上覆压力对袋装固结软土固结效果的影响评价

陶 磊，顾欢达，薛国强，张益平

（1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011；2.常熟市住房和城乡建设局，江苏 常熟 215500；3.常熟市工程质量检测中心，江苏 常熟 215500）

由于软土一般具有含水量高、强度低、压缩性大等特征，工程性质较差。袋装固结软土是一种通过将高含水软土充填到土工袋中，利用土工袋的约束和渗水作用提高软土的渗透固结效果[1]，以达到能在较短时间内快速利用软土的目的，对于含水量特别高的软土如淤泥等，为了进一步提高固结效果或增大固结体的强度，往往在装袋固结之前先在软土中掺入一定量的固化剂以达到能在短时间内满足工程要求的目的。袋装固结土具有强度高、密实度高、养护时间短、造价低、较易满足保护环境要求、外观整齐美观等优点[2]，在当地存在大量高含水软土的场地，既可以充分利用软土，同时也可以减少工程性质较差的软土外运输送压力，解决使用砂石材料带来的环境破坏问题[3]，在软土分布较多的边坡、围堰等工程中被广泛应用[4]。

在挡土墙、路堤、围堰等实际工程中，袋装固结土多是堆放养护、使用的，不同堆放层次的袋装固结土所受到的上覆压力也不同，对土工袋的强度、变形等的影响也不一样。因此，在固结过程中上覆压力对袋装固结土固结效果的影响较大。很多学者对上覆压力这一影响因素进行了研究，杨爱武等[5]通过大量试验得出上覆压力通过影响土工袋的排水效果来影响袋装淤泥土的强度；童俊辉等[6]证明了上覆压力对袋装固结土强度的影响也是通过影响土工袋的排水效果来实现的；高军军等[7-8]通过有限元数值模拟的方法模拟得出土工袋的变形与外膜张力都随上覆压力的增大而增大。然而目前的研究都只是单一地从试验或模拟中的一个方面进行考虑，并且都只是关注固结过程的某一个阶段，为了进一步考察不同固结阶段上覆压力对袋装固结效果的影响，在此从试验和模拟两个方面进行综合考察，将固结分为初期与后期两个时间段来综合研究上覆压力对固结效果的影响，对于提高软土袋装固结处理效果及安全稳定性具有良好的理论及工程意义。

1 试验

1.1 试验方法

1.1.1 试验原料 试验用土取自苏州市某河道的开挖淤泥土，根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）测得其物理性质指标如表1所列。试验用土的液性指数IL=1.91,塑性指数IP=21.9，属于低液限黏土。

表1 试验用土的物理性质指标

1.1.2 配比设计 试验中采用的试样配比及养护条件如表2所列，表中所指的水泥掺量是指水泥与湿土质量的比值。试验用水泥为普通硅酸盐水泥。由于实际河道淤泥的含水状态存在比较大的差异，因此需要考察不同含水条件下的袋装固结淤泥的性状。在对比了60%、80%、100%初始含水率条件下袋装固结土养护后的性能变化，发现当含水率较低时土体在掺入水泥后塑性较差，充入土工袋后无法形成较为严密的整体，并且随着含水率的降低，养护后土体强度增长的趋势在减缓，故采用80%含水率的淤泥进行配比试验更加合适。

表2 试样配比及养护条件设计

1.1.3 试验方法 试验用土工袋材料长度方向预留0.15 m做绑扎用。将取回的土样风干，筛除草根、碎石等杂质，并取部分土样烘干，测得土样初始含水率，再加水配置80%含水率的淤泥，然后掺入6%水泥搅拌均匀，并根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）测量土样密度、含水率、抗剪强度、渗透系数及压缩模量等指标，如表3所列。由于此时土体处于流动状，内摩擦角为接近为0°，土体的强度全部由粘聚力提供，无法对土体进行直剪和固结试验，因此采用用于室内强度试验的微型十字板剪切仪进行试验。具体方法为：将十字板探头缓慢插入配置好并尚未充入土工袋的土体至探头十字板部位完全没入土体，并停留2～3 min，随后进行剪切，并根据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）中的公式进行计算，得出此时土体的抗剪强度值，压缩模量近似取强度的50倍考虑[9]。将搅拌均匀的土料装入土工袋，扎紧袋口后置于收纳盒中养护，如图1所示，并在土工袋上加载设定的上覆压力，在固结过程中收集渗滤水并测量渗水量,使用WGZ-1B便携式浊度仪测量渗水的浊度[10]，以评判不同上覆压力条件固结渗水对周边环境可能产生的污染程度。对于达到设定养护龄期的袋装固结土，在尽可能减少挠动的条件下取出土样，根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）进行十字板剪切试验测其不排水强度，用环刀采取土样实施密度、含水率、渗透性，以及剪切、固结等物理力学试验，每种试验采取三个平行试样进行试验。

