单向拉伸对编织布覆砂系统渗透特性的影响

胡佳宝，满晓磊，葛颖，路承斌，刘慧

（滁州学院 土木与建筑工程学院，安徽 滁州 239000）

充填管袋技术于上世纪50 年代最先被应用于国外的海岸防护工程中，于上世纪90 年代被我国引进。与传统的河湖筑提技术相比，其具有施工工期短、可就地取材、造价低、符合绿色施工等优势，被广泛应用于我国的水利水运、河口海岸等工程建设中［1-3］。

管袋坝作为工程中常用的水工建筑物，明确管袋坝的渗流机制对管袋坝体的建成以及安全具有重大意义，管袋坝是由管袋堆叠而成。管袋是由土工织物和砂组成的复合系统，因此土工织物覆砂系统的渗流特性是分析渗流问题的基础，所以众多学者首先对土工织物覆砂系统在无应力作用下的渗流特性进行深入研究。Wu 等［4］对土工织物纤维和砂土颗粒之间的相互作用力和土壤颗粒之间的阻力之间的关系进行探究，研究表明：相互作用力越大，土颗粒越容易滞留在土工织物中。周波等［5］通过对选取的五种“无纺土工织物-土”系统做不同的水力梯度试验，得出水力梯度对“无纺织物-土”系统的反滤性能的影响规律。易进蓉等［6］通过对多种编织布与淤泥组成的系统在不同水力梯度下进行梯度比试验得出不同水力梯度对渗透性能的影响规律。Malik 等［7］研究各种密度充填料相互耦合对充填管袋渗透性能的影响，研究结果表明：不同密度的充填土料对充填管袋渗透性能的影响不同。常广品等［8］在对管袋袋体施加一定的拍打扰动的前提下，针对不同粘量的充填土料进行室内吊袋试验，研究表明：在扩大袋体织物孔径大小的同时提高拍打扰动的效率，这一方法可大幅度提高充填管袋脱水固结的效率。

然而在实际工程中充填管袋的充填过程是在有压状态下进行的，土工织物会受到不同方向以及不同程度的应力，从而会导致充填管袋产生变形，因此国内外学者还针对充填管袋受力变形等问题进行一系列研究。吴海民等［9］针对五种充填管袋进行现场大型管袋脱水试验，研究不同施工方法对充填管袋脱水固结效果的影响，研究表明：采用边充边排，放水排泥的方式仍可保证充填管袋的保土性能和透水性能处于优良。彭善涛等［10］通过对法向应力下的土工织物过滤黏性土进行梯度比试验，研究结果表明：法向应力是影响土工织物淤堵特性的重要因素。丁金华等［11］通过对不同织物进行拉伸研究不同计算方法对计算织物拉伸力学特性的影响，研究表明宽条法更适用于测试新型高强经编复合土工织物的拉伸特性。乔建刚等［12］对不同规格的土工网垫进行单向拉伸得到，纵向拉伸更易发挥织物的抗拉作用。庞小朝等［13］对不同水力梯度下的土工织物进行防淤堵试验，研究表明通过比较土和土工织物两者的渗透系数的变化及其相对大小，即可判断土工织物渗透能力是否会对土体的透水造成影响，从而判断土工织物是否淤堵。吴纲等［14］开展了纯土及有纺土工织物在覆土条件下的渗透试验，得到纯土的渗透系数略大于覆土条件下的渗透系数。吴迪等［15］采用了拉伸试验机对五种不同规格的织物进行拉伸，结果表明，同种织物其拉伸性能一致且土体对土工织物的限制作用与织物的伸长率呈正向关系。唐琳［16］等通过使用自制的梯度比渗透仪对四种不同的土工织物进行单向拉伸，探究单向拉伸对土工织物反滤性能的影响，研究结果表明：有纺土工织物和无纺土工织物随拉应变的变化是截然不同的，有纺土工织物随拉应变的增加，其透水性能和防淤堵性能增强，保土性能减弱。

以上学者在对充填管袋渗流问题的研究中，虽然考虑了拉伸作用对土工织物的渗透性能的影响；但是，满晓磊等［17］认为拉伸方向的不同会导致其渗透特性的结果也有所不同，因此本文针对土工织物在不同拉伸方向的单向拉伸作用下的渗透特性进行研究，对土工织物分别进行经向和纬向的拉伸，通过梯度比渗透仪测试其渗透特性，并分析不同方向的单向拉伸对土工织物覆砂系统渗透特性的影响。

