一种土工织物充填砂袋的设计方法与流程

本发明涉及一种土工织物充填砂袋的设计方法，属于围堰土工织物充填砂袋设计技术领域。

背景技术：

土工织物充填袋技术是一种相对较新的技术，优点众多且具有广泛的应用前景。土工织物充填袋属于土工包裹系统，其是将土工织物袋片互相缝合成袋子，用高压泵把砂浆灌入袋中，多余水分从织物空隙中渗出，最后形成垫状结构。由于这种土工包裹系统施工简单，具备技术要求不高、适应性强、体积大、柔性好及造价低等特点，并且便于就地取材，因此特别受到了工程界的青睐，发展很快。

目前，国内有关土工织物充填袋应用有很多成功范例，但对土工织物充填袋单个个体的研究和设计理论较少，国内设计单位往往只注意充填袋整体结构的稳定性计算和研究，而缺乏对个体的分析和设计，至于根据土工织物的极限切向拉应力而选择适当规格的材料计算方面就更甚少了，在土工织物选型方面更多的是依靠工程类比。

国外虽然根据薄膜理论已提出了土工织物充填袋切向拉应力的计算方法，并以此开发出相应的设计软件，但该方法仅考虑了单个土工织物充填袋的受力特性，而未考虑多个土工织物充填袋堆积时的受力特性。在实际工程应用中，土工织物充填袋多采用堆积形式来形成堰体，以提供自身稳定性，进而更好地发挥其工作效能。对于堆积后的土工织物充填袋而言，袋体切向拉应力基本随由上到下排列的堆积次序的增大而增大，位于最底层充填袋的切向拉应力最大，直接决定了土工织物的选型。另外，土工织物袋片间的接缝处属于其薄弱位置，但此位置受到层间摩擦力影响，此位置的切向拉应力与自由边相比要小很多，因此如何根据层间摩擦力来修正接缝处的拉应力，进而提出相应的缝制强度也是土工织物充填袋设计时必须考虑的一个问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种土工织物充填砂袋的设计方法，其从薄膜理论、摩擦理论出发，能够设计出满足堰体堆积要求的充填砂袋，这对土工织物材料的袋片选型与缝制具有重要的实践价值，对充填砂袋设计具有重要的实用性和现实意义。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种土工织物充填砂袋的设计方法，其特征在于，它包括步骤：

1)假定围堰截面形式为梯形，充填砂袋采用1-1堆积型式形成堰体，给定围堰高度h围、围堰底宽b底、围堰顶宽b顶和水位高程h水，以及水上、水下充填砂袋的堆积高度h水上和h水下，建立第i层充填砂袋的堆积宽度bi与袋体横截面周长li之间的关系曲线，确定第i层充填砂袋的袋体横截面周长li，其中，堰体层数i由高到低从1开始计数；

2)基于单个充填砂袋袋体横截面模型和上下层充填砂袋堆积计算模型，确定堆积形成堰体的各层充填砂袋可承受的切向拉应力ti；

3)对各层充填砂袋的切向拉应力ti通过摩擦理论进行修正，确定各层充填砂袋接缝处可承受的拉应力

4)从步骤2)求得的各层充填砂袋承受的切向拉应力ti中选出最大值作为充填砂袋可承受的最大切向拉应力tmax，以及从步骤3)求得的各层充填砂袋接缝处承受的拉应力中选出最大值作为充填砂袋接缝处可承受的最大拉应力从而基于给定的安全系数，估算出充填砂袋的袋片抗拉强度tult以及袋片间接缝处的缝制强度

5)根据充填砂袋的袋片抗拉强度tult确定缝制充填砂袋的袋片强度以及根据充填砂袋的缝制强度制定缝制要求来满足缝制强度。

本发明的优点是：

本发明基于坚实的力学理论基础，通过对堆积形成堰体后各层充填砂袋承受的切向拉应力ti和接缝处承受的拉应力指标进行计算，来估算出袋片抗拉强度tult以及袋片间接缝处的缝制强度进而来对缝制充填砂袋的袋片规格、缝制要求做出合理规定，从而使充填砂袋在围堰建造中可以起到稳定堰体的重要作用，这对土工包裹系统的发展具有重要的参考价值。

