PFF復合反濾層及其在支擋工程中的應用研究

張占榮

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

PFF復合反濾層及其在支擋工程中的應用研究

張占榮

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

為避免地下水對支擋結構的不利影響，需設置反濾層排除支擋工程背后巖土體的滲水。目前支擋工程多采用混凝土澆筑施工，受墻后空間狹小影響，常規(guī)的砂礫石反濾層不易壓實，影響支擋工程受力和使用功能。文章結合反濾層的隔離擋土、過濾、排水等基本作用原理，研制開發(fā)了一種由隔水層、排水層、透水層相結合形成的具有墻背模板功能的PFF整體式復合反濾層，以適應混凝土支擋結構澆筑施工工法。試驗工點排水試驗表明，該新型反濾層排出水數(shù)量和效率均優(yōu)于傳統(tǒng)的砂礫石反濾層，可在支擋工程中推廣應用。

支擋工程；PFF復合反濾層；模板；整體式；排水性能

在鐵路、公路、市政、水利工程修建過程中，為了避免大量挖方、降低邊坡高度以及加強邊坡穩(wěn)定性，采用了大量的支擋結構[1]。為減少墻后水壓力、消除黏性土膨脹壓力及季節(jié)性凍脹壓力等對支擋結構的不利影響，需設置反濾層排除支擋工程背后滲水或積水。通常支擋工程背后反濾層主要采用砂礫石、砂夾卵礫石等散體材料，部分采用級配碎石、無砂混凝土塊或土工材料代替[2～3]。

隨著工程建設的發(fā)展，支擋工程材料多由漿砌片石改為混凝土，相應的原來人工砌筑施工改為混凝土澆注施工，反濾層采用砂礫石或無砂混凝土預制塊時，帶來施工不便和質量隱患[4]：(1)采用混凝土整體澆注后，反濾層無法按逐層砌筑、逐層壓實施工，若待墻身澆注完成后施工墻后反濾層，由于墻后空間狹小，人工無法進入施作，反濾層填筑質量和壓實程度無法保證，導致墻后存在空洞或變形量過大，影響支擋工程受力和功能。(2)墻身澆注完成后，墻背模板拆模困難，甚至模板殘留于墻后，造成施工成本增加，模板銹蝕甚至造成混凝土腐蝕，影響支擋工程的排水功能及長期穩(wěn)定性。

近年來，支擋工程反濾層的材料、施工工藝等均得到了改進，如采用RCP土工材料、袋裝砂礫石等，改善了反濾層的施工條件和施工質量[5～6]。本文在此基礎上研究開發(fā)了具有模板功能的PFF整體式復合反濾層，在材料的滲透性、過濾性、抗腐蝕、結構強度等方面可滿足技術要求，還解決了混凝土支擋結構在施工過程中存在的困難和問題[7]。

1 PFF復合反濾層結構設計

1.1 新型反濾層的功能要求

(1)良好的濾層功能

1)隔離(擋土)作用：一方面可把墻后不同粒徑、不同性質的巖土與擋墻結構分隔開，避免土粒流失；另一方面具備了擋墻施工中水泥漿液與排水層分隔功能，以免水泥漿液滲入排水材料內，堵塞排水通道而影響排水功能。

2)過濾(滲透)作用：新型反濾層材料采用“無紡土工布包裹絲狀排水層”結構，外包無紡土工布起到過濾作用，墻后巖土體顆料不會隨滲流帶入排水層中。

3)排水(通水)作用：新型滲排水材料是以熱可塑性合成樹脂為主要原料，經(jīng)過改性，在熱熔狀態(tài)下，通過噴咀擠壓出細的塑料絲條，再通過成型裝置將擠出的塑料絲在結點上熔接，形成的三維立體網(wǎng)狀結構，因此內部孔隙率大(≥80%)，由憎水性材料制成，水流阻力小,不會粘附泥砂、生物體等，截面通水能力強。