1 试验方法

1.1 试验装置

试验利用梯度比渗透仪对土工织物覆砂系统进行单向拉伸状态下土工织物覆砂系统渗透特性的试验研究。如图1 所示为自主研发的可提供单向水流的渗透试验装置，试验装置上部设置一固定水箱以提供常水头水力条件。梯度比渗透仪进水口连接着上部固定蓄水箱，以保证进行常水头试验。A 筒体内径D 为160 mm，高H 为160 mm，B 筒体内径D 为160 mm，高H 为80 mm。A 筒体与B 筒体使用法兰盘连接，用螺丝拧紧以固定受拉后的土工织物。为防止仪器出现渗水和进气等现象，进而影响试验结果的精确性，在A筒体下端和B 筒体上端都粘上海绵胶带，用以增大土工织物与筒体的密切性。土工织物上方土样高110 mm。在中间筒体侧壁共设置四个测压管，用于计算各渗透特性参数。底部筒体的侧壁开有出水口，可测量出水量。下部容器可收集通过织物的砂土颗粒。

图1 试验装置示意图Fig.1 Diagram of test device

1.2 试验材料

试验所用土工织物选择工程常用的单位面积质量为150 g/m2，厚度为0.64 mm，等效孔径为0.09～0.5 mm的编织布。由于级配良好的土体有着较好的反滤特性，土颗粒不易流失，土工织物的防淤堵能力较强。因此，试验选取不良土用来测试受单向拉伸状态下的土工织物的渗透特性。由小于0.075 的细砂和粒径介于0.3 到0.6 的中砂以及粒径介于0.6 到1.0 的粗砂混合组成。土样的颗分参数结果如表1 所示。

表1 土样的颗分参数Tab.1 Particle parameters of soil samples

1.3 试验过程

1.3.1 土工织物无覆砂透水试验

用YG028GS 型高温拉伸试验机将土工织物以6 mm/min 的速度对土工织物分别进行0%、3%、6%、9%的拉伸，无覆砂的条件下将拉伸后的土工织物固定到梯度比渗透仪的A 筒与B 筒之间，并用螺丝固定装好，用橡皮管连接中间筒体接水口，打开水箱阀门，缓慢调整水头高度，使水流满整个装置，以此来调节水流速度，在A 筒体桶一侧接上测压管，将装满水的渗透仪排除气泡后关闭出水口，并将固定高度的水箱作为常水头接入进水口，以此将土工织物浸泡12 h以上，直至测压管中的水的高度保持不变时，打开出水口，每隔半小时测两分钟内出水量，并且读取测压管中读数。

1.3.2 土工织物覆砂渗透试验

将渗透仪分别与拉应变为0%、3%、6%、9%的土工织物组装好，再将已经配好的土料混合搅拌均匀后装填于装置中。充填过程采用边冲边压的方式来确保土料之间的稳定性。当土料充填到一定110 mm 时将顶盖与顶部筒体采用法兰连接并用螺丝拧紧来提高其稳定性，在A 筒体上面设置一高度的水箱作为常水头，并保证水头高度与填充砂料压实后的高度一致，连接梯度渗透仪顶盖的进水口，打开阀门，当水箱中的水通过进水口缓慢流进整个装置后打开下方筒体出水阀门的同时打开A 筒体的进水阀门，以排出装置中的空气，提高试验的精准性。当整个装置都充满水的时，关闭所有阀门，将水箱调至合适高度并将测压管与仪器相连接，使水流自上而下的流经整个试验装置。观察测压管高度变化，待测压管高度一致且不再变化时，打开出水口，进行试验数据采集。连续进行30 h 试验，试验完成后，收集底部筒体里的砂粒并烘干称量。

2 试验结果及分析

2.1 拉应变对透水性能的影响

对所用织物以6 mm/min 的速率进行单向拉伸，经、纬向分别拉伸至3%，6%，9%。在常水头条件下进行不覆砂的渗透试验。如图2 所示为透水率随拉应变变化曲线图。

图2 透水率随拉应变变化曲线图Fig.2 The change curve of water permeability with tensile strain

由图2 可知，在经向拉伸作用下，土工织物的透水率随拉应变的增加呈先下降后上升的趋势，且当经向拉应变为3%左右时，土工织物的透水率出现最小值。说明在经向拉伸3%下，土工织物的透水性能最差。而在纬向拉伸条件下，土工织物的透水率随拉应变的增加呈现持续上升趋势，说明在纬向拉伸下，拉应变能增强土工织物的透水性能。

2.2 拉应变对渗透特性的影响

2.2.1 拉应变对流速的影响

图3 是渗流流速随时间变化曲线，由图3 可知，不同拉应变条件下渗流流速随时间的变化基本一致，均随时间的增加呈现出先增加后减小的趋势，在220 min后趋于稳定。其原因是，由于单向水流的冲刷作用，细颗粒从织物孔隙中流失，随着时间的推移，细颗粒逐渐堆积形成反滤系统导致渗流流速最终趋于稳定。其稳定后的数值如图4 所示。

