張 靜，丁金華

（長(zhǎng)江科學(xué)院巖土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

沖刷試驗(yàn)下土工織物袋物理力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律

張 靜，丁金華

（長(zhǎng)江科學(xué)院巖土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

通過定水頭沖刷模擬試驗(yàn)，對(duì)土工織物的物理、水力學(xué)、力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，對(duì)于充礫或充砂的土工織物袋，沖刷會(huì)使填料中的細(xì)粒嵌入土工織物孔隙，導(dǎo)致織物的單位面積質(zhì)量及厚度增加，等效孔徑O95降低。在流速3.1～4.1 m／s條件下，充礫土工織物袋在沖刷3 h內(nèi)不會(huì)引起強(qiáng)度的明顯衰減，沖刷24 h后袋體易產(chǎn)生局部破壞，強(qiáng)度可能降低20%左右，但填料的粗骨架仍可維持袋體的整體性。而充砂土工織物袋強(qiáng)度及延伸率變化不大，袋體局部受損情況要好于充礫土工袋，但在沖刷10 h后織物產(chǎn)生不均勻變形，在模型槽末端流速為2.0 m／s的部位，未見袋體明顯破損。通過對(duì)比分析沖刷前后土工袋物理、水力學(xué)、力學(xué)參數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)物理性參數(shù)難以反映沖刷對(duì)材料特性的影響，選用拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)參數(shù)作為材料抗沖刷性能的反映指標(biāo)較合理。

沖刷試驗(yàn)；土工織物；物理性質(zhì)；力學(xué)性質(zhì)；水力學(xué)性質(zhì)

1 概 述

土工織物編織袋（下稱土工袋）與混凝土塊或砂、土等結(jié)合組成軟體沉排或砂、土、石袋等，可以用作江、河堤岸的防護(hù)，防止水流直接沖刷堤岸或波浪沖淘，替代傳統(tǒng)的砂礫反濾料［1］，具有整體性好、施工方便、柔性大、適應(yīng)變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已在國內(nèi)外的護(hù)岸工程中應(yīng)用得非常普遍。常規(guī)的護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多是針對(duì)土工織物軟體砂被、砂枕、軟體沉排或模袋進(jìn)行排體的抗漂浮穩(wěn)定性、抗掀動(dòng)穩(wěn)定性、排面抗滑穩(wěn)定性以及排體壓重等整體性能指標(biāo)進(jìn)行核算和驗(yàn)證，對(duì)于組成排體或土袋的土工織物材料本身僅籠統(tǒng)規(guī)定應(yīng)滿足受力要求，有足夠的抗拉強(qiáng)度和抗刺破、頂破強(qiáng)度等。但實(shí)際上，由于土工袋在水下承受反復(fù)的動(dòng)水沖刷和浪擊，且一般袋體中均充填了一定密度和容積的砂礫，在高速動(dòng)水沖擊以及填料棱角磨損等作用下，袋體材料必然產(chǎn)生變形，強(qiáng)度發(fā)生變化，最后可能出現(xiàn)局部破損情況，導(dǎo)致袋內(nèi)填料被水流淘刷，護(hù)岸結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性降低。因此土工袋在水流沖刷條件下的材料強(qiáng)度、穩(wěn)定性是影響護(hù)岸工程長(zhǎng)期穩(wěn)定的決定性因素，也是設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。但目前有關(guān)土工織物抗沖刷性能的研究成果在國內(nèi)外都非常缺乏，土工合成材料試驗(yàn)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)中均沒有對(duì)沖刷試驗(yàn)方法的規(guī)定。因此，對(duì)土工織物進(jìn)行室內(nèi)沖刷模型試驗(yàn)，探索土工袋抗沖刷性能的測(cè)試方法，比較并明確土工袋抗沖刷性能的反映指標(biāo)，最終獲得特定水流沖刷條件下土工袋的物理力學(xué)性能變化規(guī)律，可為土工袋應(yīng)用于護(hù)岸工程提供合理的指標(biāo)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為土工織物袋。

