充填料含粉量對(duì)橫向吊袋脫水影響試驗(yàn)研究

鮑永健，滿曉磊，肖 豪，陳志文，汪萬(wàn)升

(滁州學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，安徽 滁州 239000)

充填管袋技術(shù)是一種較新的擋水施工技術(shù)[1],管袋采用一種質(zhì)量輕、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕和侵蝕的土工織物縫制而成[2]。充填管袋與傳統(tǒng)的塊石和預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)相比具有造價(jià)低、工期短、可就地獲取施工材料和受天氣影響較小等優(yōu)勢(shì)[3]，因而在抗洪救災(zāi)、河岸防護(hù)、沼澤地修復(fù)、填海造陸、垃圾處理和河道清淤等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用[4-7]，其中，比較重要的一項(xiàng)應(yīng)用是充填管袋修筑河口海岸的堤壩工程[8-9]。

國(guó)內(nèi)充填管袋筑壩技術(shù)是先利用扁層狀管袋堆疊成圍堰，再在圍堰內(nèi)吹填砂質(zhì)土進(jìn)而形成擋水堤壩的技術(shù)[10-11]。每層管袋的具體施工過(guò)程是利用高壓輸送泵將漿體砂石沖灌入管袋中,待管袋脫水后泥土固結(jié)，形成具有擋水功能的管狀結(jié)構(gòu)[12-13]。為保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，相關(guān)規(guī)范[14]規(guī)定管袋施工時(shí)要求位于施工層下層的管袋固結(jié)度達(dá)到70%，由此可見(jiàn)，管袋壩體結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度與管袋壩脫水固結(jié)速率密切相關(guān)，因此，充填管袋的脫水固結(jié)快慢問(wèn)題也成為相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的研究熱點(diǎn)。

針對(duì)管袋壩脫水固結(jié)問(wèn)題的試驗(yàn)研究，最常用的一種試驗(yàn)方法即吊袋脫水試驗(yàn)。國(guó)外學(xué)者利用該方法對(duì)管袋脫水特性進(jìn)行了深入研究。KOERNER 等[15]利用吊袋脫水試驗(yàn)法進(jìn)行充填管袋脫水試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明吊袋脫水試驗(yàn)法的試驗(yàn)結(jié)果可作為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)預(yù)測(cè)性能的指標(biāo)；MUTHUKUMARAN 等[16]分別對(duì)粉煤灰和泥沙進(jìn)行滲透脫水試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，充填土料的含水率、顆粒級(jí)配以及充填管袋的等效孔徑均會(huì)對(duì)脫水性能產(chǎn)生影響；WEGGEL等[17]利用吊袋試驗(yàn)對(duì)充填管袋的脫水滲透過(guò)程進(jìn)行理論分析，建立了充填管袋的脫水滲透解析模型，為充填管袋充填脫水技術(shù)提供了理論模型數(shù)據(jù)。

在我國(guó)，因受管袋材料強(qiáng)度較低的限制，沖灌壓力相對(duì)較小，為保證脫水效率，對(duì)充填土料的級(jí)配控制較為嚴(yán)格。而沿海城市廣泛分布著黏性質(zhì)土，嚴(yán)重缺乏含黏量低、滲透性能好的砂性土料[18]，為探究該類地區(qū)充填管袋施工的可行性，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者分別進(jìn)行了不同的試驗(yàn)研究。吳海民和常廣品等[19-21]通過(guò)吊袋試驗(yàn)研究土工織物規(guī)格、等效孔徑、泥漿土料含黏量、泥漿土料含砂量等不同因素對(duì)高含黏量土料充填吊袋脫水速率的影響，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出多種高含黏量土料充填管袋的高效脫水技術(shù)。

以上專家學(xué)者的研究都是對(duì)于影響管袋脫水固結(jié)最明顯的黏粒土料進(jìn)行的，然則除內(nèi)陸等地的土料大多以粉粒為主，其含粉量多達(dá)60%，而針對(duì)管袋充填料中含粉量對(duì)其脫水速率影響的研究相對(duì)較少。目前，僅滿曉磊等[22]學(xué)者就粉粒土料含粉量對(duì)管袋脫水固結(jié)速率的影響進(jìn)行了初階探究，進(jìn)行了縱向吊袋脫水試驗(yàn)，研究了充填料中粉粒含量對(duì)縱向吊袋脫水特性的影響，結(jié)果表明：20%的粉粒含量為縱向吊袋脫水階段的分界點(diǎn)，當(dāng)粉粒含量大于20%時(shí)，縱向吊袋脫水過(guò)程分別有快脫、慢脫和回升3個(gè)階段;而當(dāng)粉粒含量小于20%時(shí)，只有快脫和慢脫兩個(gè)階段，無(wú)脫水速率回升階段，并且通過(guò)建立吊袋脫水速率與充填料的含粉量、中值粒徑和不均勻系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，分析含粉量對(duì)管袋脫水性能的影響。此外，滿曉磊等[23]在吊袋脫水試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，土工織物的編織制作方式對(duì)管袋脫水性能有明顯影響，即當(dāng)管袋的環(huán)向織物絲與土工織物的緯向織物絲方向相同時(shí)，吊袋具有更優(yōu)的脫水性。因此，還需要進(jìn)行橫向吊袋試驗(yàn)，探究充填料粉粒含量對(duì)橫向吊袋脫水性能的影響，才能全面揭示充填料粉粒含量對(duì)管袋脫水性能的影響。為此，文中以橫向吊袋脫水特性為研究對(duì)象，采用吊袋脫水試驗(yàn)方法，進(jìn)行橫向吊袋脫水試驗(yàn)，探究充填料中粉粒含量不同的情況下橫向吊袋的脫水特性，明晰充填料含粉量對(duì)橫向充填管袋脫水速率的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