图3 流速随时间变化曲线图Fig.3 Curve of velocity changing with time

图4 流速随拉应变变化曲线图Fig.4 Curve of flow velocity changing with tensile strain

由图4 可知，在纬向拉伸作用下，土工织物的渗流流速与拉应变的关系呈正向关系，随着拉应变的增大渗流流速也在增大。与不覆砂的土工织物的透水率随拉应变的变化趋势整体相似，说明纬向拉伸作用下，拉应变对土工织物的透水性能有增强作用；在经向拉伸作用下，土工织物覆砂系统的渗流流速与拉应变的关系呈持续下降趋势，即随着拉应变的增加，土工织物覆砂系统的渗流流速逐渐减小。其中，在经向拉应力处于3%之前，渗流流速随着拉应变的增加大幅下降。在3%处达到相对稳定，且随着拉应力的增大仅发生轻微变化。说明土工织物覆砂系统在经向拉伸3%～9%时，淤堵情况较为严重。

2.2.2 拉应变对保土性能的影响

漏砂量可直接反应出织物的保土性能，即在一定时间内通过织物的土颗粒总质量。

经过多组重复实验以减小实验误差的方式得出如图5 所示漏砂量与拉应变变化曲线图。由图可知，在经向拉伸作用下，土工织物覆砂系统的漏砂量随拉应变呈现出先下降后增加的趋势，其中，当拉应变达到3%附近，其漏砂量达到最小值点。说明土工织物在经向拉伸作用下拉应变达到左右时土工织物覆砂系统的漏砂量最少，土工织物覆砂系统的保土性能最佳；在纬向拉伸作用下，土工织物覆砂系统的漏砂量随拉应变呈持续上升趋势，说明纬向拉应变削弱了土工织物覆砂系统的保土性能。

图5 漏砂量随拉应变变化曲线图Fig.5 Variation curve of sand leakage with tensile strain

2.2.3 拉应变对防淤堵性能的影响

针对本试验梯度比试验仪尺寸，梯度比GR 的计算公式为：

式中:H1-2为测压管1 号管和2 号管间水位差（cm）；H2-4为测压管2 号管和4 号管间水位差（cm）；δ 为土工织物厚度（cm）。如图6 所示为不同拉应变条件下梯度比GR 随时间的变化规律。

图6 梯度比随时间变化曲线图Fig.6 Curve of gradient ratio with time

由图6 可知，不同拉应变条件下梯度比随时间的变化基本一致，均随时间的增加而增大，在160 min后趋于稳定。其原因是，由于单向水流的冲刷作用，细颗粒下移较快且大量堆积在土工织物表面，使土工织物覆砂系统淤堵加剧，最终趋于稳定。其稳定后的数值如图7 所示。由图可知，在经向拉伸作用下，土工织物覆砂系统梯度比随拉应变的增加呈现出先上升后下降的趋势，当拉应变达到3%时，梯度比达到最大值。说明土工织物覆砂系统在经向拉伸3%时的防淤堵能力较差；在纬向拉伸作用下，土工织物覆砂系统梯度比随拉应变的增加呈现出持续下降趋势，说明纬向拉应变对土工织物覆砂系统的防淤堵性能有增强作用。

图7 梯度比随拉应变变化曲线图Fig.7 Curve of gradient ratio changing with tensile strain

由图8 可得，经、纬向拉伸作用下，梯度比变化率均随拉应变的增大而减小。土工织物覆砂系统受经向拉伸作用时，梯度比变化率下降明显，说明不同土工织物覆砂系统的防淤堵能力随着拉应变的增大呈现出先减小后增加的趋势，当经向拉应力处于0%～6%阶段时，变化明显。经向拉应力处于6%～9%时变化相对稳定。纬向拉应力作用下，土工织物覆砂系统的梯度比变化率整体相对稳定，防淤都能力在纬向拉应力处于6%～9%时有所提高。

图8 梯度比变化率随拉应变变化曲线图Fig.8 Variation curve of gradient ratio with tensile strain

3 结论

经向与纬向的单向拉伸对土工织物覆砂系统的透水性能、保土性能及防淤堵性能均存在区别：

（1）经向拉伸作用下，当拉应变小于3%时，土工织物覆砂系统的透水性能和防淤堵性能随拉应变的增大而减小，保土性能随拉应变的增大而增大；当拉应变大于3%时，土工织物覆砂系统的透水性能和防淤堵性能随拉应变的增大而增大，保土性能随拉应变的增大而减小。

（2）纬向拉伸作用下，土工织物覆砂系统的透水性能和防淤堵性能随着纬向拉伸的增大而增大，保土性能随着纬向拉伸的增大而减小。