2.2 試驗(yàn)方法

沖刷試驗(yàn)采用高壓沖刷試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行，該模型系統(tǒng)包括高壓泵、循環(huán)供水系統(tǒng)、上游蓄水池、混凝土模型槽以及量測(cè)系統(tǒng)等，通過對(duì)供水流量、水頭及尾水位的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)不同流速，并可對(duì)任意過水?dāng)嗝娴乃?、流速等參?shù)進(jìn)行測(cè)量。土工織物袋的力學(xué)性能試驗(yàn)采用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，拉伸試驗(yàn)按照規(guī)范規(guī)定采用寬條法，其拉伸強(qiáng)度和拉伸延伸率取試樣受拉后對(duì)應(yīng)斷裂時(shí)的最大拉力及延伸率。厚度采用土工織物厚度儀進(jìn)行測(cè)量，按照規(guī)范取2 kPa壓力下對(duì)應(yīng)的厚度。單位面積質(zhì)量采用電子天平進(jìn)行稱量。等效孔徑一般取O95［2］，是指當(dāng)通過土工織物的顆粒重量與粒料總重量之比為5%時(shí)對(duì)應(yīng)的粒徑尺寸，又可以稱為土工織物的表觀最大孔徑，是反映織物的透水性能與保持土顆粒能力的重要指標(biāo)。采用振篩機(jī)進(jìn)行干篩法獲得。垂直滲透系數(shù)是指當(dāng)水流垂直于土工織物平面水力梯度等于1時(shí)的滲透流速，采用土工織物垂直滲透試驗(yàn)儀進(jìn)行。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先對(duì)未充填填料的原狀土工織物進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試，然后再對(duì)土工織物袋充填填料，進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試。充填材料包括礫類土和砂類土2種，粒徑分布見表1及表2。填充時(shí)，按照體積－重量法控制，在60 cm×80 cm的土工袋中填充約45 kg填料，集中疊放在沖刷模型槽底部，并加以固定。土工袋縱向?yàn)轫標(biāo)鞯臎_刷方向。針對(duì)不同充填料的土工袋，分別進(jìn)行沖刷時(shí)間為3，10，24 h的沖刷試驗(yàn)，每次試驗(yàn)都實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同過流斷面的流速。達(dá)到預(yù)定的沖刷時(shí)間后，將疊放的土工袋取出，抖去表面粘附的充填料，晾干后進(jìn)行物理、力學(xué)及水力學(xué)性能試驗(yàn)。為了消除在土工袋裝填填料及運(yùn)輸安放過程中對(duì)袋體材料的損傷所引起的性能變化，以袋體迎水面材料作為直接受到?jīng)_刷影響后檢測(cè)的依據(jù)，同時(shí)對(duì)背水面材料也進(jìn)行了檢測(cè)，二者的差異性即可用來評(píng)價(jià)沖刷的影響。試驗(yàn)控制起始斷面流速為4 m／s左右，這與近年對(duì)長(zhǎng)江中下游近岸流速資料的分析結(jié)果相一致，汛期從降雨結(jié)束至洪峰一般歷時(shí)20 h左右，最大流速可達(dá)4 m／s［3］。

表1 充填料（礫）的粒徑分布Table 1 Particle size distribution of the gravel filler

表2 充填料（砂）的粒徑分布Table 2 Particle size distribution of the sand filler

4 結(jié)果分析

4.1 原狀土工袋的基本性質(zhì)

對(duì)原狀土工袋進(jìn)行了物理、力學(xué)及水力學(xué)性能檢測(cè)［2，4］，其單位面積質(zhì)量為127.60 g／m2，厚度為1.27 mm，等效孔徑O95為0.138 mm，滲透系數(shù)為1.37×10－1cm／s。拉伸試驗(yàn)成果表明，其縱、橫向的拉伸強(qiáng)度及延伸率基本一致（應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖1），縱向拉伸強(qiáng)度為5.01 kN／m，延伸率為46.18%，橫向分別為4.95 kN／m和48.20%，且相應(yīng)的變異系數(shù)基本上都小于20%（除橫向拉伸強(qiáng)度之外），可以認(rèn)為材料的不均勻性在檢測(cè)樣品范圍內(nèi)較低，其中縱向的不均勻性較橫向更低一些。

