通長砂袋應力應變試驗在圍堤工程中的應用

摘 要：為進一步探析通長砂袋在堆載過程中的受力情況，通過通長砂袋機織布室內試驗得出機織布應力-應變關系，結合橫沙八期工程選用鋼筋應力計來現場測量通長砂袋的應力，進而對現場通長砂袋的應變進行分析。室內試驗成果表明：對于面密度為380 g /m2的機織布，應力—應變呈分段線性關系，在應變x為0～0.1時，應力y = 5.5328x-0.0082，R2 = 0.9959；在應變x為0.1～0.37時，應力y = 17.264x-1.1943，R2 = 0.9991。基于此，可將袋體應變小于0.37時的應力—應變關系應用于實際工程中的袋體應變監測，用以保障施工安全。通長砂袋袋體在橫斷面上的應變相較于縱斷面較大，橫斷面中間位置相較于兩側應變較大，為保證圍堤穩定性，在施工時應注意調整施工填筑順序并控制施工填筑速度。

關鍵詞：通長砂袋；機織布；加筋；應力應變試驗

中圖分類號：U674.38

0 引 言

近年來，隨著城市化發展迅猛，建設用地需求不斷增大，同時本著河道疏浚泥沙不可隨意排放的原則，大型土木基建工程就需要建設在軟弱的地基上。受外部荷載作用影響，軟弱地基的地基承載力較低、沉降變形及不均勻沉降較大且固結時間較長，從地基基礎的穩定性、滲透性及地基變形等各方面上考慮都無法滿足基建工程對地基的要求，不利于基建工程的施工。因此，為滿足工程建設條件，需利用排水固結、置換與加筋等處理方法對軟弱地基進行適當的人工處理。作為一種較新興的材料和技術，通長砂袋內填充疏浚物質或高濃度泥漿，有降低工作量、減少工期、節省成本、提高施工效率等諸多優點，具備廣泛的應用前景，具有一定的創新性和實用性[1]。但通長砂袋設計使用中應力應變情況的變化機制目前尚不清晰，基于此，本文通過通長砂袋機織布室內試驗得出機織布應力-應變關系，結合工程現場開展通長砂袋應力測量，對通長砂袋的應變進行了分析，進一步探析通長砂袋在堆載過程中的受力情況。

1" 工程概況

橫沙東灘位于上海市崇明區橫沙島的東端，作為長江口較發育的淺灘之一，其水域的水動力環境較強，波浪掀沙能力較強，同時在北港和北槽之間的水域存在著漫灘水流，致使灘面難以大量淤積。區域水域每日有兩次漲、落潮流，潮汐屬于非正規淺海半日潮，潮流具有明顯的周期特性，以往復流為主；水位受季節、潮汐等因素影響變化明顯。枯季流速在0.69～2.41 m/s 之間，洪季平均流速0.82～2.77 m/s。工程區域淺部土層中的地下水屬于潛水類型，由周邊江水直接滲流補給。

橫沙東灘圈圍（八期）工程位于橫沙島東側淺灘水域，在橫沙六期、七期工程以北，橫沙三期以東，N23 潛堤以西的灘涂區域，如圖1所示。橫沙八期工程圍堤總長度約22.5 km，

圈圍工程面積約42.4 km2，泥沙吹填總量可達1.4億 m3，是上海灘涂圈圍造地史上單項工程面積最大、區域自然環境條件最惡劣、利用疏浚泥沙進行填方量最大、工程施工時間最長的圈圍工程[2]。

本工程灘面地形總體平坦，工程區屬于河口、砂嘴、砂島地貌；灘面以下50 m深度范圍內的地層均屬于第四紀全新世（Q4）和上更新世（Q3）的濱海－河口相、濱海－淺海相、濱海－沼澤相等沉積層。地表沉積物主要為灰黃色淤泥及灰色粉砂，下臥層主要為灰色淤泥質黏土及淤泥質粉質黏土，均為軟弱地層。

2 通長砂袋試驗方案

2.1" 現場儀器安裝與埋設

本工程通長砂袋的應力—應變試驗使用鋼筋應力計（簡稱鋼筋計）為傳感器，用以探明土工結構物內的應力分布狀態。受外部軸向拉應力作用，鋼套發生拉伸變形，差動電阻式感應組件同時產生形變，可通過電阻比變化反映軸向應力變化。安裝鋼筋計時，將鋼筋計與機織布緊密連接，使鋼筋計與機織布同步受力，以測得機織布所受的拉應力。

根據現場施工情況，在橫沙東堤選擇尚未施工且對其他施工區域影響較小的3個斷面（E0+100、E0+750和E1+500），3個斷面上各布設4個應力傳感器，其中在橫斷面受力方向上布置3個傳感器（坡頂中心及兩側下方各1個），如圖2所示，在縱斷面受力方向上布置1個傳感器。安裝應力傳感器時，將5 cm寬度編織布固定在通長砂袋上，使用鎖扣將傳感器固定并連接于通長砂袋編織布兩端，確保傳感器與機織布同步受力。