表3 固结初期土体物理力学参数

1.2 模拟试验

1.2.1 袋装固结模拟建模 对袋内土体采用摩尔库伦模型[11]，外侧土工袋膜采用张拉杆单元模拟[12]，固结过程中只承受拉力，不承受压力，在计算中如果出现压缩杆单元，则将杆单元的应力释放到周边单元的节点上[7]，考虑土工袋膜的柔软性及随袋内土体变形的追从性，将土工袋膜的弹性模量设为零。假设土工袋与袋内土体之间无相对滑动，故不设接触面单元。

图1 袋装固结土养护示意图

1.2.2 计算模型及参数设定 由于袋装固结的土工袋通常采用长条形形状，为便于计算在模拟计算中采用二维平面模型，参照试验中所用的土工袋尺寸，二维平面模型尺寸设定为21 cm×12 cm（不包括两端半圆部分）。有限元离散后土工袋由160个张拉杆单元组成，袋内土体由1 596个实体单元组成，如图2和图3所示，其中竖直方向监测点沿y轴分布，水平方向监测点沿x轴分布，如图4所示。控制模型底部节点为全约束，而顶部与两侧节点无约束，土工袋节点设为自由排水节点。

图2 土工袋（160个）图

图 3 土体网格（1 596个）图

土工袋膜的物理力学性能如表4所列，袋内土体分为固结初期和固结后期两部分计算。在计算时，只改变固结初期与固结后期土的物理力学参数，其他模型及参数保持不变。固结初期土体的物理力学参数如表3所列，固结后期土体的物理力学参数则根据养护7 d后进行的试验测得。

2 试验结果分析

2.1 初期固结效果及影响分析

2.1.1 上覆压力对渗水量及渗水浊度的影响 实测得到的固结初期渗水量与上覆压力的关系曲线见图5。由图可知，随着上覆压力的增大，同一时间内袋装固结土的渗水量随之增大，而且即使上覆压力不同，渗水趋于停止的时间几乎相同。由于在1.5 h之后袋装固结土渗水量较少，无法测得其渗水浊度，故只能测得前两个时间段的渗水浊度，如图6所示，由图6可知同一时间袋装固结土的渗水浊度随上覆压力的增大而增大，且随着时间的进行，渗水浊度呈增大趋势，由此可知袋内土颗粒在较大上覆压力的作用下会随渗滤水一起渗漏出土工袋膜，导致周边受污染的可能性增加。

2.1.2 上覆压力对孔隙水压力分布的影响 在固结初期阶段，软土的固结与孔隙水压力消散程度及分布存在密切的关系。通过模拟分析可以得到不同固结压力条件下袋装固结土体内部的孔隙水压力随时间的变化情况。图7为不同上覆压力条件下袋装固结土体内部各点孔隙水压力随时间消散曲线，由图可知，随着上覆压力的增大，袋装固结土体内各点的初始孔隙水压力也随之增大，但孔隙水压力消散的时间几乎相同，此结果说明在固结初期渗水量随上覆压力的增大而增大，但渗水固结时间变化不大，与试验测试测得的结果基本吻合。孔隙水压力消散时，最大孔隙水压力分布在土工袋的中心区域，从中心向四周消散，最外侧的孔隙水压力随时间最先消散，这与土工袋膜渗水是由外到内进行相符合的。

图6 上覆压力对渗水浊度的影响

图7 水平方向各点孔隙水压力-时间消散曲线

图8 不同上覆压力条件下水平方向位移随时间变化曲线

图9 不同上覆压力条件下竖直方向位移随时间变化曲线

2.1.3 上覆压力对袋装固结土变形的影响 土工袋膜本身刚度很小，在上覆压力作用下随着渗滤水析出及土体固结变形的进行，袋装固结土本身会发生变形。其发生变形的方向及大小必然会影响由袋装固结土构筑成的构筑物变形性质。因此，分析固结初期袋装固结土本身的变形，对于进一步评价袋装固结土构筑物的变形是十分必要的。图8、图9为通过模拟计算得到的不同上覆压力条件下袋装固结土各点变形随时间变化规律。由图可知，袋装固结土水平方向变形最大处不是发生在最外侧，而是处于距中心点13 cm处，这是由于最外侧土体有土工袋的包裹，限制其位移，而两侧稍向内部的土体没有土工袋的作用，在上覆压力的作用下向土工袋两侧挤压，形成较大位移。土工袋竖向变形最大处发生在土工袋上表面，整体竖向变形随土工袋高度的降低而降低。土工袋变形的稳定时间与孔隙水压力的消散时间基本吻合，可知土工袋的变形主要是由于袋内土体水分的渗出及土体内部孔隙体积缩小引起的。