圖1 土工袋應(yīng)力應(yīng)變曲線（原狀）Fig.1 Stress-strain curves of geotextile bags in prototype

表3是不同試驗(yàn)方案對(duì)應(yīng)的土工袋單位面積質(zhì)量及厚度等物理性能指標(biāo)的變化情況。可見，水流短期沖刷使得部分細(xì)粒不可避免地被嵌入土工袋孔隙之中，且試驗(yàn)后無法去除，導(dǎo)致單位面積質(zhì)量有所增加，相應(yīng)的厚度也增大。

表3 各沖刷試驗(yàn)方案得到的土工袋物理性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Physical indexes of geotextile bags under the various scouring experiments

4.3 沖刷對(duì)土工袋水力學(xué)特性的影響

表4為沖刷后土工袋的等效孔徑及垂直滲透系數(shù)的變化。由于填料中細(xì)粒的嵌入，導(dǎo)致織物的等效孔徑明顯降低，但垂直滲透系數(shù)基本上變化不大。

4.4 沖刷對(duì)土工袋力學(xué)性能的影響

4.4.1 不同預(yù)處理方式對(duì)強(qiáng)度的影響

考慮到填料土工袋在沖刷前經(jīng)過了裝填、運(yùn)輸及浸水等過程，可能對(duì)材料的性能產(chǎn)生影響，因此，進(jìn)行了原狀土工袋浸水以及裝填并浸水2種狀態(tài)下的比較試驗(yàn)。前者是將原狀土工袋浸泡于清水中24 h，然后取出晾干進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，后者是將礫料按規(guī)定的填充率裝填入土工袋中，并浸泡于清水中24h，取出晾干后同樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。表5為不同狀態(tài)下土工袋的縱向拉伸強(qiáng)度及延伸率。

與原狀土工袋相比，經(jīng)過浸水及裝填并浸水預(yù)處理后的材料其拉伸強(qiáng)度略有提高，可能與纖維的定向排列及相互之間摩擦咬合方式的改變有關(guān)，有關(guān)的原因和機(jī)理還有待于進(jìn)一步的研究才能探明。

大家都紛然祝賀。老巴說：“過年我去歸元寺燒了香。我什么都沒求，只求阿東找個(gè)好工作，看來菩薩曉得我心誠呀。”

4.4.2 充礫土工袋沖刷后的強(qiáng)度變化

表6為充礫土工袋在不同沖刷時(shí)間條件下得到的力學(xué)性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，其中對(duì)應(yīng)每一種沖刷方案均進(jìn)行了迎水面和背水面袋體材料的拉伸試驗(yàn)，二者之間的差異可直接反映水流沖刷的影響。

從表中各種條件對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)來看，縱向拉伸強(qiáng)度的變異系數(shù)在5.44%～16.35%之間，橫向拉伸強(qiáng)度變異系數(shù)范圍8.33%～13.65%，縱向延伸率5.45%～15.44%，橫向延伸率8.35%～11.81%，均小于20%，可以認(rèn)為試驗(yàn)前后檢測(cè)取樣的方式及數(shù)量滿足要求，得到的強(qiáng)度和延伸率成果可以作為反映材料性能的依據(jù)。

表4 各沖刷試驗(yàn)方案得到的土工袋水力學(xué)特性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Table 4 Hydraulic properties of geotextile bags under the various scouring experiments

表5 不同狀態(tài)下土工袋的力學(xué)性能變化統(tǒng)計(jì)表Table 5 M echanical properties of geotextile bags under different experiments

表6 不同沖刷試驗(yàn)方案得到的充礫土工袋力學(xué)性能變化統(tǒng)計(jì)表Table 6 Mechanical properties of geotextile bagswith the gravel filler under different scouring experiments

