单向拉伸对土工织物覆砂系统渗透特性的影响试验

肖 豪，满晓磊，路承斌，葛 颖，戎梦玉，刘 慧

(滁州学院 土木与建筑工程学院，安徽 滁州 239000)

充填管袋筑堤技术因相较于土石坝的碾压和抛投建造工艺有着低碳节能、工艺简单、技术可靠、节省造价和工期可控等优点而被广泛应用，并快速发展。其中，管袋的渗透特性是影响管袋坝整体稳定性的一个重要影响因素，而充填管袋是由充填砂和土工织物组成的包裹系统。近几十年间，国内对于管袋坝的施工工艺、充填土体的脱水保土性能、充填管袋的稳定性等方面进行了深入探索，为充填管袋渗透特性的研究奠定了理论基础。

目前，国内学者对充填管袋渗透特性的研究较为深入。苏立君等[1]通过多种级配土料的常水头渗透试验最终得出不同级配土对渗透系数的经验公式。唐国航等[2]研究了土工布放置位置及其层数对渗透特性的影响规律,并推导了土工布埋深与土体渗透系数之间的对应关系。魏松等[3]通过进行不同等效孔径的无纺织物渗透淤堵试验总结了梯度比、渗透系数等参数的变化规律。吴海民等[4]通过室内吊袋试验研究总结出粉粒较高的填充土料的高效排水固结施工工艺。丁瑜等[5]通过分析多种级配粗粒土对渗透系数的影响得出不同粒径下的影响程度不同。詹美礼等[6]进行室内大尺度应力-渗流耦合模型试验，研究得到不同布置方式的应力对管袋堆积体渗透特性的影响。满晓磊等[7]通过对比无覆砂条件下的渗透系数得到土工织物能抑制砂料中的细颗粒流失。庞小朝等[8]通过自主改造的梯度比渗透仪对土工织物的淤堵情况进行分析。李国栋等[9]利用自主改进的梯度比渗透仪对两种土工织物进行渗透试验得出有纺土工织物较无纺土工织物更容易发生淤堵。吴纲等[10]研究了土工织物在覆土条件下的渗透系数与纯土渗透系数的差异，得到覆粉砂条件下渗透系数略大于纯粉砂的渗透系数。

但在实际施工中充填管袋的渗透特性不可避免地受到不同水流和挤压变形的影响，因此，对这两种条件下的渗透特性研究十分必要。梁健伟等[11]利用可变动水头位置的常水头试验装置对特细粘土进行渗透试验得出水力梯度对渗透系数的影响关系。汪帅等[12]通过梯度比渗透装置研究往复水流下双向拉伸土工织物的保土性能，得出该条件下应变的增大使土工织物的保土性减弱。庄艳峰等[13]利用自主研发的往复水流渗透试验仪器研究了多种频率水流对“土工织物-土”系统的影响原理。陈亮等[14]对充填管袋填充土料过程的研究分析得出管袋在充填过程中受力变形过程。满晓磊等[15]利用不同缝制方向的土工织物进行吊袋试验，研究得到纬丝应力大于经丝应力时吊袋拥有更好的脱水性能。雷国辉等[16]利用自主研发的多功能渗透装置研究了土工织物拉伸和荷载情况下的渗透特性。佘巍等[17]通过测定不同拉伸状态下的织物孔径得到土工织物受拉时的孔径拟合公式。刘伟超[18]利用自主研发的装置测定了土工织物在张力作用下的透水率。白彬等[19]利用自主研发的双轴拉伸装置和干筛法研究了土工织物的等效孔径和拉应变的关系。唐琳等[20]研究两种类型土工织物在不同拉伸状态的渗透特性，从而为实际施工打下基础。Wu等[21]通过对单向拉伸的土工织物与土组成系统进行渗透实验，得出土工织物等效孔径对渗透流速的影响规律。

有纺土工织物的编制方式使得织物不同方向的丝线变形程度不一，经丝变形相对纬丝较大。在施工过程中，相同的荷载沿经、纬向分别作用在经丝和纬丝上时会导致经、纬丝变形程度不同，使得充填管袋渗透特性发生变化。Man等[22]在做室内管袋充填试验中发现经纬丝受压变形程度不一进而导致渗透特性发生变化。目前，国内外针对充填管袋受力变形的试验研究只是单轴拉伸和双轴拉伸两种类型，并未注意到经纬丝不同程度变形对“土-土工织物”系统渗透性能的影响。因此，有必要继续深入研究土工织物经纬丝单向拉伸对系统渗透性能的影响。文中利用梯度比渗透仪分别对土工织物进行未拉伸未覆砂状态下、未拉伸覆砂状态下、经纬向各拉伸3%覆砂状态下进行试验，以探寻经纬向单向拉伸对其渗透特性的影响规律。