附图说明

图1是本发明的实施流程图。

图2是单个充填砂袋的袋体横截面模型图。

图3是上下层充填砂袋堆积计算模型图。

图4是水上充填砂袋的堆积宽度bi与袋体横截面周长li的关系曲线图。

图5是水下充填砂袋的堆积宽度bi与袋体横截面周长li的关系曲线图。

图6是各层充填砂袋堆积时的几何体型图。

具体实施方式

土工织物充填砂袋(下面简称充填砂袋)一般由至少两个袋片互相缝合形成一个袋体，相邻袋片之间需要缝合，存在接缝处，在充填前，整个袋体的顶部留有一个待缝合的接缝作为充填的顶口。充填砂袋通常用高压泵充填渗透性较大的砂(例如中砂或细砂)或粉土等当地材料。通常，充填砂袋需要经过反复充填、排水、固结等工序后才能形成堰体。充填砂袋的形状一般为扁平的垫状。堆积形成的堰体一般呈上窄、下宽的梯形形状，充填砂袋采用1-1堆积型式(各层仅为一个充填砂袋的形式)进行堆积，下边的若干层充填砂袋位于水中，称为水下充填砂袋，上边其余层的充填砂袋位于水面上方，称为水上充填砂袋。由于外水压力作用，充填砂袋在水上和水下的堆积高度应设计得不同。这种围堰的建造方法比其他方法的花费要少得多。

经过试验研究发现，在设计充填砂袋时，应保证充填砂袋在堆积过程中所承受的切向拉应力不超过土工织物材料制成的袋片自身所能承受的抗拉强度tult，还应保证充填砂袋上的接缝处所承受的拉应力不超过充填砂袋的缝制强度

另外在设计中发现，充填砂袋的尺寸包括袋体长度和袋体横截面尺寸。由于充填砂袋通常设计的很长，充填砂袋长度比横截面尺寸要大，且从实际考虑，充填砂袋的横截面尺寸易做到保持一致，因此，充填砂袋的横截面尺寸是决定整个袋体尺寸的决定因素。对于充填砂袋，由于其形状为扁平的垫状，因此，充填砂袋的横截面尺寸由袋体的横截面周长来表征，并且研究发现，袋体的横截面周长与充填砂袋的堆积宽度成一定的比例关系，堆积宽度即为充填砂袋的袋体横截面的最大宽度。

综上可以看出，在设计充填砂袋时，需要涉及到堆积形成堰体后各层充填砂袋承受的切向拉应力ti和接缝处承受的拉应力等指标，指标ti和的计算是为了估算出袋片抗拉强度tult以及袋片间接缝处的缝制强度从而最终完成对充填砂袋袋片强度和缝制强度的制定。

下面参考图1来具体说明本发明土工织物充填砂袋设计方法，其包括如下步骤：

1)假定围堰截面形式为梯形，充填砂袋采用1-1堆积型式形成堰体，给定围堰高度h围、围堰底宽b底、围堰顶宽b顶和水位高程h水，以及水上、水下充填砂袋的堆积高度h水上和h水下，建立第i层充填砂袋的堆积宽度bi与袋体横截面周长li之间的关系曲线，确定第i层充填砂袋的袋体横截面周长li，其中，堰体层数i由高到低从1开始计数，i为正整数；

2)基于图2示出的单个充填砂袋10的袋体横截面模型和图3示出的上下层充填砂袋10的堆积计算模型，确定堆积形成堰体的各层充填砂袋可承受的切向拉应力ti；

3)对各层充填砂袋的切向拉应力ti通过摩擦理论进行修正，确定各层充填砂袋接缝处可承受的拉应力

4)从步骤2)求得的各层充填砂袋承受的切向拉应力ti中选出最大值作为充填砂袋可承受的最大切向拉应力tmax，以及从步骤3)求得的各层充填砂袋接缝处承受的拉应力中选出最大值作为充填砂袋接缝处可承受的最大拉应力从而基于给定的安全系数，估算出充填砂袋的袋片抗拉强度tult以及袋片间接缝处的缝制强度