與原狀土工袋相比，沖刷試驗(yàn)后的袋體延伸率降低，強(qiáng)度略有提高，但變化幅度不超過10%。考慮到不同預(yù)處理方式對(duì)強(qiáng)度的影響，并以預(yù)處理方式2（裝填及浸水）得到的材料強(qiáng)度做比較的基礎(chǔ)，可見，充礫土工袋在沖刷3h內(nèi)強(qiáng)度的變化不明顯。但當(dāng)沖刷時(shí)間達(dá)到24 h時(shí)，迎水面的縱向拉伸強(qiáng)度較之同樣情況下未受沖刷的背水面材料強(qiáng)度降低了約23%，且觀察可見袋體織物多處有局部的損傷，甚至頂破現(xiàn)象。說明在長(zhǎng)期高速動(dòng)水作用下，填料棱角與袋體之間的摩擦作用會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度和完整性的明顯損耗。

4.4.3 充砂土工袋沖刷后的強(qiáng)度變化

表7為充砂土工袋在不同沖刷時(shí)間條件下得到的力學(xué)性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，縱、橫向的拉伸強(qiáng)度及延伸率的變異系數(shù)均小于20%。

與充礫土工袋的試驗(yàn)成果相似，3 h內(nèi)充砂土工袋的迎水面強(qiáng)度較背水面未見降低，當(dāng)沖刷時(shí)間達(dá)到10 h后，迎水面縱向強(qiáng)度較之背水面降低了約3%，也可以認(rèn)為材料的強(qiáng)度從統(tǒng)計(jì)平均值上來看沒有變化，但是從范圍值看，最低強(qiáng)度值降低了約23%，變異系數(shù)也有所增大，說明水流沖刷引起袋體材料的不均勻變形仍然很明顯。沖刷時(shí)間為24 h的變化趨勢(shì)與此相似。與填充粗礫不同的是，由于砂料的粒徑較小，袋體土工織物即便局部?jī)H有微小破損，袋中的填料也會(huì)很快被水流全部帶走，而使土工袋喪失整體性。試驗(yàn)表明大約在沖刷6 h后部分充砂土工袋的填料全部流失。從沖刷時(shí)間來看，24 h后的迎水面縱向拉伸強(qiáng)度較3 h時(shí)降低了約10%左右，說明沖刷時(shí)間越長(zhǎng)，袋體材料強(qiáng)度的損耗越明顯。

表7 不同沖刷試驗(yàn)方案得到的充砂土工袋力學(xué)性能變化統(tǒng)計(jì)表Table 7 Mechanical properties of geotextile bagsw iht sand filler under the different scouring experiments

5 結(jié) 論

（1）對(duì)于充礫或充砂的土工織物袋，沖刷會(huì)使填料中的細(xì)粒嵌入土工織物孔隙，導(dǎo)致織物的單位面積質(zhì)量及厚度增加，等效孔徑O95降低，滲透系數(shù)的變化不大，仍在10－1量級(jí)。

（2）在流速3.1～4.1 m／s條件下，充礫土工織物袋在沖刷3 h內(nèi)不會(huì)引起強(qiáng)度的明顯衰減，沖刷24 h后袋體易產(chǎn)生局部破壞，強(qiáng)度可能降低20%左右，但填料的粗骨架仍可維持袋體的整體性。

（3）在流速3.1～4.1 m／s條件下，沖刷時(shí)間在24 h內(nèi)，充砂土工織物袋強(qiáng)度及延伸率變化不大，袋體局部受損情況要好于充礫土工袋，但在沖刷10 h后織物產(chǎn)生不均勻變形，在模型槽末端流速為2.0 m／s的部位，未見袋體的明顯破損。但充砂土工袋的袋體如果存在局部破損現(xiàn)象，則細(xì)顆粒填料可能會(huì)被高速水流沖走而使土工袋喪失其整體穩(wěn)定性。

（4）通過對(duì)沖刷前后土工袋物理、力學(xué)、水力學(xué)性能指標(biāo)的檢測(cè)，可認(rèn)為物理性參數(shù)難以反映沖刷對(duì)材料特性的影響，而滲透系數(shù)基本沒有變化，選用力學(xué)性質(zhì)參數(shù)（拉伸強(qiáng)度）作為材料抗沖刷性能的反映指標(biāo)是合理可行的。

