模袋砂沖剪強度試驗方法設計及應用

戴德軍，楊永民，程 喜，李海波

(1.中鐵十九局集團廣州工程有限公司，廣州 511458；2. 仲愷農業工程學院，廣州 510225；3.廣東匯杰工程科技有限公司，廣州 511400)

1 概述

土工模袋法通常指的是用上、下兩層高強度土工織物制作的大面積連續袋狀材料，并在其內泵灌流動性混凝土或水泥砂漿或砂，凝固后形成一種整體的、透水不透漿的防護岸坡穩定的施工技術[1-3]。根據設計要求，構筑成定型的圍堰的方法，此種圍堰類型稱作為模袋圍堰，模袋圍堰廣泛適用于海岸護堤、港口、碼頭、吹填造陸圍堰防護等工程的建設中[4-9]。模袋砂的優點眾多，應用前景廣泛，對模袋砂的力學性能研究國內外很多專家學者也進行了試驗分析、理論研究的工作[10-13]。在模袋充填物試驗研究方面，日本對土工編織袋充填物進行了無側限抗壓試驗研究，該試驗中土工編織袋袋內填充物為小石塊，通過試驗得到了土工袋的破壞形式及土工袋的破壞特點[14-16]。荷蘭在1994年開展了模袋砂防波堤的穩定性試驗，選用了兩種模袋尺寸作為對比試驗，結果表明模袋砂構筑的堤壩或圍堰結構適用于中等或者沒有波浪作用的情況下，在有大浪潮的情況穩定性較差[17-18]。Shin等[19-22]分析不同填充物對模袋砂的性能影響，選取了砂和土兩種材料分析對比充填物對土工袋形狀變化的影響，結果表明不同填充物的性質(主要是填充物的沉積、自重固結)對模袋砂的形狀變化有影響。劉斯宏等[23-25]進行了模袋砂的豎向壓縮試驗，通過試驗分析認為模袋砂在受到外壓力的作用下，袋內填充物被壓密，填充物顆粒之間的摩擦力增大，內摩擦角也隨之增大，且模袋受壓后發生了變形，從而使外表面的模袋產生張力，模袋的張力限制了袋內填充物的變形，使模袋與袋內填充物成為一個整體，這樣一個整體的強度明顯高于沒有模袋限制的散體填充物的強度。總之，土工模袋砂是新興起的材料和技術，以諸多優點蘊藏著廣泛的應用前景，但是對于模袋砂的設計和使用而言，還存在著許多必須解決的問題。

國內外對模袋砂技術的研究大多集中在應用方面，對相關問題的分析研究尚未展開。如在實際工程適用過程中，當一層的模袋砂下面存在沉降情況，或某層模袋砂存在漏沙、模袋砂吹填不密實等問題時，上下模袋砂會產生中空狀態。當中空狀態時的模袋砂被施加向下作用力的時候，該局部位置受到沖剪作用，從而導致該層模袋砂受剪切破壞而流砂以及該層模袋砂失效、圍堰局部發生變形，會影響圍堰整體的穩定性。為此，應提出該情況下模袋砂沖剪強度的室內試驗評價方法，對保證工程質量有重要的意義。

2 試驗方法設計及結果評價

2.1 試驗方法設計

該試驗方法主要目的評價模袋砂沖剪切強度。整體試驗在室內反力架上進行，下方制作1個裝有94%以上密實度的砂加固鋼箱，上面放置1個按照標準方法加工制作的100 cm×100 cm×25 cm的模袋砂袋(填充度為80%)，在反力架的上部采用邊長為Y的正方形的推進裝置，或直徑為D的圓形推進裝置。通過反力架液壓裝置對模袋砂袋施加壓力，直至模袋砂袋破壞，讀取測試的最大力值F(試驗結構如圖1所示，原理如圖2所示)。

圖1 模袋砂沖剪強度的試驗方法示意

圖2 模袋砂現場剪切強度的模擬試驗方法示意

2.2 試驗結果計算評價

根據圖2的試驗原理，剪切面就是模袋砂內被沖頭沖出的圓柱體的側面，其面積計算公式為A=π×D×t(D為圓形沖板的直徑，t為模袋砂厚度)如果是方形的沖板，其面積計算公式為A=4×Y×t(Y為正方形沖板的邊長，t為模袋砂厚度)。