5)根据充填砂袋的袋片抗拉强度tult确定缝制充填砂袋的袋片强度以及根据充填砂袋的缝制强度制定缝制要求来满足缝制强度。

在实际设计中，步骤1)具体包括：

根据围堰高度h围、围堰底宽b底、围堰顶宽b顶和水位高程h水，以及水上、水下充填砂袋的堆积高度h水上和h水下，由下式1)示出的堆积高度约束关系式确定堰体堆积层数n(n为大于1的正整数)，然后根据下式2)示出的充填砂袋堆积宽度约束关系式，确定第i层充填砂袋堆积宽度bi，最后根据下式3)示出的第i层充填砂袋堆积高度hi与堆积宽度bi之间的比例关系式以及下式4)示出的高宽比参数ki与袋体横截面周长li之间的关系式，确定第i层充填砂袋的袋体横截面周长li：

ki＝hi/bi3)

上式中：

当第i层充填砂袋位于水上，即时，hi＝h水上，

当第i层充填砂袋位于水下，即时，hi＝h水下，

h水为水位高程，从围堰底部向上算起，

堰体层数i、j由高到低从1开始计数，i、j为正整数，

当第i层充填砂袋位于堰体最顶层时，即i＝1时，bi＝b顶，

当第i层充填砂袋位于堰体最底层时，即i＝n时，bi＝b底，

ki为第i层充填砂袋的高宽比参数。

在实际设计中，步骤2)具体包括：

基于图2示出的单个充填砂袋袋体横截面模型和图3示出的上下层充填砂袋堆积计算模型，根据下式5)示出的各层充填砂袋堆积时切向拉应力平衡方程、下式6)示出的各层充填砂袋袋体顶点(原点oi)边界条件、下式7)示出的各层充填砂袋的袋体横截面周长约束条件，以及下式8)示出的上下层充填砂袋界面平衡方程，利用递归方法由高到低层求出堆积形成堰体的各层充填砂袋可承受的切向拉应力ti：

pi+γihi＝pi+18)

上式中：

xi、yi为以第i层充填砂袋的袋体顶点为坐标原点oi建立的几何坐标的纵轴、横轴，如图2和图3，xi定义为充填砂袋的高度方向，xi的正向指向下，yi定义为充填砂袋的宽度方向，yi的正向指向右，

i表示堆积形成堰体的第i层，层数i由高到低从1开始计数，i为正整数，ti为第i层充填砂袋的袋体所受切向拉应力，

pi为第i层充填砂袋的袋体顶部所受径向压力，

pi+1为第i+1层袋体顶部所受径向压力，其等于第i层袋体底部所受径向压力，

γi为第i层充填砂袋的袋体内充填料固结后的重度，

li为第i层充填砂袋的袋体横截面周长，

hi为第i层充填砂袋堆积高度。

在实际应用中，步骤2)还可采用其它诸如有限元或边界元等数值分析方法等来求取堆积形成堰体的各层充填砂袋可承受的切向拉应力ti，并不局限于上述。

在实际设计中，步骤3)具体包括：

根据下式9)示出的上下层充填砂袋间摩擦力公式、下式10)示出的各层充填砂袋袋体横截面面积公式、下式11)示出的各层充填砂袋顶部所承受的重力公式，以及下式12)示出的各层充填砂袋接缝处拉应力公式，对各层充填砂袋的切向拉应力ti进行修正，求得各层充填砂袋接缝处可承受的拉应力

fi＝f·wi9)