以顆粒粒徑表征粒度，將試驗(yàn)所用土料分為粉粒土料、細(xì)粒土料、中粒土料、粗粒土料和石英砂顆粒，各粒徑級(jí)土料顆粒的粒徑范圍見(jiàn)表1。

表1 各粒徑級(jí)土料的粒徑區(qū)間

因石英砂為較大粒徑級(jí)顆粒，相較于其他粒徑級(jí)顆粒，其對(duì)吊袋脫水固結(jié)的影響較小，可以忽略不計(jì)，因此，可同時(shí)調(diào)節(jié)石英砂與粉粒徑級(jí)顆粒的含量，用于探究該粒徑級(jí)顆粒含量對(duì)橫向管袋脫水的影響。在嚴(yán)格控制細(xì)粒、中粒和粗粒土料含量和總質(zhì)量不變的前提下，依次將粉粒粒徑含量從10%～50%進(jìn)行調(diào)節(jié)，其級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 充填用砂級(jí)配曲線

試驗(yàn)所用土工織物為150規(guī)格的聚丙烯裂膜絲編織布，其具體參數(shù)如表2所示。

表2 吊袋材質(zhì)指標(biāo)參數(shù)

按土工織物的經(jīng)向與緯向?qū)⒌醮譃闄M向吊袋和縱向吊袋，即當(dāng)組成吊袋環(huán)向的織物絲為經(jīng)向土工織物、組成軸向的織物絲為緯向土工織物時(shí)，稱為縱向吊袋；當(dāng)組成吊袋環(huán)向的織物絲為緯向土工織物、組成軸向的織物絲為經(jīng)向土工織物時(shí)，稱為橫向吊袋。本試驗(yàn)將平面尺寸為50 cm×140 cm的土工織物沿短邊方向?qū)φ劭p制為橫向吊袋。在吊袋縫制時(shí)，考慮到試驗(yàn)過(guò)程中吊袋所受的環(huán)向應(yīng)力大于軸向應(yīng)力，織物布料對(duì)折后使用精密縫制儀將對(duì)折邊的兩鄰邊進(jìn)行雙層縫制，以降低吊袋從對(duì)折邊兩端處撕裂的可能性，如圖2所示。

圖2 橫向吊袋的縫制(單位：cm)

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

吊袋試驗(yàn)過(guò)程如圖3—4所示，吊袋脫水試驗(yàn)裝置可分為三部分：泥漿、吊袋和秤盤。其中，泥漿由試驗(yàn)土料和清水混合而成；泥漿倒入吊袋后水會(huì)經(jīng)吊袋滲出，而大部分土顆粒留在袋內(nèi)；秤盤可以收集吊袋滲出的水和細(xì)顆粒。

圖3 吊袋脫水過(guò)程

圖4 吊袋脫水過(guò)程實(shí)物

具體試驗(yàn)過(guò)程為：

1)試驗(yàn)前。試驗(yàn)前主要進(jìn)行吊袋的縫制及泥漿的制備。為控制試驗(yàn)條件的一致性，避免吊袋重復(fù)使用時(shí)等效孔徑的變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，各試驗(yàn)組均需縫制相同尺寸的新吊袋。泥漿則由10 kg的試驗(yàn)土料和10 kg的清水混合并均勻攪拌制成。

2)試驗(yàn)中。將制備好的泥漿迅速倒入吊袋中。在懸掛的吊袋下方放置秤盤，每隔規(guī)定時(shí)間段，將吊袋下方秤盤置換，重復(fù)操作至吊袋邊壁無(wú)明顯液體滲出，試驗(yàn)結(jié)束。

