模袋砂沖剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)及應(yīng)用

戴德軍，楊永民，程 喜，李海波

(1.中鐵十九局集團(tuán)廣州工程有限公司，廣州 511458；2. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)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(qiáng)度土工織物制作的大面積連續(xù)袋狀材料，并在其內(nèi)泵灌流動(dòng)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(hù)岸坡穩(wěn)定的施工技術(shù)[1-3]。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，構(gòu)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(hù)堤、港口、碼頭、吹填造陸圍堰防護(hù)等工程的建設(shè)中[4-9]。模袋砂的優(yōu)點(diǎn)眾多，應(yīng)用前景廣泛，對(duì)模袋砂的力學(xué)性能研究國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者也進(jìn)行了試驗(yàn)分析、理論研究的工作[10-13]。在模袋充填物試驗(yàn)研究方面，日本對(duì)土工編織袋充填物進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)研究，該試驗(yàn)中土工編織袋袋內(nèi)填充物為小石塊，通過(guò)試驗(yàn)得到了土工袋的破壞形式及土工袋的破壞特點(diǎn)[14-16]。荷蘭在1994年開(kāi)展了模袋砂防波堤的穩(wěn)定性試驗(yàn)，選用了兩種模袋尺寸作為對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明模袋砂構(gòu)筑的堤壩或圍堰結(jié)構(gòu)適用于中等或者沒(méi)有波浪作用的情況下，在有大浪潮的情況穩(wěn)定性較差[17-18]。Shin等[19-22]分析不同填充物對(duì)模袋砂的性能影響，選取了砂和土兩種材料分析對(duì)比充填物對(duì)土工袋形狀變化的影響，結(jié)果表明不同填充物的性質(zhì)(主要是填充物的沉積、自重固結(jié))對(duì)模袋砂的形狀變化有影響。劉斯宏等[23-25]進(jìn)行了模袋砂的豎向壓縮試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)分析認(rèn)為模袋砂在受到外壓力的作用下，袋內(nèi)填充物被壓密，填充物顆粒之間的摩擦力增大，內(nèi)摩擦角也隨之增大，且模袋受壓后發(fā)生了變形，從而使外表面的模袋產(chǎn)生張力，模袋的張力限制了袋內(nèi)填充物的變形，使模袋與袋內(nèi)填充物成為一個(gè)整體，這樣一個(gè)整體的強(qiáng)度明顯高于沒(méi)有模袋限制的散體填充物的強(qiáng)度?？傊?，土工模袋砂是新興起的材料和技術(shù)，以諸多優(yōu)點(diǎn)蘊(yùn)藏著廣泛的應(yīng)用前景，但是對(duì)于模袋砂的設(shè)計(jì)和使用而言，還存在著許多必須解決的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外對(duì)模袋砂技術(shù)的研究大多集中在應(yīng)用方面，對(duì)相關(guān)問(wèn)題的分析研究尚未展開(kāi)。如在實(shí)際工程適用過(guò)程中，當(dāng)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(shí)等問(wèn)題時(shí)，上下模袋砂會(huì)產(chǎn)生中空狀態(tài)。當(dāng)中空狀態(tài)時(shí)的模袋砂被施加向下作用力的時(shí)候，該局部位置受到?jīng)_剪作用，從而導(dǎo)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(fā)生變形，會(huì)影響圍堰整體的穩(wěn)定性。為此，應(yīng)提出該情況下模袋砂沖剪強(qiáng)度的室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，對(duì)保證工程質(zhì)量有重要的意義。

2 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)及結(jié)果評(píng)價(jià)

2.1 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)方法主要目的評(píng)價(jià)模袋砂沖剪切強(qiáng)度。整體試驗(yàn)在室內(nèi)反力架上進(jìn)行，下方制作1個(gè)裝有94%以上密實(shí)度的砂加固鋼箱，上面放置1個(gè)按照標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)為Y的正方形的推進(jìn)裝置，或直徑為D的圓形推進(jìn)裝置。通過(guò)反力架液壓裝置對(duì)模袋砂袋施加壓力，直至模袋砂袋破壞，讀取測(cè)試的最大力值F(試驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示，原理如圖2所示)。

圖1 模袋砂沖剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法示意

圖2 模袋砂現(xiàn)場(chǎng)剪切強(qiáng)度的模擬試驗(yàn)方法示意

2.2 試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算評(píng)價(jià)

根據(jù)圖2的試驗(yàn)原理，剪切面就是模袋砂內(nèi)被沖頭沖出的圓柱體的側(cè)面，其面積計(jì)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(jì)算公式為A=4×Y×t(Y為正方形沖板的邊長(zhǎng)，t為模袋砂厚度)。

通過(guò)2.1中反力架液壓裝置對(duì)模袋砂袋施加壓力，直至模袋砂袋破壞，當(dāng)反力架上沖壓板為正方形時(shí)，模袋砂的沖剪強(qiáng)度通過(guò)如下式計(jì)算：

