1. 引言
软土地基加固技术 [1] [2] 在岩土工程领域占有重要地位，土工管袋可用于地基加固。土工管袋是以高强编织型土工织物缝制成的长管袋制品，其袋内充灌泥沙后可堆积成坝体，因施工方便而广泛应用于滩涂围垦、河海岸保护及港口建设等工程 [3] [4] [5] 。刘思宏等 [6] [7] 对土工管袋的加固原理及实际应用进行了深入的研究，指出其加固原理为袋子张力对袋内土体的约束作用，并论述了其广泛的工程适用性。
土工管袋充填土体的排水固结过程是重要的施工环节，既是土工管袋工作过程的集中体现，也是决定其力学性能的关键，对土工管袋的设计及应用具有重要指导意义。Shin等 [8] 进行的现场充填试验，对土工管袋填充完成后排水固结过程进行了监测并记录了袋体高度变化的过程；刘伟超等 [9] 通过模型试验对袋体受力、排水速率等特性进行了较为全面的研究。
然而，室内模型试验受条件的限制，多为小尺度研究，使研究具有局限性。而现场试验工作量大，时间长，不确定因素多，且不易进行细观研究，因此，采用离心机试验来研究接近实际应力场条件下土工管袋内土体的固结过程的机理是必要的。
离心机模型试验是将实际模型按照一定的比尺缩小放到离心机上，施加一定倍数重力加速度的离心加速度，能够得到与原型相近的应力状态、变形特征和运动规律等，与通常在静力(重力加速度)条件下的物理模拟相比，离心模型试验更接近于实际。土工离心模型试验研究范围几乎涉及到岩土工程的各个方面 [10] [11] [12] [13] 。
为了保证比例缩尺后模型中土单元的性状与原型相一致，模型中的应力水平必须和原型相一致，因此，就要在模型中采用正确的比尺关系。公用的比尺关系的列表已经被Fuglsang等 [14] 人进行了总结，如表1所示，其中N为离心机的离心加速度。
Table 1. Scale relation of centrifugal simulation (model/prototype)
表1. 离心模拟比尺关系(模型/原型)
对于保持与固结过程相一致的离心模型试验，模型中孔隙水压的消散时间为原型的1/N2倍，因此，利用离心模型试验来模拟固结过程一般只需要几十分钟就可以达到实际情况数月才能达到的固结效果。目前，以离心机模型试验对土工管袋的力学行为进行模拟，研究成果鲜有报道，故本文研究土工管袋的离心模拟技术，并重点分析其填充土体的固结力学行为。
2. 土工离心机试验
2.1. 模型比尺
综合考虑各种影响因素，诸如边界效应、粒径效应、模型箱的尺寸、离心机自身设备、模拟精度等，本试验模型比尺λ取50，即离心加速度取50 g。
根据前文离心模拟比尺关系，模型试验主要物理量比尺如表2。
Table 2. Scale of main physical quantity of model
表2. 模型主要物理量比尺
2.2. 离心机及测量设备
本次离心模型试验在同济大学TLJ_150复合型岩土离心试验机上进行，图1为实物图。该离心机最大可加载的加速度为200 g，有效半径为3 m，配有6条设摄像线路和5台照相机，可实现对离心试验全过程的监测。
Figure 1. Picture of real TLJ-150 centrifugal machine
图1. TLJ-150土工离心机实物图
2.3. 试验材料及试验准备
2.3.1. 试验材料
试验所用土工布物理和力学参数见表3。
Table 3. Physical and mechanical parameters of geotextiles tube
表3. 土工布物理力学参数
填充料选用泥浆，浓度约为1.6 g/cm3，试验用土选择沙质粉土，其颗粒级配如图2。
Figure 2. Grading curve of the soil used in test
图2. 试验用土的颗粒级配曲线
2.3.2. 试验准备
离心模型试验的准备包括模型箱的制备、管袋及填料的制作、传感器的安放，管袋的充填、测量系统的安放等。具体内容如下：
本试验使用的模型箱的净空尺寸为80 × 50 × 52 cm (长 × 宽 × 高)，其中一面侧壁使用了透明的有机玻璃板，以便观察试验现象，实物图见图3。管袋尺寸为50 × 30 cm (对应实际工程为25 × 15 m)，无袖口，三面先缝好，留下一边用于充填和安放传感器。泥浆采用落雨法生成，充分搅拌后备用，经测泥浆浓度约为1.6 g/cm3。
管袋充填后袋中央高度约为15 cm (原型7.5 m)，考虑到管袋排水固结过程，将孔压传感器布置在袋中央距离袋底0 cm、4 cm和8 cm (对应原型0 m、2 m和4 m)三个位置，对应点A、B、C，分别称之为底部、中部和上部，采用微小的支架将其固定在袋内，同时在点A处的垂直和水平方向各放置一个土压传感器。中央横断面处传感器布置位置示意图如图4。