3)試驗(yàn)后。對(duì)各秤盤中的泥水稱重后將秤盤放入烘箱進(jìn)行烘干，再次稱量土與秤盤的重量,根據(jù)兩次稱重結(jié)果計(jì)算得到各時(shí)間段內(nèi)平均脫水速率及滲出土速率，并通過(guò)顆粒分析，得到滲出土的顆粒級(jí)配。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 脫水特性分析

如圖5所示為各試驗(yàn)組脫水速率隨時(shí)間變化曲線，可以看出，各試驗(yàn)組的脫水速率前期變化規(guī)律基本一致，后期出現(xiàn)明顯差異，故吊袋的整個(gè)脫水過(guò)程大致可以分為穩(wěn)定脫水階段和不穩(wěn)定脫水階段。

圖5 各試驗(yàn)組的脫水速率

為清晰區(qū)分兩階段，對(duì)圖5中各組脫水速率曲線進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)各試驗(yàn)組的穩(wěn)定階段主要集中在0～10 min，而不穩(wěn)定階段主要集中在10 min之后的試驗(yàn)過(guò)程中。分別將兩個(gè)階段的脫水速率曲線截出進(jìn)行局部比較，如圖6—7所示。由圖6可以看出，穩(wěn)定脫水階段內(nèi)各試驗(yàn)組的脫水速率與時(shí)間的變化趨勢(shì)完全一致，均呈線性變化。

圖6 各試驗(yàn)組穩(wěn)定階段的脫水速率

由圖7可知，各試驗(yàn)組不穩(wěn)定階段的脫水速率變化規(guī)律復(fù)雜多樣，速率曲線總體上表現(xiàn)為先下降后波動(dòng)，最終趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，但該過(guò)程的脫水速率因受多種因素影響，無(wú)法定量研究。

圖7 各試驗(yàn)組不穩(wěn)定階段脫水速率

與文獻(xiàn)[22]中縱向吊袋脫水過(guò)程進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，橫向吊袋脫水過(guò)程與縱向吊袋的三段式脫水規(guī)律不同，只有穩(wěn)定階段和不穩(wěn)定階段。

2.2 滲出土特性分析

因各試驗(yàn)組在18 min左右均不再有土料滲出，故這里將各試驗(yàn)組累計(jì)滲土量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)繪制成如圖8所示。由圖8可以看出，各試驗(yàn)的滲土量變化情況大體一致，均先隨時(shí)間呈線性上升，隨后滲土量隨時(shí)間呈現(xiàn)出短暫的上凸形上升后立即趨于水平。其中，試驗(yàn)E的累計(jì)滲土量最多，試驗(yàn)C的累計(jì)滲土量最少，說(shuō)明當(dāng)粉粒含量較高時(shí)管袋的保土性能較差，而粉粒含量在30%左右時(shí)，吊袋保土性能較佳，這是由于粉粒土料與其他粒徑土料在吊袋內(nèi)部形成較為良好的反濾結(jié)構(gòu)。

圖8 各試驗(yàn)組累計(jì)滲土量

將各組滲出土烘干后，使用Mastersizer 3000型激光粒度分析儀測(cè)試其級(jí)配，如圖9所示，圖中A0，A1，B1和B3分別表示A組土料的原始級(jí)配、A組的第一組(0～3 min)滲出土級(jí)配、B組第一組(0～3 min)滲出土級(jí)配、B組第三組(6～9 min)滲出土級(jí)配，其余同理類推。

通過(guò)對(duì)橫向吊袋脫水過(guò)程的分析，對(duì)各試驗(yàn)組0～3 min初始脫水時(shí)間段的第一組滲出土級(jí)配、6～12 min的穩(wěn)定脫水時(shí)間段中的第三組滲出土級(jí)配以及15～25 min滲土完成時(shí)間段的第六組滲出土級(jí)配進(jìn)行橫向比較，結(jié)果如圖9所示。

圖9 各試驗(yàn)組各階段滲出土級(jí)配曲線對(duì)比

由圖9可知，在初始脫水時(shí)間段內(nèi)，當(dāng)粉粒百分含量為30%左右時(shí)，滲出土顆粒較粗但量偏少；當(dāng)粉粒百分含量越偏離30%時(shí)，各試驗(yàn)組脫水速率都較快，滲出土顆粒較粗且量偏多，說(shuō)明各試驗(yàn)組滲土級(jí)配與充填料初始級(jí)配有關(guān)，吊袋內(nèi)部充填料含粉量越接近30%，使得充填土粉料與制作吊袋的織物孔徑所形成的反濾結(jié)構(gòu)的保土反濾效果更好；在穩(wěn)定脫水完成時(shí)間段，各試驗(yàn)組滲土料級(jí)配基本一致，說(shuō)明在該階段各試驗(yàn)組的吊袋內(nèi)充填土粉料與制作吊袋的織物孔徑所形成的反濾結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此，即便各試驗(yàn)組脫水速率有異，各階段的滲出土料級(jí)配還會(huì)基本一致，直至試驗(yàn)過(guò)程結(jié)束。