1 渗透试验

1.1 试验材料与设备

如图1所示，试验装置为可进行常水头渗透试验的梯度比渗透试验仪，在装置上方固定一个高度放置储水箱，保证试验的常水头条件。梯度比渗透试验仪主体部分分为上下两个圆筒，上筒的直径D为200 mm，高度H为200 mm，下筒直径D为200 mm，高度H为100 mm。梯度比渗透试验仪主体部分中间使用法兰盘固定单向拉伸后的土工织物。上筒和下筒布置了一层发泡胶带，以保证在试验过程中受到压缩的发泡胶带与土工织物充分结合，有效地阻止水流出和空气进入，使得试验数据非常精准。梯度比渗透试验仪中填充土料高度为200 mm，设置水力梯度为i=6.0。在梯度比渗透试验仪上筒的下端开始每隔25 mm设置一个测压管，共计4个测压管。下筒设有出水口，用于测出水量，同时下筒还用于收集透过织物的土粒。所选土体级配见表1。

表1 土样的颗粒级配

1.2 试验方案

将沿经向和纬向拉伸的土工织物在渗透装置中分别进行未覆砂状态下的透水试验和覆砂状态下的渗透试验，具体试验方案见表2。

表2 试验方案

1.3 试验过程

利用自主研发的梯度比渗透仪进行渗透试验。首先将试验所需的土工织物裁剪成矩形,然后安置在拉伸机上按照固定的速率和应变进行拉伸，渗透仪拆分与拉伸完成的土工织物进行安装，并裁剪多余的土工织物。取下梯度比渗透仪，按照固定级配配置好的土料均匀装填在梯度比渗透仪中。土料填充完成后打开给水装置，使得水流由出水口进入，控制水流流速使水流慢慢浸透土料。当水完全浸透整体土料时，逐渐升高水头高度最终至固定位置。试验前浸泡12 h，使得土料中的气泡排尽，降低不良影响。待浸泡完成时，将给水装置与进水口连接，打开出水口，开始收集数据。每隔15 min测得一次数据，直至数据稳定时结束试验。试验结束后，取出透过土工织物的颗粒进行烘干称重，测得数据为漏砂量。

2 试验结果及分析

2.1 经纬向拉伸对透水性能的影响

将选取的两种规格土工织物分别以10 mm·min-1的速率进行单向拉伸，两种土工织物的经、纬向丝分别拉伸至应变为0%和3%。在常水头条件下，对拉伸后的土工织物分别进行覆砂和无覆砂状态渗透试验。有无覆砂状态下土工织物渗透速率如图2、图3所示。

图2 无覆砂状态下土工织物渗透速率

由图2中工况一、三可以看出，在未覆砂条件下，相对于未拉伸状态，沿经丝单向拉伸后的两种土工织物渗透速率均明显减小，其中，工况一中试验B的土工织物降低了67.6%，而工况三中试验H的土工织物降低了34.4%；而沿纬丝拉伸后的两种土工织物渗透速率均略有增加，其中，工况一中试验C的土工织物增加了4.2%，而工况三中试验I的土工织物增加了3.4%。说明土工织物沿经丝方向受力会使土工织物的孔隙减小，因而导致其渗透速率明显降低，这与满晓磊等[7]就土工织物编织方式对充填管袋脱水速率的影响探究中所得到的结论不谋而合；并且沿经丝方向拉伸相同程度时，单位面积重量越小的土工织物孔隙缩小程度越大，其渗透速率降低程度更明显。而沿土工织物纬向拉伸，则会导致其孔隙变大，进而使拉伸后的土工织物在未覆砂状态下的渗透速率较未拉伸时略有增加。

由图3中工况二、四可以看出，在覆砂条件下，相对于未拉伸状态，沿经丝单向拉伸后的两种土工织物渗透速率均略有减小，其中，工况二中试验E的土工织物降低了32.0%，而工况四中试验K的土工织物降低了27.1%；并且沿纬丝拉伸后的两种土工织物渗透速率均有明显增加，其中，工况二中试验F的土工织物增加了18.6%，而工况四中试验L的土工织物增加了101.6%。说明在覆砂状态下，土工织物沿经向拉伸依旧会使得织物孔隙变小，进而导致其渗透速率降低，但在覆砂状态下，单位面积重量越大的土工织物在经向拉伸后的渗透速率降低更明显；而沿纬向拉伸则会使得土工织物的孔隙变大，进而导致其在覆砂状态下的渗透速率明显增加，且单位面积重量越大增加越明显。