将预先搅拌好的泥浆缓慢倒入袋中，充填结束后绑扎好袋口将其放在模型箱内的支架垫板上。用一根带刻度的竹签固定在袋顶正中央，上面穿过塑料瓶盖的中部与导轨固定，竹签随着管袋的移动而垂直移动，通过摄像机读出管袋高度的变化量，如图5。
Figure 4. Schematic graph of the locations of sensors
图4. 传感器布置位置示意图
Figure 5. Picture of the centrifugal model test
图5. 离心机模型试验图
3. 试验结果及分析
将充填好的土工管袋模型固定后，启动离心机，综合考虑到起动加荷的速度过快与时长过长均会对试验结果有一定的影响，本实验在200 s内逐渐线性加载至50 g，监测土工管袋在50 g离心作用下固结特性。试验所得均为加载至200 s (离心加速度达到50 g)之后管袋高度以及管内孔压、土压随离心作用时间的增量变化，结果均换算成原型。
3.1 管袋高度的变化
试验过程中管袋测点(袋顶中心处)高度随时间的变化如图6所示。由图6可知，由于袋内水排出以及土体的固结程度不同，高度随着时间呈现了两个阶段变化，在30 d时间内，袋内水较多且土体松散，高度随着时间快速下降，袋顶共沉降约2.8 m，而随着排水过程的进行，袋中水变少，排水速度逐渐减小，土体变得密实，在之后的20 d时间内，管袋高度下降了约0.7 m，之后由于土体排水固结过程的基本完成，管袋高度几乎不再下降。由此可见，土工管袋的沉降变形主要发生在土体充填后的一个月内，这对于确保工程施工安全有着重要的指导作用。
Figure 6. Variation curve of tube height
图6. 管袋高度变化曲线
3.2. 不同位置孔压变化
孔压传感器记录了三个位置的孔压增量的变化过程，如图7所示。由图7可知，孔压的消散规律与高度变化相同，消散速度由快至慢，但不同位置孔压的消散速度和消散值不同。底部(A处)和中部(B处)孔压呈现了较为理想的下降关系曲线，在60 d时间内，中部孔压值下降了15 kpa，而底部孔压下降了约20 kpa，并且在开始阶段底部孔压下降速度大于中部孔压，这与模型试验的结果相一致，由于中部的排水路径较长，下部的孔压消散速率和最终消散值都要比中部大，之后两处孔压基本不再变化。上部(C处)孔压的数值变化不大，在下降7 kpa左右后便不再变化，可能是因为此时水面已低于上部位置处的传感器所致。总体看，孔压的消散降低过程持续时间较长，但前一个月完成了近90%。
Figure 7. Variation curve of pore pressure at different location of tube
图7. 管袋不同位置孔压变化曲线
3.3. 袋底土压力变化
图8为袋底部垂直和水平土压力随时间的变化曲线。从图8可以看出，土压的变化趋势与孔压大致相同，水平和垂直土压力先快速的线性递减，而后较为缓慢的减小，最后至平稳，整个过程土压的减小越来越慢，垂直土压力的减小比水平土压力快，数值也比其大。土压的减小源自泥浆中水的排出和土颗粒向两侧的运动，袋高减小，宽度增加，使得上覆压力减小。管袋中的土体受到管袋壁面的侧向挤压，其力学行为非常复杂，从监测结果已看出，其压力降低的侧压力系数(水平压力与垂直土压力的变化值之比)是动态变化的。
Figure 8. Variation curve of soil pressure at the bottom of tube
图8. 管袋底部土压力变化曲线
4. 结论
本文采用离心机模拟方法开展了土工管袋固结过程试验，将土工管袋充填泥浆后在50 g的离心加速度上进行试验，通过监测管袋高度以及袋内土体中的孔隙水压力、土压力的变化过程，探究了土工管袋土体的固结特性。得到如下结论：
1) 管袋高度随着时间呈现了两个阶段变化，一开始管袋高度快速下降，之后由于水的排除、土体的固结下降速度逐渐变缓直至基本不再变化，土工管袋的沉降变形主要发生在土体充填后的一个月内。
2) 袋中部孔压消散较慢、消散值较小，下部孔压消散较快且消散值较大，孔压的消散降低过程持续时间较长，但前一个月完成了近90%。
3) 袋底处的土压力随着管袋高度的降低、排水的进行而逐渐减小，垂直土压力减小值比水平土压力大，管袋中的土体力学行为因受到管袋壁面侧向挤压而呈现为非常复杂的变化过程。
基金项目
国家自然科学基金面上项目(51479137)。
参考文献