樁號E0+100處應力傳感器于2017年1月2日埋設，2017年1月4日開始測試，2017年6月1日結束測試；樁號E0+750處應力傳感器于2017年1月11日埋設，2017年1月13日開始測試，2017年6月1日結束測試；樁號E1+500處應力傳感器于2017年2月6日埋設，2017年2月8日開始測試，2017年6月1日結束測試。

2.2" 室內機織布應力—應變關系試驗

由于實際工程中通長砂袋在裝滿泥沙發生荷載擠壓后的變形較復雜，因此，在工程上可根據室內機織布應力—應變關系和現場機織布袋體應力隨荷載的變化關系，反演得出現場機織布袋體應變隨荷載變化的經驗關系[3]。對面密度為380g/m2、寬度為5 cm的機織布進行室內拉伸試驗，根據規范要求[4]，拉伸試驗機以等速率對寬度為5 cm、長度≥200 mm的窄條機織布試樣體沿長度方向拉伸，儀器自動記錄拉力及伸長量。

抗拉強度采用寬條計算法：

T=1 000 F/B（1）

其中：T為單寬抗拉強度（kN/5 cm）；F為試驗機拉力（N）；B為試樣體寬度（5 cm）。

機織布室內應力—應變試驗數據見表1。

機織布單軸拉伸試驗得到的應力－應變關系曲線如圖4所示，應力—應變關系曲線可分為兩段，前一部分拉應力比較小，機織布發生拉伸變形，但拉伸變形還未達到延伸率，呈線性變化，機織布的位移較大，斜率較小；后一段隨著外部拉應力的增大，斜率較大，拉伸應變達到延伸率后，隨著應力繼續增大，拉力—位移曲線出現輕微下伏現象。

參考規范《土工合成材料測試規程》，對于單位質量大于350 g/m2的機織布，抗拉強度應大于4.3 kN/5 cm，應變應小于0.35。室內試驗所用機織布單位質量為380 g/m2，最大應力σ為5.17 kN/5 cm，最大應變ε為0.37，試驗結果符合規范要求。當應變ε為0～0.1時，應力—應變基本呈線性關系，關系式為：

σ=5.5328ε-0.0082（2）

相關系數：R2 = 0.9959；

當應變為0.1～0.37之間時，應力－應變也基本呈線性關系，關系式為：

σ=17.264ε-1.1943（3）

相關系數：R2 = 0.9991。

上述兩個公式線性擬合的相關系數較高，相關性較好。因此，在應變小于0.37時根據上述關系式進行擬合。

3 現場試驗結果

3.1" 通長砂袋體應力變化

樁號E0+100處通長砂袋下方的4只應力傳感器應力隨時間變化過程如圖4所示。在傳感器埋設并穩定后開始進行外部堆載，堆載歷時36天后，4個傳感器所測袋體應力逐漸趨于穩定；位于橫斷面中部的2#傳感器所測應力較大，峰值為3.45 kN/5 cm，隨著壓力消散，逐漸降低，最終穩定于2.03 kN/5 cm左右；橫斷面兩側的1#和3#傳感器所測應力較接近，最終分別穩定于1.05 kN/5 cm和1.35 kN/5 cm左右；縱斷面的4#傳感器所測應力較小，最終穩定于0.42 kN/5 cm左右。

樁號E0+750處通長砂袋下方的4只應力傳感器應力隨時間變化過程如圖5所示，埋設傳感器穩定后開始堆載，堆載歷時40天成后，位于橫斷面中部的6#傳感器所測應力較大，峰值為3.93 kN/5 cm，隨著孔隙水壓力的消散，最終穩定于2.27 kN/5 cm左右；兩側的5#和7#傳感器所測應力數值較相近，最終分別穩定于0.93 kN/5 cm和1.03 kN/5 cm；縱斷面的8#傳感器所測應力較小，最終穩定于0.56 kN/5 cm左右。

樁號E1+500斷面處的處通長砂袋下方傳感器應力隨時間變化過程如圖6所示，在外部堆載42天后，橫斷面中心處的10#傳感器所測應力較大，峰值為4.29 kN/5 cm，最終穩定于約2.79 kN/5 cm；兩側的9#和11#傳感器所測應力數值較相近，最終分別穩定于約1.52 kN/5 cm和1.09 kN/5 cm；縱斷面的12#傳感器所測應力較小，最終穩定于約0.72 kN/5 cm。

通過3個樁號斷面的袋體應力隨袋體加載的變化過程對比，發現在穩定的外部荷載作用下，通長砂袋橫斷面方向所受應力較大，應力最大值范圍為3.45～4.29 kN/5 cm，縱斷面方向所受應力較小，應力范圍為0.42～0.72 kN/5 cm。同時，橫斷面受力方向位于中間位置所受應力較大，而位于兩側位置所受應力較小，且兩側應力相差不大，應力穩定值范圍為0.93～1.52 kN/5 cm。