上式中：

fi为第i层充填砂袋袋体与其上一层充填砂袋袋体间的摩擦力，

f为层间摩擦系数，

wi为第i层充填砂袋的袋体顶部所承受的重力，

ai为第i层充填砂袋的袋体横截面面积，

ki为第i层充填砂袋的高宽比参数，

堰体层数i、j由高到低从1开始计数，i、j为正整数，

γi为第i层袋体内充填料固结后的重度，

γi-1为第i-1层袋体内充填料固结后的重度，

hi为第i层充填砂袋的堆积高度，

ti为第i层充填砂袋的袋体所受切向拉应力，

为第i层充填砂袋的袋体接缝处的拉应力，

k0为摩擦力影响因子(无量纲数)，一般取0.50。

在实际设计中，步骤4)具体包括：

充填砂袋的袋片抗拉强度tult通过下式13)求出：

tult＝tmax×fs-id×fs-cd×fs-bd×fs-cr13)

上式中：

tmax为充填砂袋承受的最大切向拉应力，

fs-id为铺设时损坏安全系数，建议最小值取1.3，

fs-cd为化学分解安全系数，建议最小值取1.0，

fs-bd为生物分解安全系数，建议最小值取1.0，

fs-cr为潜变安全系数，建议最小值取1.5，

以及，充填砂袋的袋片间接缝处的缝制强度通过下式14)求出：

上式中：

为充填砂袋接缝处承受的最大拉应力，

fs-ss为缝制强度安全系数，建议最小值取2.0。

下面举例说明：

南方某围堰工程，堰体截面为梯形截面，围堰高度21.0m，围堰底宽35m，围堰顶宽10m，填筑体采用土工织物充填砂袋，充填砂袋采用1-1堆积型式堆积，充填砂袋的堆积宽度控制在10m～35m，水下充填砂袋的堆积高度h水上控制在0.5m，水上充填砂袋的堆积高度h水下控制在0.7m。

根据步骤1)可以得到图4和图5所示的关系曲线。在图4和图5中，横坐标是堆积宽度bi(单位：米)，纵坐标是袋体横截面周长li(单位：米)。从图4、5中可以看出，土工织物充填砂袋的袋体横截面周长li与堆积宽度bi之间基本是两倍的关系，袋体横截面周长li基本在21m～71m之间变化，参见下表1所列。

表1土工织物充填砂袋的袋体横截面周长计算结果汇总

然后根据步骤2)可以得到：

堆积形成堰体后，由高到低各层充填砂袋所承受的切向拉应力ti如下表2所列。由表2可以看出，充填砂袋承受的最大切向拉应力出现在最底层，为12.11kn/m。根据式5)～8)可得到各层充填砂袋堆积时的几何体型，如图6所示。在图6中，横坐标是充填砂袋宽度方向(单位：米)，纵坐标是充填砂袋高度方向(单位：米)。

表2土工织物充填砂袋堆积参数汇总

然后根据步骤3)可以修正得到：

堆积时各层充填砂袋接缝处承受的拉应力如下表3所列。从表3可以看出，接缝处拉应力均小于2.0kn/m，接缝处的最大切向拉应力为1.93kn/m，近似为2.0kn/m。

表3土工织物充填砂袋接缝处拉应力修正值

然后根据步骤4)可以得到：

充填砂袋的袋片抗拉强度tult为：

tult＝12.11×1.3×1.0×1.5×1.0＝23.62kpa

袋片间接缝处的缝制强度为：

因此，在设计土工织物充填砂袋时，便可基于上述袋片抗拉强度tult、缝制强度来分别对形成袋体的袋片规格(袋片强度)、缝制要求(缝制强度)做出明确规定。

本发明基于坚实的力学理论基础，通过对堆积形成堰体后各层充填砂袋承受的切向拉应力ti和接缝处承受的拉应力指标进行计算，来估算出袋片抗拉强度tult以及袋片间接缝处的缝制强度进而来对缝制充填砂袋的袋片规格、缝制要求做出合理规定，从而使充填砂袋在围堰建造中可以起到稳定堰体的重要作用，这对土工包裹系统的发展具有重要的参考价值。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。