模袋砂冲剪强度试验方法设计及应用

戴德军，杨永民，程 喜，李海波

(1.中铁十九局集团广州工程有限公司，广州 511458；2. 仲恺农业工程学院，广州 510225；3.广东汇杰工程科技有限公司，广州 511400)

1 概述

土工模袋法通常指的是用上、下两层高强度土工织物制作的大面积连续袋状材料，并在其内泵灌流动性混凝土或水泥砂浆或砂，凝固后形成一种整体的、透水不透浆的防护岸坡稳定的施工技术[1-3]。根据设计要求，构筑成定型的围堰的方法，此种围堰类型称作为模袋围堰，模袋围堰广泛适用于海岸护堤、港口、码头、吹填造陆围堰防护等工程的建设中[4-9]。模袋砂的优点众多，应用前景广泛，对模袋砂的力学性能研究国内外很多专家学者也进行了试验分析、理论研究的工作[10-13]。在模袋充填物试验研究方面，日本对土工编织袋充填物进行了无侧限抗压试验研究，该试验中土工编织袋袋内填充物为小石块，通过试验得到了土工袋的破坏形式及土工袋的破坏特点[14-16]。荷兰在1994年开展了模袋砂防波堤的稳定性试验，选用了两种模袋尺寸作为对比试验，结果表明模袋砂构筑的堤坝或围堰结构适用于中等或者没有波浪作用的情况下，在有大浪潮的情况稳定性较差[17-18]。Shin等[19-22]分析不同填充物对模袋砂的性能影响，选取了砂和土两种材料分析对比充填物对土工袋形状变化的影响，结果表明不同填充物的性质(主要是填充物的沉积、自重固结)对模袋砂的形状变化有影响。刘斯宏等[23-25]进行了模袋砂的竖向压缩试验，通过试验分析认为模袋砂在受到外压力的作用下，袋内填充物被压密，填充物颗粒之间的摩擦力增大，内摩擦角也随之增大，且模袋受压后发生了变形，从而使外表面的模袋产生张力，模袋的张力限制了袋内填充物的变形，使模袋与袋内填充物成为一个整体，这样一个整体的强度明显高于没有模袋限制的散体填充物的强度。总之，土工模袋砂是新兴起的材料和技术，以诸多优点蕴藏着广泛的应用前景，但是对于模袋砂的设计和使用而言，还存在着许多必须解决的问题。

国内外对模袋砂技术的研究大多集中在应用方面，对相关问题的分析研究尚未展开。如在实际工程适用过程中，当一层的模袋砂下面存在沉降情况，或某层模袋砂存在漏沙、模袋砂吹填不密实等问题时，上下模袋砂会产生中空状态。当中空状态时的模袋砂被施加向下作用力的时候，该局部位置受到冲剪作用，从而导致该层模袋砂受剪切破坏而流砂以及该层模袋砂失效、围堰局部发生变形，会影响围堰整体的稳定性。为此，应提出该情况下模袋砂冲剪强度的室内试验评价方法，对保证工程质量有重要的意义。

2 试验方法设计及结果评价

2.1 试验方法设计

该试验方法主要目的评价模袋砂冲剪切强度。整体试验在室内反力架上进行，下方制作1个装有94%以上密实度的砂加固钢箱，上面放置1个按照标准方法加工制作的100 cm×100 cm×25 cm的模袋砂袋(填充度为80%)，在反力架的上部采用边长为Y的正方形的推进装置，或直径为D的圆形推进装置。通过反力架液压装置对模袋砂袋施加压力，直至模袋砂袋破坏，读取测试的最大力值F(试验结构如图1所示，原理如图2所示)。

图1 模袋砂冲剪强度的试验方法示意

图2 模袋砂现场剪切强度的模拟试验方法示意

2.2 试验结果计算评价

根据图2的试验原理，剪切面就是模袋砂内被冲头冲出的圆柱体的侧面，其面积计算公式为A=π×D×t(D为圆形冲板的直径，t为模袋砂厚度)如果是方形的冲板，其面积计算公式为A=4×Y×t(Y为正方形冲板的边长，t为模袋砂厚度)。