3.2" 通長砂袋體應變變化

由于實際工程中的袋體在受荷載作用下的應變測量難度較大且精度低，通長砂袋袋體的總體應變包含荷載作用下的應變、蠕動應變、沉降作用下的應變及施工過程中引起的應變，短時間內荷載堆積作用為影響袋體應變的主要因素[5]。因此，本文將室內機織布應力—應變試驗成果通過上述經驗公式（2）和（3）應用到現場機織布通長砂袋袋體應力隨荷載變化試驗中，得到E0+100、E0+750和E1+500三個斷面機織布通長砂袋袋體應變隨荷載的變化。發現在樁號E0+100的斷面處，如圖7所示，在外部荷載穩定后，斷面的體應變也基本趨于穩定；橫斷面中心應變峰值可達0.267，最終穩定于0.2左右；縱斷面體應變較小，最終穩定于0.08左右。

在樁號E0+750的斷面處，如圖8所示，在外部荷載穩定后，橫斷面中心應變峰值可達0.295，最終穩定于0.21左右；縱斷面體應變較小，最終穩定于0.11左右。

在樁號E1+500的斷面處，如圖9所示，在外部荷載穩定后，橫斷面中心應變峰值可達0.315，最終穩定于0.25左右；縱斷面體應變較小，最終穩定于0.12左右。

4 分析與討論

通長砂袋的抗拉強度與袋體的拉伸強度、彈性模量、充填材料性質及袋的尺寸大小等因素緊密相關。通長砂袋可以限制泥沙在長時間內發生位移，并將局部應力分散，形成較穩定的分界面[5]。大規模的通長砂袋圍堤的位移變化基本上是在垂直方向上發生較為均勻的沉降，這說明通長砂袋具有一定的加筋作用。地基沉降主要是由土體顆粒側向變形和壓縮土體顆粒間的孔隙引起，通長砂袋在一定程度上限制了土體的側向變形，有效地抑制了地基沉降[6]。對于軟弱地基，通長砂袋的彈性模量一般大于其下覆土體，可將部分應力擴散至土體，減小土體顆粒的應力，抑制地基變形，使得處理后的地基承載力相較于原狀土有較大提升[7]。同時通長砂袋在水平方向的限制作用使得其自立性效果較好，保證了邊坡的穩定性，護坡作用較好。

通過本次通長砂袋體應力—應變試驗發現，橫向斷面中的兩側應變較小，而中心位置的應變較大，這表明在橫斷面中心處受力較為集中，易被拉斷。這主要是受外部荷載作用下，袋體發生了不均勻沉降，中心位置沉降較大，袋體受壓；坡腳兩側位置沉降較小，袋體受拉[8]。但借鑒同類工程經驗，現場試驗中的袋體應變實測值要小于室內試驗值，隨著工程建設時間的增長，蠕動應變逐漸增大。通長砂袋地基與普通地基相似，具有同樣的破壞特性，當通長砂袋圍堰施工填筑過快時，袋體沉降不均勻，造成的應變也不斷增大，易使得砂袋被拉斷，造成圍堰工程失穩。因此，為保證工程圍堤的穩定性，在施工時適當降低圍堰速度，使得袋體內土顆粒進行足夠的排水固結。

5 結 論

本文通過 3 組斷面的通長砂袋的應力—應變試驗，得到以下結論：

（1）對于面密度為380 g/m2的機織布，應力—應變基本呈線性關系，在應變為0～0.1時，關系式為y=5.5328x - 0.0082，R2 = 0.9959；在應變為0.1～0.37時，關系式為y=17.264x - 1.1943，R2 = 0.9991。擬合相關性較好，可以將袋體應變小于0.37時的應力—應變關系應用于實際工程通長砂袋袋體應變監測。

（2）通長砂袋袋體橫斷面相比縱斷面應變較大，橫斷面中間位置相比兩側應變較大，為工程安全考慮，應適當調整施工填筑順序。

（3）通長砂袋在橫斷面中心處中心位置沉降較大，受力較為集中，易被拉斷，為保證圍堤穩定性，在施工時應控制施工填筑速度。

本次試驗只探討了室內試驗中機織布應力—應變的關系及在現在試驗中的簡單應用，室內試驗中試樣條的寬度、孔徑、孔型等因素對機織布應力—應變的影響還需通過有限元模型進一步研究分析，同時對于蠕動應變、沉降應變及材料老化對袋體應變的影響分析也需離散元數值模擬來進行深入揭示。

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作者簡介：

邱吉文，本科，工程師，專業方向：主要從事港航工程管理、設計、研究工作，（E-mail）qiujiwen@ccccltd.cn，021-58871456