袋裝淤泥土土工袋的強度變形研究

高軍軍 劉斯宏 白福清

（1.河海大學水利水電學院，南京 210098；2.華東勘測設計研究院，杭州 310014）

淤泥土是一種常見的具有強度低、含水量高、壓縮性大等工程特性的軟弱粘土.在海濱圍墾和河道疏浚工程中，往往會開挖出大量淤泥土.尤其是我國沿海地區，軟弱淤泥土的分布極為廣泛，珠江三角洲每年疏浚淤泥將近八千萬方，而拋入海洋中的淤泥達兩億方左右［1］.目前處理淤泥土一般采取的方法主要有吹填造地、脫水處理、燒結制磚、拋泥處置、摻加固化劑等［2－6］.而土工袋技術［7－9］能夠直接將現場開挖的淤泥土裝入土工編織袋封口而形成新的結構體，使棄置的淤泥土得到重復利用.土工袋利用外力荷載下袋子的張力約束袋內土體，提高袋內土體整體的強度.同時，由于編織袋具有保土濾水的性能，外力荷載愈大，就愈促進袋內淤泥土的排水，從而加快穩定速度.本文對袋裝淤泥土土工袋進行無側限抗壓強度試驗研究，并對袋內土體的強度參數和含水率進行測定；再通過固結沉降試驗研究淤泥土土工袋的沉降變形特性.

1 無側限抗壓強度試驗

土工袋加固淤泥土的原理有兩點：一是利用土工編織袋的保土濾水特性，裝在土工袋內的高含水量淤泥在上部荷載作用下排水固結；二是利用土工袋的張力作用約束袋內土體.

試驗中制作土工袋3只，每只裝淤泥土約70kg，約占袋子最大容量的80%，土工袋的攤平成型尺寸：75cm×35cm×14cm（長×寬×高）.袋內淤泥土的物理力學參數見表1.編織袋為黑色，由PP聚丙烯材料制成，其徑向拉力標準超過25kN／m，而緯向拉力標準超過16.2kN／m.

表1 試驗所用淤泥土的物理力學指標

1.1 抗壓強度特性

試驗在YE－200A型萬能液壓機上進行，其最大加載重量為200t.為了減小試驗機上下加載臺面摩擦對土工袋的約束影響，每組試驗豎向疊放3層土工袋，如圖1所示.試驗前對土工袋施加10kN的預壓荷載5min，保證土工袋表面平整并使得內部土體受力均勻.在下加載臺面安裝位移計，并與數據采集系統相連.

圖1 土工袋抗壓強度試驗

試驗時，固定萬能試驗機的上加載臺，控制下加載臺以3.5cm／min的速率豎直向上移動，并利用動擺式測力計讀取豎向力，數據測讀周期為20s.當豎向力數值基本穩定后，表明土工袋已達到極限抗壓強度，此時停止加載.共完成兩組土工袋抗壓強度試驗.

圖2為淤泥土土工袋的壓縮過程及破壞后土工袋的狀況.土工袋在壓縮過程中有水滲出，隨著時間的延長，袋內土體逐漸穩定，豎向位移變小直到破壞.反映了編織袋良好的保土濾水效果.試驗結束后，土工袋呈扁平狀，破壞處在緯度方向中部位置，此處受拉最嚴重.破壞后土工袋的尺寸為73.2cm×54.5cm ×16cm.

圖2 土工袋壓縮過程與結束后的破壞狀態

圖3為兩次無側限抗壓強度試驗得到的土工袋豎向壓力與豎向應變的關系曲線.破壞時的極限荷載分別為560kN與620kN，將其值分別除以破壞后的橫截面積（即73.2cm×54.5cm），得到極限抗壓強度為1.40MPa與1.55MPa，接近普通混凝土強度的1／10.足以說明將淤泥土裝入編織袋形成的土工袋能夠變廢為寶，使淤泥土在工程實踐中得到重新運用.

圖3 土工袋豎向壓力與豎向應變的關系

1.2 袋內土樣強度及含水率測定

無側限抗壓強度試驗結束后，土工袋內部土體在ZJ型應變控制式直剪儀上進行了抗剪強度測試.在3層土工袋中分別用環刀取得土樣，對每個典型土樣施加一組垂直應力：50、100、150、200、250kPa.圖4為袋內土樣在不同垂直壓力下的摩爾強度線.

圖4 各層土工袋內部土體的摩爾強度線

可見，自上而下土工袋袋內土體的凝聚力和摩擦角基本不變；但是相比天然淤泥土（c＝16kPa，φ＝5.9°），凝聚力有所降低，而摩擦角增大很多.袋內土體的含水率測試結果見表2.可知平均含水率為46.5%，相比天然淤泥土（w＝50.4%），有所降低，主要是由于土工袋的濾水作用.

表2 抗壓試驗結束后土工袋內部土體含水率測試

2 沉降固結試驗

為了預測施工過程中土工袋地基的沉降變形，對垂直荷載作用下的兩層淤泥土土工袋進行了沉降固結試驗，如圖5所示.土工袋的制作及材料同第1節所述.

圖5 土工袋沉降固結試驗示意圖

鋼板與鐵桶總重300kg，作為第1級荷載；待土工袋沉降穩定后，向鐵桶內注水300kg作為第2級荷載.按照此步驟總共分4級荷載，見表3.

表3 土工袋沉降固結試驗荷載施加過程

沉降試驗長達49d.圖6為土工袋的沉降過程線.由于土工袋袋內是淤泥土，每次加載瞬間沉降都會有突變，但很快就趨于穩定.同時，隨著荷載級別的增加，沉降瞬變值逐漸變小，待固結穩定需50～60d.

圖6 淤泥土工袋的沉降過程線

施工時對土工袋進行一定碾壓，可消除加載瞬時沉降的影響.剔除加載瞬變值后，統計出各荷載級中沉降速率過程線，如圖7所示，并對其進行對數擬合，得到沉降速率vh隨時間t的關系.

圖7 各級荷載下沉降速率變化曲線

由圖7可知，可令vh＝－A·ln（t）＋B.假設第i層土工袋填筑后達到ti天，則此后t時刻該層土工袋的沉降變形可以表示為

式中，參數A和B與荷載級別σ1有關；根據固結沉降試驗值，可得到不同荷載級別下的參數A、B，如圖8所示.

對其進行對數擬合，得到參數與荷載級別的函數關系

圖8 參數擬合曲線圖

將式（2）、（3）代入式（1），推得沉降變形函數（4），再根據分層總和法S＝∑Hi，即得土工袋的累積沉降預測公式.

3 結 語

1）土工袋加固淤泥的原理有兩點：一是利用土工編織袋的保土濾水特性，裝在土工袋內的高含水量淤泥在上部一定荷載作用下排水固結；二是利用土工袋的張力作用約束袋內土體.

2）試驗得到淤泥土土工袋的無側限抗壓強度達普通混凝土的1／10左右，并遠高于淤泥土本身的極限抗壓強度，實現淤泥土變廢為寶的功效.

3）淤泥土土工袋受壓后，袋內土樣的含水率有所降低，摩擦角與天然土樣相比有所增大，而其凝聚力略有減小，但是袋內土體的強度隨土工袋層數的變化不大.

4）加載瞬間，土工袋會有沉降瞬變，隨著荷載級別的增加，瞬變值逐漸變小.淤泥土土工袋的累計沉降量與施工時間和施工荷載級別有關.

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