图3 覆砂状态下土工织物渗透速率

图2和图3对比分析得出，对于同种规格的土工织物进行同一方向相同程度的单向拉伸，其在未覆砂和覆砂状态下的渗透速率有着明显的差异。表现在以下几个方面：

1)沿经向拉伸后的土工织物相较于未拉伸的土工织物在未覆砂状态下的渗透速率降低更为明显，说明砂体会降低装置内水流的流速。

2)对于这两种规格的土工织物，沿经向拉伸相同程度后，无论是未覆砂还是覆砂状态下，单位质量越大渗透性能越好，且在覆砂状态下土体对渗流的阻碍作用明显。

3)沿纬向拉伸后的土工织物相较于未拉伸的土工织物在覆砂状态下渗透速率增加比率要远大于未覆砂状态下的渗透速率，说明在未覆砂状态下的土工织物沿纬向拉伸与未拉伸对其渗透速率的影响可以近似忽略，而在覆砂状态下时则不能忽略。

2.2 经纬向拉伸对保土性能的影响

漏砂量可以直观反映土工织物对填充砂样的保土性能。图4为土工织物在覆砂状态下进行渗透试验时的漏砂量。由图4可知，无论是何种规格的土工织物，较未拉伸状态下，经向拉伸均会使漏砂量减少，而纬向拉伸则会使漏砂量增加。对于图4进行横向比较可知，无论是拉伸还是未拉伸的土工织物，其单位质量越大漏砂量越多，保土性能就越差，其中,以沿经向拉伸表现最为明显。

图4 经纬向拉伸覆砂条件下的漏砂量

2.3 经纬向拉伸对防淤堵性能影响

针对本试验选取的梯度比GR的计算公式为

(1)

式中:H1-2为测压管1号管和2号管间的水位差,cm；H2-3为测压管2号管和3号管间的水位差,cm；&为土工织物的厚度,cm。

如图5所示为工况二与工况四中各组试验的梯度比随时间的变化规律，可知工况二与工况四中各组试验在渗透过程中的梯度比随试验时间的变化大体一致；均随试验时间的延伸而增加，且在16 h后趋于稳定。

图5 梯度比GR随时间的变化曲线

如图6所示为覆砂状态下的土工织物在渗透稳定后的梯度比。由图6可知，相较于未拉伸状态下的土工织物，沿经向拉伸的土工织物梯度比会增加，且单位质量越小的土工织物增加得越明显；而沿纬向拉伸则会导致土工织物的梯度比降低，且单位质量越大降低得越明显。表明经向拉伸使得土工织物的防淤堵性能减弱；纬向拉伸使得土工织物的防淤堵性能增强。经向拉伸影响土工织物的防淤堵性能效果比纬向拉伸要大。由于制造工艺的原因，经向拉伸使得织物更加密实，有效孔径减少，更易造成淤堵。土工织物的厚度对防淤堵性能的影响表现为越厚的土工织物无论拉伸还是未拉伸其梯度比都较大。

图6 经纬向拉伸覆砂条件下的梯度比

对于图6进行横向比较可知，在相同的拉伸条件下，单位质量越大的土工织物梯度比越高，初步判断是由于土工织物发生严重淤堵所造成。为了更加客观全面地评价土工织物与不连续级配土组成系统的淤堵情况，对土工织物与不连续级配土组成系统的渗透系数进行计算分析，试验结果如图7所示。

图7 经纬向拉伸覆砂条件下的渗透系数

由图7可以看出，较未拉伸状态下的土工织物而言，经向拉伸会使土工织物覆砂系统的渗透系数减小，其中，土工织物单位质量越小减小得越明显；而沿纬向拉伸则会使土工织物覆砂系统的渗透系数增加，其中，土工织物单位质量越大增加得越明显。结果表明，经向拉伸后的土工织物渗透系数会减小，纬向拉伸后的土工织物渗透系数会增大。工况二的土工织物与不连续级配土组成系统的渗透系数在未拉伸和经向拉伸条件下的渗透系数要比工况四大，纬向拉伸下的渗透系数与工况四较为接近。结合上面数据分析，在试验过程中，土体中上层小颗粒逐渐下移造成土工织物淤堵，工况四土工织物的等效孔径较大，漏砂量较多，大量的细砂流失造成土体坍塌变得密实，因此，工况四的渗透系数较工况二要小。

以上4个参数间接证明了土工织物在经向拉伸应变至3%时，土工织物的等效孔径变小；在纬向拉伸应变至3%时，土工织物的等效孔径变大。

3 结 论

1)经纬向拉伸对土工织物各方面的影响效果不同，对于经纬向拉伸后的渗透性能的参数应综合分析。在实际运用中应当依据实际需要采取合理的措施以达到最优选择。

2)经向拉伸使得有纺织物的透水性能和防淤堵性能减弱，保土性能增强；纬向拉伸使得有纺织物的透水性能和防淤堵性能增强，保土性能减弱。土工织物的厚度对其透水性能、保土性能和防淤堵性能的影响不可忽视。

3)本实验结果表明有纺土工织物在经向拉伸下等效孔径变小；在纬向拉伸下等效孔径变大。有纺织物由于制造工艺的原因造成经丝呈弯折状，经向拉伸导致整个平面密实，等效孔径变小。但土工织物在更大的拉伸应变下是否遵循该规律仍需继续研究。