通过2.1中反力架液压装置对模袋砂袋施加压力，直至模袋砂袋破坏，当反力架上冲压板为正方形时，模袋砂的冲剪强度通过如下式计算：

τ=F/(4×0.25Y)

(1)

式中：

τ——模袋砂的冲剪强度，Pa；

F——模袋砂的冲剪最大试验力，N；

Y——冲压板为正方形时的边长，m。

当反力架上冲压板为圆形时，模袋砂的冲剪强度通过如下公式计算：

τ=F/(0.25πD)

(2)

式中：

τ——模袋砂的冲剪强度，Pa；

a 模袋砂CBR顶破力—冲剪强度曲线

a A模袋砂冲剪强度—位移曲线

a A模袋砂压力—位移曲线

F——模袋砂的冲剪最大试验力，N；

D——冲压板为为圆形时的直径，m。

3 应用效果及分析

3.1 土工合成材料的性能

选择3家模袋砂用土工布材料，各材料的物理力学性能见表1所示。由表1可见，4种土木膜袋的纵向和横向抗拉强度为D>C>B>A，纵、横向断裂伸长率A>B>C>D，CBR顶破力和梯形撕破强度D>C>B>A。

表1 土工模袋技术指标选择对比

3.2 模袋砂冲剪强度

利用表1中的4种土工模袋(砂的填充率为80%)，制备100 cm×100 cm×25 cm的模袋砂袋，冲剪压板规格为50 mm×50 mm×10 mm，进行模袋砂的冲剪试验(冲剪压力—位移以及冲剪强度—位移曲线见图3和图4)。

由图3、图4可见，曲线基本呈现线性正相关，随着压力的不断增大，砂逐渐被压密实，曲线斜率不断增大，其应变硬化现象明显，且在硬化阶段关系曲线的近似呈直线关系， 一直延续到模袋的破坏，达到最大力时出现下跌的趋势。

4种模袋砂的最大压力和冲剪强度见表2所示，表2中可见，4种冲剪强度顺序为D>C>B>A。

表2 模袋砂冲剪强度

3.3 土木膜袋性能对模袋砂冲剪强度的影响

模袋砂的冲剪强度是与土工模袋的自身性能有关，土工膜袋的CBR顶破力和梯形撕破强度和模袋砂冲剪强度之间的关系如图5所示。模袋填充完砂之后，其强度增大，增强机理为模袋填充完砂，随后在反力架上被压密实后，会发生压缩变形以及拉伸变形，由于模袋砂发生拉伸变形，导致其断面的周长变长，产生拉伸应变，由于张力与拉伸应变成线性关系，因此，模袋产生了张力，模袋内砂受到的约束增加，从而使得砂颗粒间的接触力增加；由于砂体强度本质上源于土颗粒间的摩擦强度，砂颗粒间接触力增加意味着土颗粒间的摩擦强度增大(符合摩擦定律F=μN，μ为砂颗粒间摩擦系数)，从而模袋砂的整体强度得到显著提高。

4 结语

1) 针对实际工程适用过程中存在模袋砂受剪切破坏，导致该层模袋砂失效，围堰局部发生变形，从而影响围堰整体的稳定性的问题，提出该情况下模袋砂冲剪强度的室内试验评价方法，即整体试验在室内反力架上进行，下方制作1个装有94%以上密实度的砂加固钢箱，上面放置1个按照标准方法加工制作的100 cm×100 cm×25 cm的模袋砂袋(填充度为80%)，在反力架的上部采用推进装置对模袋砂袋施加压力，直至模袋砂袋破坏，读取测试的最大力值F。

2) 当反力架上冲压板为正方形时，模袋砂的冲剪强度通过τ=F/(4×0.25Y) 计算，当反力架上冲压板为圆形时，模袋砂的冲剪强度通过公式计算：τ=F/(0.25πD)。

3) 模袋砂的冲剪强度试验结果表明冲剪强度与土工模袋的自身性能有关系，模袋填充完砂之后，其强度得到提高，具有较高的纵向和横向抗拉强度、CBR顶破力和梯形撕破强度的土木模袋对应的模袋砂具有较高的冲剪强度。