2.1.4 上覆压力对土工袋膜张力的影响 虽然通常土工袋由抗拉强度较大的高韧聚丙烯材料制成，但在上覆压力作用下当作用于膜上张拉力超过了材料本身的抗拉强度，则会导致土工膜破裂及袋装土体挤出，严重的情况下会导致构筑物失稳。因此，分析上覆压力作用下袋装固结土工袋膜在固结初期张拉力发生情况及变化规律是必要的。图10为土工袋各点张力的分布，箭头长短表示张力的大小，由图可知土工袋上表面中间段所受张力最大，呈中间大两边小的趋势，下表面中间段所受张力最小。土工袋张力最大值随时间变化过程如图11所示，由图可知土工袋张力最大时发生在养护的初期阶段，随着时间增长及袋内土体固结程度提高，土工袋张力逐渐减小并趋于稳定。其过程与土工袋孔隙水压力消散时间基本相同，这是因为随着土中水分的渗出以及袋内土体固结变形，袋内土体体积减小，土工袋受张拉程度趋缓，随着渗水停止及土体变形趋于稳定，土工袋张力的变形也渐渐稳定。图12是土工袋张力最大值T与上覆压力P的关系，由图可知土工袋张力随上覆压力呈线性增长趋势，且T=59.773P+87.819，由此关系可根据表4中土工袋纵向拉伸强度推算出可施加上覆压力的最大值为169 kPa，考虑实际工程中可能产生的地面超载等，应当控制最大上覆压力值小于150 kPa。

7）以民间传说或吉祥嘉言命名，如卧龙街。《潍县志稿》载，刘以贵在修三官庙碑中谓宋太祖路过此桥时，曾卧息其上，登基后，封该桥为“卧龙桥”。后来新修东西大街卧龙街以此传说得名。

图10 外膜张力分布图（箭头长短表示张力大小）

图11 外膜张力随时间变化曲线

图12 上覆压力对外膜张力的影响

2.2 后期固结效果评价

对于由袋装固结土构筑而成的构筑物，最终其稳定安全性及位移变形特性主要取决于由袋装固结土后期固结效果所决定的物理力学性质。因此，对于袋装固结土在不同上覆压力作用下的后期固结效果评价，是袋装固结土构筑物适用性评价及安全稳定性设计所必要的依据。在此，同样主要利用室内物理力学试验及模拟分析等方法对固结后期的袋装固结土的物理力学性质进行分析评价。

2.2.1 不同上覆压力条件下固结土体的物理性能评价 随着袋装固结土固结的进行及孔隙水排出，袋装土本身的物理性状也将随固结度提高而发生变化。与土体固结关联比较密切的物理性质主要包括密度、孔隙状态、渗透性等。因此固结土体物理性能的变化能从侧面反映袋装固结土的固结效果。

图13 上覆压力对养护7 d 后袋装固结土物理性能的影响

图13反映了在上覆压力不同时养护7 d后袋内土体的物理性能的变化。养护7 d后袋内土体的密度随上覆压力的增大而增大，含水率、孔隙比以及渗透系数则随上覆压力的增大而减小。这是由于上覆压力的增大，提高了袋装固结土的渗水量，土颗粒在上覆压力的作用下充填进水分渗出之后的孔隙中，因此含水率、孔隙比随上覆压力的增加在降低而密度则在增加。渗透系数的主要影响因素为土体的孔隙比，且成指数关系[13]，所以渗透系数也随上覆压力的增加而降低。由此可知，随着养护时间的进行，上覆压力增大时袋装固结土的物理性能有了显著地提高，证明了上覆压力的增加能加快袋装固结土的固结速度。养护后袋内土体的密度与养护初期相比有所减小，主要是因为配置好的土体在充入土工袋的过程中被扰动，破坏了土的原结构状态，使得土中孔隙体积增大及密实度降低，且在养护结束后用环刀取土制样时亦会对土体产生扰动，使得养护后土体的密度较养护初期有所减小。