(2)具有兼顧模板的功能

新型反濾層通過靠支擋工程側隔斷層的“防滲板”起到模板作用，可節(jié)省單面模板費用，減少施工工序，加快施工進度。

(3)抗壓強度高，耐壓性能好

新型滲排水反濾層通過選擇不同聚合物材料并添加相關輔助劑、增設高強度泄水孔等結構設計，使產(chǎn)品具有足夠的抗壓強度或剛度、抗蠕變特性、耐壓性能等。

1.2 反濾層結構厚度的確定

傳統(tǒng)的砂礫石散狀集料反濾層，為保證施工后的反濾層的均勻性及施工的便利性，一般規(guī)定人工施工時厚度≥20 cm、機械施工時厚度≥30 cm。

對于兼模板功能的整體式復合反濾層，由于構成該復合反濾層的隔水層和反濾層厚度很小，它的厚度主要受控于排水層材料的厚度。由于排水層采用的是一種具有大孔隙率和一定強度的立體網(wǎng)狀材料，孔隙率大、排水性能良好、并具有較好的強度，因此排水層的厚度可以任意設置，一般該復合反濾層的總厚度為5～100 mm，以10～30 mm為優(yōu)。

1.3 反濾層的組成材料選擇

PFF復合反濾層由隔水層、排水層、透水層組成(圖1)，自墻背起的設置順序依次為隔水層、透水層、排水層、透水層。其各自作用和性能如下：

圖1 PFF復合反濾層結構示意圖Fig.1 Composition structure of PFF composite filter layer

(1)隔水層的作用是防止擋墻施工時混凝土或水泥砂漿的漿液進入透水層和排水層中。隔水層宜選用柔性的薄膜狀隔水材料，應具有一定的韌性和抗撕裂強度，以保證在擋墻施工過程中不會因為振搗混凝土或者砌筑片石而被撕裂或刺破，綜合考慮生產(chǎn)、施工等技術及經(jīng)濟因素，優(yōu)選PE膜、PP膜和PVC膜等聚烯烴類樹脂薄膜。

(2)排水層的作用是具有足夠過水截面和排水能力，順暢地排除墻后巖土體中滲出的水或滲入的地表水，防止墻后積水或淤水，消除水壓力對擋墻的不利影響，同時避免積水對墻后及墻基土體的軟化。

由于熱可塑性合成樹脂材料，水流阻力小，不會粘附泥砂、生物體等，截面通水能力強。因此本產(chǎn)品的排水層采用熱可塑性合成樹脂為主要原料紡絲，在絲條未凝固條件下使絲條旋轉、并令絲條多點相互粘結形成三維立體網(wǎng)狀結構。排水層是一種具有大孔隙率和一定強度的立體網(wǎng)狀材料，其孔隙率較大，孔隙率一般大于70%，厚度一般為0.5～10 cm，優(yōu)選1～3 cm，強度為30～300 kPa，優(yōu)選100～200 kPa。排水層可以為絞絲狀、顆粒狀、蜂窩狀或其它類型的具有大孔隙結構的立體網(wǎng)狀材料。

(3)透水層的作用是滲水、反濾作用，防止墻后巖土細顆粒滲入排水層形成淤積堵塞而影響反濾層的長期使用功能；同時也避免墻后巖土細顆粒的大量流失，掏空邊坡巖土體而惡化邊坡的穩(wěn)定性或導致邊坡失穩(wěn)。透水層可以采用天然纖維或化學纖維無紡織布或紡織編織布。本產(chǎn)品優(yōu)選采用短纖針刺非織造土工布。短纖針刺非織造土工布兼有垂直和水平結構，而且它們之間是相通的，土工布孔隙呈迂回樹枝狀的立體不定型纖維網(wǎng)狀結構，有應變性和運動性，水分進入后即可相互串通，網(wǎng)孔不易堵塞，即使大部分孔隙被堵塞，仍可保持相當?shù)耐杆?，其過濾效率高，排水性能好。

(4)隔水層、透水層和排水層之間采用熱熔粘接方式或膠粘接方式或縫合方式形成整體結構。隔水層與透水層之間的粘接可先熱熔粘接形成一布一膜復合土工布或者二布一膜復合土工布，然后再分別將透水層與排水層粘接。透水層與排水層的粘接也可以在排水層成型加工過程中熔體未冷卻時直接與透水層粘接。