通過2.1中反力架液壓裝置對模袋砂袋施加壓力，直至模袋砂袋破壞，當反力架上沖壓板為正方形時，模袋砂的沖剪強度通過如下式計算：

τ=F/(4×0.25Y)

(1)

式中：

τ——模袋砂的沖剪強度，Pa；

F——模袋砂的沖剪最大試驗力，N；

Y——沖壓板為正方形時的邊長，m。

當反力架上沖壓板為圓形時，模袋砂的沖剪強度通過如下公式計算：

τ=F/(0.25πD)

(2)

式中：

τ——模袋砂的沖剪強度，Pa；

a 模袋砂CBR頂破力—沖剪強度曲線

a A模袋砂沖剪強度—位移曲線

a A模袋砂壓力—位移曲線

F——模袋砂的沖剪最大試驗力，N；

D——沖壓板為為圓形時的直徑，m。

3 應用效果及分析

3.1 土工合成材料的性能

選擇3家模袋砂用土工布材料，各材料的物理力學性能見表1所示。由表1可見，4種土木膜袋的縱向和橫向抗拉強度為D>C>B>A，縱、橫向斷裂伸長率A>B>C>D，CBR頂破力和梯形撕破強度D>C>B>A。

表1 土工模袋技術指標選擇對比

3.2 模袋砂沖剪強度

利用表1中的4種土工模袋(砂的填充率為80%)，制備100 cm×100 cm×25 cm的模袋砂袋，沖剪壓板規格為50 mm×50 mm×10 mm，進行模袋砂的沖剪試驗(沖剪壓力—位移以及沖剪強度—位移曲線見圖3和圖4)。

由圖3、圖4可見，曲線基本呈現線性正相關，隨著壓力的不斷增大，砂逐漸被壓密實，曲線斜率不斷增大，其應變硬化現象明顯，且在硬化階段關系曲線的近似呈直線關系， 一直延續到模袋的破壞，達到最大力時出現下跌的趨勢。

4種模袋砂的最大壓力和沖剪強度見表2所示，表2中可見，4種沖剪強度順序為D>C>B>A。

表2 模袋砂沖剪強度

3.3 土木膜袋性能對模袋砂沖剪強度的影響

模袋砂的沖剪強度是與土工模袋的自身性能有關，土工膜袋的CBR頂破力和梯形撕破強度和模袋砂沖剪強度之間的關系如圖5所示。模袋填充完砂之后，其強度增大，增強機理為模袋填充完砂，隨后在反力架上被壓密實后，會發生壓縮變形以及拉伸變形，由于模袋砂發生拉伸變形，導致其斷面的周長變長，產生拉伸應變，由于張力與拉伸應變成線性關系，因此，模袋產生了張力，模袋內砂受到的約束增加，從而使得砂顆粒間的接觸力增加；由于砂體強度本質上源于土顆粒間的摩擦強度，砂顆粒間接觸力增加意味著土顆粒間的摩擦強度增大(符合摩擦定律F=μN，μ為砂顆粒間摩擦系數)，從而模袋砂的整體強度得到顯著提高。

4 結語

1) 針對實際工程適用過程中存在模袋砂受剪切破壞，導致該層模袋砂失效，圍堰局部發生變形，從而影響圍堰整體的穩定性的問題，提出該情況下模袋砂沖剪強度的室內試驗評價方法，即整體試驗在室內反力架上進行，下方制作1個裝有94%以上密實度的砂加固鋼箱，上面放置1個按照標準方法加工制作的100 cm×100 cm×25 cm的模袋砂袋(填充度為80%)，在反力架的上部采用推進裝置對模袋砂袋施加壓力，直至模袋砂袋破壞，讀取測試的最大力值F。

2) 當反力架上沖壓板為正方形時，模袋砂的沖剪強度通過τ=F/(4×0.25Y) 計算，當反力架上沖壓板為圓形時，模袋砂的沖剪強度通過公式計算：τ=F/(0.25πD)。

3) 模袋砂的沖剪強度試驗結果表明沖剪強度與土工模袋的自身性能有關系，模袋填充完砂之后，其強度得到提高，具有較高的縱向和橫向抗拉強度、CBR頂破力和梯形撕破強度的土木模袋對應的模袋砂具有較高的沖剪強度。