2.2.2 不同上覆压力条件下固结土体的力学性能评价 在用袋装固结土进行围堰和堤坝的修建时，土体的强度和整体的变形对工程的影响至关重要，而土体的强度主要体现在抗压和抗剪两方面，在此以袋装固结土的强度、压缩性及变形作为指标，评价上覆压力对袋装固结土的固结效果的影响。

在进行十字板剪切试验时：沿土工袋边沿剪开土工袋，将十字板探头缓慢插入养护土体至探头十字板部位完全没入土体，并停留2～3 min，见图14。随后进行剪切，测得了在上覆压力不同时养护7 d后袋内土体的十字板剪切强度的变化，如图15（a）所示。由图可知，在相同养护时间内袋装固结土的十字板剪切强度随着上覆压力的增大而增大，说明在相同养护时间内袋装固结土的强度会随着养护时上覆压力的增大而增大。

图15（b）反映了在上覆压力不同时养护7 d后袋内土体的抗剪强度指标的变化。由图可知，在养护时间和水泥掺量相同时，袋装固结土的黏聚力随着上覆压力的增大而增大，内摩擦角则变化不大。试验结果说明袋装固结主要是提高了袋内土体的粘聚力，且随着上覆压力的增大袋内土体固结程度的提高，袋内土体粘聚力增长更趋明显。因此，袋装固结对于提高袋内土体抗剪强度具有比较明显的效果。

压缩性能以垂压在100～200 kPa之间所测得的袋装固结土的压缩模量作为评价指标，图15（c）所示的是在上覆压力不同时养护7天后袋内土体的压缩模量的变化。由图可知，随着上覆压力的增大，袋装固结土的压缩模量也随之增大，袋装固结土抵抗变形能力也将增强。

图14 十字板探头插入位置

图15 上覆压力对养护7 d 后袋装固结土的影响（a：剪切强度；b：抗剪强度；c：压缩模量）

在此，将上述试验测得的不同上覆压力条件下养护7 d后袋装固结土的物理力学指标作为计算参数，在模拟计算中考虑不同的上覆压力对袋装固结土的变形进行模拟计算，得到不同层间土体的变形，计算所用算参数见表5所列。再如图16所示，由于此时土体已经成型，其强度、压缩模量等参数均较大，所以袋装固结土的变形在很短时间内稳定，故取土工袋各点的最终变形进行比较。由图16可知，袋装固结土的变形分布形态与固结初期基本相似，但与固结初期相比较袋装固结土的变形要小得多。虽然在上覆压力较大条件下养护的袋装固结土强度及压缩模量等指标要大于上覆压力较小时的袋装固结土，但在较大上覆压力条件下，承受较大上覆压力的土工袋变形仍然更大。实际工程施工中应注意在堆砌过程中，尽可能按同一养护时间及上覆压力顺序堆砌，以避免发生较大的不均匀变形。

表5 不同上覆压力条件下养护7 d后袋装固结土物理力学参数

图16 上覆压力对养护7 d后袋装固结土变形的影响

3 结论

通过室内试验及模拟分析，对固结初期及养护一定时间后袋装固结软土在不同上覆压力条件下的物理力学性能及变化规律进行了定性及定量分析，得到结论主要有以下几个方面：

（1）在固结初期，上覆压力的增大会提高袋装固结土的渗水效果，且袋内土颗粒在较大上覆压力的作用下会随渗滤水一起渗漏出土工袋膜，导致周边受污染的可能性增加。

（2）土工袋在上覆压力作用下的变形是从上到下、从中间到两侧进行的，且土工袋的变形主要是由袋内水分、土颗粒的渗出及土体孔隙的缩小造成的，土工袋变形的稳定时间与孔隙水压力的消散时间基本吻合。

（3）土工袋膜所受的外膜张力随养护的进行而减小，且稳定时间也与孔隙水压力的消散时间基本相同。土工袋膜所受的外膜张力最大值出现在土工袋的上表面，且随上覆压力的增加呈线性增长的趋势。

（4）在相同养护时间内，袋装固结土的强度随上覆压力的增大而增大，说明上覆压力的增加能够加快袋装固结土的固结速度，提高固结效果。

（5）上覆压力的增大会增加土工袋的渗水浊度、土工袋的变形及外膜张力。因此，在工程中使用时，考虑实际的地面超载等情况，应当控制土工袋的上覆压力小于150 kPa，避免土工袋撕裂，造成施工危害。