新型反濾層是一種矩形板狀材料，幅寬為0.2～6 m，優(yōu)選0.5～2 m，長度可根據(jù)使用和運輸要求而定，但優(yōu)選整卷包裝。在施工時，可以通過熱焊接方式、膠粘接方式或柔性絲線縫合等方式將該新型的反濾層連接形成整體，固定于墻后路塹邊坡或已澆筑完成的支擋工程背后。為方便現(xiàn)場的連接條件，生產(chǎn)時相比于排水層的尺寸，隔水層、透水層的長度和寬度在四周均加長或加寬10～20 cm。也可采用搭接形式依次擺放。同時新型反濾層應具有一定的彎曲韌性，可以適應實際工程中邊坡坡面起伏變化的特性，緊密貼合坡面形成密閉結構。

2 PFF復合反濾層技術指標

2.1 PFF復合反濾層技術指標

PFF復合反濾層的結構組成及其材料構成確定如下：(1)透水層采用150 g/m2幅寬700 mm短纖熱軋非織造針刺土工布；(2)排水層采用厚度10 mm、15 mm、20 mm、30 mm，幅寬600 mm，絲徑0.7～1.7 mm的片狀滲排水材料；(3)隔水層采用與保護層一體模式，使用400 g/m2幅寬700 mm淋膜工藝生產(chǎn)的一布一膜(布150 g/m2，膜0.25 mm)。根據(jù)PFF復合反濾層中“排水層”片材所采用絲徑、厚度的不同加以區(qū)分，并以“PFF-DH”命名。其中：“D”表示排水層所采用的絲徑，絲徑為0.7～0.9 mm時以“7”表示；絲徑為1.5～1.7 mm時以“8”表示?！癏”表示“排水層”片材厚度，厚度為10 mm時以“10”表示；厚度為15 mm時以“15”表示。

PFF復合反濾層主要技術參數(shù)指標見表1。工程應用時根據(jù)支擋工程背后不同巖土性質、水文條件，不同坡率，不同地域氣候環(huán)境、不同施工需要等，選取反濾層的型號或規(guī)格。

表1 PFF復合反濾層技術指標Table 1 Technical parameter of PFF composite filter layer

2.2 PFF復合反濾層技術特點

(1)新型反濾層在保持傳統(tǒng)滲排水反濾層功能的同時，改善了材料的滲透性和過濾性能，提高了反濾層結構整體性、抗壓強度及其耐久性，結構簡單、易于施工，確保施工質量。

(2)本新型反濾層結構，在技術指標上滿足相關功能要求，適應混凝土擋墻整體澆筑施工工法，避免施工質量缺陷和安全隱患，同時解決了施工中存在的實際困難，加快施工進度和效率。

(3)新型墻背滲排水反濾層結構，兼有模板功能，可替代墻后一面模板，避免了整體澆筑混凝土擋墻墻后拆?；蛐赌Ｊ┕だщy，節(jié)省了單面模板費用，提高了工效。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

試驗工點位于石長鐵路新望城站附近，里程DK244+365～+405，長度為40 m。工點附近地貌相對低洼，為地表水的匯集區(qū)。路塹表層地層為殘坡積的粉質黏土，棕紅色夾灰白色，硬塑，厚4～5 m；下伏基巖為泥質板巖，黃褐色，全-強風化，全風化層厚約5～7 m。地下水不發(fā)育。

試驗工點為挖方路塹，路塹高為6～8 m，坡腳設混凝土擋墻加固，墻高3～8 m，墻身位于粉質黏土和全風化層。其中：DK244+365～+380段擋墻墻后反濾層采用砂礫石反濾層；DK244+380～+405段墻后反濾層采用PFF復合反濾層(圖2)，結合擋墻高度、墻后土體富水程度等條件，分別采用厚度不同的復合反濾層；具體設置地段見表2。

表2 反濾層分段設置形式一覽表Table 2 Setting form of filter layer in test section

圖2 PFF復合反濾層設置示意圖Fig.2 Set position of PFF composite filter layer m—擋墻背后邊坡坡率； n—擋墻墻胸坡率； n1—擋墻墻背坡率； X—擋墻基底坡率

3.2 實施效果

為檢驗新型反濾層使用效果，設計了排水性能試驗，在每段擋墻墻頂附近設置2～3根供水管，試驗時采用充足的水源向供水管供水，收集量測各段泄水孔的疏排水量，結合與傳統(tǒng)砂礫石反濾層排水效果的對比分析，評價新型“PFF復合反濾層”的滲排水性能。

(1)各試驗分段供水量、排出量(表3)的對比分析表明反濾層周圍巖土體及反濾層自身存在吸水現(xiàn)象，三種型號的PFF復合反濾層排出量大致相同，排出量約占供水量74%～79%；而砂礫石反濾層段排出量僅占供水量57%，明顯低于PFF復合反濾層。