（5）本次針對(duì)土工織物袋的沖刷試驗(yàn)，模擬的工況與河道護(hù)岸工程略有差別，但從流速、沖刷時(shí)間以及土工袋的結(jié)構(gòu)性來看，基本上考慮了實(shí)際應(yīng)用中的極端工況，得到的成果可供護(hù)岸工程設(shè)計(jì)參考。

（6）本次試驗(yàn)僅從水流（清水）沖刷對(duì)土工袋工程特性的影響方面進(jìn)行了初步研究，實(shí)際土工袋護(hù)岸工程中的影響材料特性的因素還有很多，如暴露于大氣中的氧化、老化作用、往復(fù)水流的淘刷作用、含泥砂水流的沖刷作用，以及生物和人為破壞等，都會(huì)對(duì)袋體材料性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性造成影響，更深入全面的探討還有待于進(jìn)一步的研究工作。

［1］ 岳紅艷，余文疇.長(zhǎng)江河道崩岸機(jī)理［J］.人民長(zhǎng)江，2002，33（8）：20－24.（YUE Hong-yan，YUWen-chou.Mechanism of Changjiang River course collapse［J］.Yangtze River，2002，33（8）：20－24.（in Chinese））

［2］ SL／T235－1999，土工合成材料測(cè)試規(guī)程［S］.（SL／T235－1999，Code for test and measurement of geosynthetics［S］.（in Chinese））

［3］ 《中國海洋年鑒》編纂委員會(huì).中國海洋年鑒（2002－2007）［M］.北京：海洋出版社.（Editorial Board of anual book of China Ocean.Annual Book of China Ocean（2002－2007）［M］.Beijing：Ocean Press，2002－2007.（in Chinese））

［4］ GB50290－98，土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.（GB50290－98，Technical standard for applications of geosynthetics［S］.（in Chinese））

［5］ 《土工合成材料工程應(yīng)用手冊(cè)》編寫委員會(huì).土工合成材料工程應(yīng)用手冊(cè)（第二版）［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.（Editorial Board of Applications Handbook of Geosynthetics.Applications Handbook of Geosynthetics（Second edition）［M］.Beijing：China Construction Industry Press，2000.（in Chinese））

（編輯：王 慰）

Experimental Study on Variation of Physical Properties of Geotextil Bags by Using Scouring M ethod

ZHANG Jing，DING Jing-hua
（Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Physical，mechnics and hydraulic properties of geotextile bagswere studied in this paper by using scouring experiments.The results indicated as follows：For ecological bags with gravel or sand filler，the washout can cause the fine grainmaterial filling into the gaps of geotextile，and thus，result in weight and thickness of unit area increase and the equivalent opening size O95is reduced.When flow velocity is3.1－4.1 m／s，the strength of geotextile bagswith gravel filler is not obviously weakened in 3 hours，but partial damage will appear on bags and the strength is reduced by about20%while the unity of the bags is unalterable.For ecological bagswith sand filler，its strength and integrity is basically constant and partial damage is better than bagswith gravel filler.However，heterogeneous deformation happens after 10-hour wash.At the terminal of the experimental flume with flow velocity 2.0 m／s，damages do not appear on the bags.By comparisons of physical，mechanics and hydraulic properties before and after the experiment，this proves that physical properties can not reflect the effectofwash onmaterial characteristics.Themechanical properties such as tensile strength etc.aremore suitable indicators to reflect the erosion-resistant characteristics ofmaterials.

scouring experiment；geotextile；physical property；mechanical property；hydraulic property

S157

A

1001－5485（2010）11－0067－04

2010-09-10

張 靜（1960-），女，河北阜城人，工程師，主要從事土力學(xué)試驗(yàn)和土工合成材料檢測(cè)方面的研究，（電話）027-82927645（電子信箱）zhangjing2008－12＠sohu.com。