τ=F/(4×0.25Y)

(1)

式中：

τ——模袋砂的沖剪強(qiáng)度，Pa；

F——模袋砂的沖剪最大試驗(yàn)力，N；

Y——沖壓板為正方形時(shí)的邊長(zhǎng)，m。

當(dāng)反力架上沖壓板為圓形時(shí)，模袋砂的沖剪強(qiáng)度通過(guò)如下公式計(jì)算：

τ=F/(0.25πD)

(2)

式中：

τ——模袋砂的沖剪強(qiáng)度，Pa；

a 模袋砂CBR頂破力—沖剪強(qiáng)度曲線

a A模袋砂沖剪強(qiáng)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(yàn)力，N；

D——沖壓板為為圓形時(shí)的直徑，m。

3 應(yīng)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(xué)性能見(jiàn)表1所示。由表1可見(jiàn)，4種土木膜袋的縱向和橫向抗拉強(qiáng)度為D>C>B>A，縱、橫向斷裂伸長(zhǎng)率A>B>C>D，CBR頂破力和梯形撕破強(qiáng)度D>C>B>A。

表1 土工模袋技術(shù)指標(biāo)選擇對(duì)比

3.2 模袋砂沖剪強(qiáng)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(guī)格為50 mm×50 mm×10 mm，進(jìn)行模袋砂的沖剪試驗(yàn)(沖剪壓力—位移以及沖剪強(qiáng)度—位移曲線見(jiàn)圖3和圖4)。

由圖3、圖4可見(jiàn)，曲線基本呈現(xiàn)線性正相關(guān)，隨著壓力的不斷增大，砂逐漸被壓密實(shí)，曲線斜率不斷增大，其應(yīng)變硬化現(xiàn)象明顯，且在硬化階段關(guān)系曲線的近似呈直線關(guān)系， 一直延續(xù)到模袋的破壞，達(dá)到最大力時(shí)出現(xiàn)下跌的趨勢(shì)。

4種模袋砂的最大壓力和沖剪強(qiáng)度見(jiàn)表2所示，表2中可見(jiàn)，4種沖剪強(qiáng)度順序?yàn)镈>C>B>A。

表2 模袋砂沖剪強(qiáng)度

3.3 土木膜袋性能對(duì)模袋砂沖剪強(qiáng)度的影響

模袋砂的沖剪強(qiáng)度是與土工模袋的自身性能有關(guān)，土工膜袋的CBR頂破力和梯形撕破強(qiáng)度和模袋砂沖剪強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖5所示。模袋填充完砂之后，其強(qiáng)度增大，增強(qiáng)機(jī)理為模袋填充完砂，隨后在反力架上被壓密實(shí)后，會(huì)發(fā)生壓縮變形以及拉伸變形，由于模袋砂發(fā)生拉伸變形，導(dǎo)致其斷面的周長(zhǎng)變長(zhǎng)，產(chǎn)生拉伸應(yīng)變，由于張力與拉伸應(yīng)變成線性關(guān)系，因此，模袋產(chǎn)生了張力，模袋內(nèi)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(qiáng)度本質(zhì)上源于土顆粒間的摩擦強(qiáng)度，砂顆粒間接觸力增加意味著土顆粒間的摩擦強(qiáng)度增大(符合摩擦定律F=μN(yùn)，μ為砂顆粒間摩擦系數(shù))，從而模袋砂的整體強(qiáng)度得到顯著提高。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 針對(duì)實(shí)際工程適用過(guò)程中存在模袋砂受剪切破壞，導(dǎo)致該層模袋砂失效，圍堰局部發(fā)生變形，從而影響圍堰整體的穩(wěn)定性的問(wèn)題，提出該情況下模袋砂沖剪強(qiáng)度的室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，即整體試驗(yàn)在室內(nèi)反力架上進(jìn)行，下方制作1個(gè)裝有94%以上密實(shí)度的砂加固鋼箱，上面放置1個(gè)按照標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)裝置對(duì)模袋砂袋施加壓力，直至模袋砂袋破壞，讀取測(cè)試的最大力值F。

2) 當(dāng)反力架上沖壓板為正方形時(shí)，模袋砂的沖剪強(qiáng)度通過(guò)τ=F/(4×0.25Y) 計(jì)算，當(dāng)反力架上沖壓板為圓形時(shí)，模袋砂的沖剪強(qiáng)度通過(guò)公式計(jì)算：τ=F/(0.25πD)。

3) 模袋砂的沖剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明沖剪強(qiáng)度與土工模袋的自身性能有關(guān)系，模袋填充完砂之后，其強(qiáng)度得到提高，具有較高的縱向和橫向抗拉強(qiáng)度、CBR頂破力和梯形撕破強(qiáng)度的土木模袋對(duì)應(yīng)的模袋砂具有較高的沖剪強(qiáng)度。