高軍軍 劉斯宏 白福清

（1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；2.華東勘測設(shè)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(qū)，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(dá)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(jié)制磚、拋泥處置、摻加固化劑等［2－6］.而土工袋技術(shù)［7－9］能夠直接將現(xiàn)場開挖的淤泥土裝入土工編織袋封口而形成新的結(jié)構(gòu)體，使棄置的淤泥土得到重復(fù)利用.土工袋利用外力荷載下袋子的張力約束袋內(nèi)土體，提高袋內(nèi)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(jìn)袋內(nèi)淤泥土的排水，從而加快穩(wěn)定速度.本文對袋裝淤泥土土工袋進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗研究，并對袋內(nèi)土體的強度參數(shù)和含水率進(jìn)行測定；再通過固結(jié)沉降試驗研究淤泥土土工袋的沉降變形特性.

1 無側(cè)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(nèi)的高含水量淤泥在上部荷載作用下排水固結(jié)；二是利用土工袋的張力作用約束袋內(nèi)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(nèi)淤泥土的物理力學(xué)參數(shù)見表1.編織袋為黑色，由PP聚丙烯材料制成，其徑向拉力標(biāo)準(zhǔn)超過25kN／m，而緯向拉力標(biāo)準(zhǔn)超過16.2kN／m.

表1 試驗所用淤泥土的物理力學(xué)指標(biāo)

1.1 抗壓強度特性

試驗在YE－200A型萬能液壓機上進(jìn)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(yù)壓荷載5min，保證土工袋表面平整并使得內(nèi)部土體受力均勻.在下加載臺面安裝位移計，并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shù)據(jù)測讀周期為20s.當(dāng)豎向力數(shù)值基本穩(wěn)定后，表明土工袋已達(dá)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(nèi)土體逐漸穩(wěn)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(jié)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(yán)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(jié)束后的破壞狀態(tài)

圖3為兩次無側(cè)限抗壓強度試驗得到的土工袋豎向壓力與豎向應(yīng)變的關(guān)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(yīng)變的關(guān)系

1.2 袋內(nèi)土樣強度及含水率測定

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

圖4 各層土工袋內(nèi)部土體的摩爾強度線

可見，自上而下土工袋袋內(nèi)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(nèi)土體的含水率測試結(jié)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(jié)束后土工袋內(nèi)部土體含水率測試

2 沉降固結(jié)試驗

為了預(yù)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(jìn)行了沉降固結(jié)試驗，如圖5所示.土工袋的制作及材料同第1節(jié)所述.

圖5 土工袋沉降固結(jié)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(wěn)定后，向鐵桶內(nèi)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(jié)試驗荷載施加過程

沉降試驗長達(dá)49d.圖6為土工袋的沉降過程線.由于土工袋袋內(nèi)是淤泥土，每次加載瞬間沉降都會有突變，但很快就趨于穩(wěn)定.同時，隨著荷載級別的增加，沉降瞬變值逐漸變小，待固結(jié)穩(wěn)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(jìn)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(tǒng)計出各荷載級中沉降速率過程線，如圖7所示，并對其進(jìn)行對數(shù)擬合，得到沉降速率vh隨時間t的關(guān)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(shè)第i層土工袋填筑后達(dá)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(shù)A和B與荷載級別σ1有關(guān)；根據(jù)固結(jié)沉降試驗值，可得到不同荷載級別下的參數(shù)A、B，如圖8所示.

對其進(jìn)行對數(shù)擬合，得到參數(shù)與荷載級別的函數(shù)關(guān)系

圖8 參數(shù)擬合曲線圖

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

3 結(jié) 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(nèi)的高含水量淤泥在上部一定荷載作用下排水固結(jié)；二是利用土工袋的張力作用約束袋內(nèi)土體.

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

3）淤泥土土工袋受壓后，袋內(nèi)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(nèi)土體的強度隨土工袋層數(shù)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(guān).

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