能隨拉應變的增大而增大；當拉應變大于3%時，土工織物覆砂系統(tǒng)的透水性能和防淤堵性能隨拉應變的增大而增大，保土性能隨拉應變的增大而減小。

（2）緯向拉伸作用下，土工織物覆砂系統(tǒng)的透水性能和防淤堵性能隨著緯向拉伸的增大而增大，保土性能隨著緯向拉伸的增大而減小。