表3 各試驗段排出量、吸水量對比Table 3 Water drainage and absorption comparison among each test section

(2)開始排水時間，指開始供水至泄水孔開始出水的時間間隔；排水持續(xù)時間，指泄水孔開始出水至出水量明顯減少的時間長度；排水結束時間，指開始供水至泄水孔完全停止排水的時間間隔。試驗結果(表4)表明：

1)PFF復合反濾層的開始排水時間明顯短于砂礫石反濾層，這是由于砂礫石墊層的滲透性能相對較低以及材料自身吸水程度較多所致。

2)不同反濾層的排水持續(xù)時間基本相近，而砂礫石反濾層的排水結束時間明顯大于新型反濾層，說明砂礫石反濾層疏排水存在明顯滯后性，一旦墻后土體滲水不斷時，更易形成積水或滯水現(xiàn)象。

表4 試驗段排水情況對比Table 4 Drainage effect comparison among each test section

(3)在試驗過程中，PFF復合反濾層底排的各個泄水孔，排水較為均勻，排水量差別不大；而砂礫石反濾層試驗段底排5個泄水孔中，僅有1個泄水孔排水，其余泄水孔均未見排水；可見砂礫石反濾層由于均勻性較差，易形成集中管道流，造成反濾層自身及墻后土體細顆粒流失。

(4)測試試驗完成后，觀察墻頂反濾層頂面變形情況發(fā)現(xiàn)：鋪設PFF復合反濾層位置未見下沉或開裂跡象。鋪設砂礫石反濾層地段頂部明顯存在下沉凹陷、開裂現(xiàn)象。這主要由于砂礫石反濾層回填壓實不足，注水后壓密下沉所致。

4 結論

(1)針對傳統(tǒng)砂礫石反濾層在混凝土支擋結構中應用時施工質量控制困難的條件下，本文結合反濾層的隔離擋土、過濾、排水等作用原理，研制開發(fā)了一種由隔水層、排水層、透水層結合形成的具有墻背模板功能的PFF整體式復合反濾層，它在技術指標上滿足功能要求，并兼有模板功能，可替代墻后一面模板，節(jié)省工程費用，提高施工工效。

(2)試驗工點排水試驗表明：PFF復合反濾層排水量占供水量的比例比砂礫石反濾層高17%～ 22%，PFF復合反濾層的開始排水時間、結束排水時間比砂礫石反濾層快5～10 min。相比于傳統(tǒng)砂礫石反濾層，該新型反濾層相接的泄水孔每孔均可順暢排水，且墻頂巖土無下陷現(xiàn)象，新型反濾層施工質量更容易保證。綜上所述，該新型反濾層可以更快、更徹底、更有效地排走支擋結構背后的地下水，可在支擋工程中推廣應用。

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責任編輯：汪美華

Study on PFF composite filter layer and its applicationin retaining engineering

ZHANG Zhanrong

(ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.，Ltd.，Wuhan，Hubei430063，China)

In order to avoid the adverse effects of water on retaining structure, filter layer is needed to set under the retaining structure. The construction materials of retaining structure was changed from mortar rubble to concrete, then the construction method was also changed from masonry to cast-in-place concrete. Due to the narrow space, it is difficult to guarantee the quality and the compaction degree of the conventional sand gravel filter layer, thus the reliability of the retaining structure was affected. Base on the basic principle of the filter layer, such as isolation, filtration and drainage, a new type of geosynthetics filter layer is developed. The new filter layer, which possesses formwork feature, is formed by the combination of water-resisting layer, drainage layer and permeable layer. The efficiency of concrete retaining wall construction is significantly improved after using this new material. Site drainage test shows that discharge water quantity and efficiency of the new filter layer are better than the traditional sand gravel filter layer, which can be used in retaining engineering.

retaining engineering; PFF composite filter; template; integral combination; drainage performance

2016-10-12;

2017-03-10

鐵四院科技研究開發(fā)計劃(2012K43)

張占榮(1982-)，男，博士，高級工程師，主要從事鐵路工程路基設計及研究工作。E-mail：zzrwh@126.com

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.03.15

U213.1+52

A

1000-3665(2017)03-0100-05