3 脫水速率影響分析

由圖5所示的脫水速率隨時(shí)間變化規(guī)律可以看出，各試驗(yàn)組脫水速率較快的時(shí)間段均集中在脫水過(guò)程的穩(wěn)定階段，則可以認(rèn)為穩(wěn)定階段是吊袋脫水的主導(dǎo)階段。

表3 橫縱向各試驗(yàn)組ω、ln Cu、d50與對(duì)應(yīng)值

3.1 粉粒含量ω對(duì)橫向吊袋脫水速率的影響

通過(guò)對(duì)比分析橫縱向試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)粉粒含量低于30%時(shí)，袋體縫制方式對(duì)橫縱向吊袋的脫水速率無(wú)較大影響，而當(dāng)含粉量高于30%時(shí)，袋體的縫制方式對(duì)橫縱向吊袋的脫水速率有較為明顯的影響，且橫向吊袋的脫水速率快于縱向吊袋。

(1)

擬合式(1)的判定系數(shù)R2為0.97，說(shuō)明該式用于分析含粉量在10%～50%的充填土料脫水速率時(shí)是較為準(zhǔn)確的。

圖與ω的關(guān)系

3.2 ln Cu對(duì)橫向吊袋脫水速率的影響

由達(dá)西定律可知土體中水流的滲流速度與滲透系數(shù)有著直接的關(guān)系，而不均勻系數(shù)又對(duì)土體滲透系數(shù)有著直接影響[24],并且單一粒徑級(jí)含量的變化情況可由不均勻系數(shù)間接表征，由此可以用充填料不均勻系數(shù)作為自變量探究其對(duì)管袋脫水速率的影響。為方便計(jì)算，現(xiàn)對(duì)土料的不均勻系數(shù)作對(duì)數(shù)處理以壓縮數(shù)據(jù)尺度，具體數(shù)據(jù)分析結(jié)果見(jiàn)圖11。由圖11可知，橫向吊袋的脫水速率隨著lnCu的增加呈凹函數(shù)形式先降后增，在級(jí)配條件相同的條件下縱向吊袋的脫水速率隨著lnCu的增加一直表現(xiàn)出下降趨勢(shì)；兩者在lnCu小于2.8左右時(shí)變化情況大體一致，當(dāng)lnCu大于2.8時(shí)，橫、縱向吊袋的脫水速率出現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。說(shuō)明隨著充填料不均勻系數(shù)的增大，橫向管袋脫水速率異于縱向管袋之處在于橫向管袋脫水速率存在駐點(diǎn)，駐點(diǎn)前橫、縱向管袋脫水速率無(wú)明顯差異，駐點(diǎn)之后橫向管袋較縱向管袋表現(xiàn)出明顯的脫水優(yōu)勢(shì)。

圖與ln Cu的關(guān)系

(2)

式(2)的判定系數(shù)R2為0.97，說(shuō)明該式可用于分析充填土料不均勻系數(shù)對(duì)其脫水速率的影響。

3.3 d50對(duì)橫向吊袋脫水速率的影響

圖與d50的關(guān)系

(3)

式(3)的判定系數(shù)R2為0.99，說(shuō)明該式可以用于中值粒徑對(duì)充填土料脫水速率的影響分析。

4 結(jié) 論

吊袋的脫水過(guò)程分為兩個(gè)階段：穩(wěn)定階段和不穩(wěn)定階段，其中,穩(wěn)定階段脫水速率較快，脫水量較大，為脫水過(guò)程的主導(dǎo)階段,且穩(wěn)定階段的脫水速率與脫水時(shí)間存在線性關(guān)系。

吊袋脫水過(guò)程中滲出土的粒徑均經(jīng)過(guò)由粗變細(xì)的過(guò)程，并最終達(dá)到相同的固定級(jí)配,說(shuō)明此時(shí)吊袋內(nèi)側(cè)形成了相同的反濾結(jié)構(gòu)。

充填土料的粉粒百分含量、不均勻系數(shù)和中值粒徑均與充填管袋的脫水速率存在相關(guān)關(guān)系；以穩(wěn)定階段的平均脫水速率作為評(píng)價(jià)充填管袋脫水速率的指標(biāo)，可擬合得到其與各影響因素的具體函數(shù)關(guān)系，分別見(jiàn)式(1)—(3)，供工程實(shí)踐參考。

袋體的縫制方式在含粉量低于30%時(shí)，對(duì)橫縱向吊袋脫水速率無(wú)明顯影響，高于30%時(shí)有明顯影響，且橫向吊袋速率快于縱向吊袋。