塑料排水板濾膜的淤堵試驗(yàn)研究

鄭愛(ài)榮 ，朱洪滿(mǎn)

（1．中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2．港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；3．天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

0 引言

淤泥、吹填土和一些特殊軟黏土，具有含水率高、黏粒含量多等特點(diǎn)，一般采用塑料排水板聯(lián)合真空預(yù)壓法加固。塑料排水板對(duì)加固土體起到排水、過(guò)濾和隔離的三重作用。

在真空吸力的作用下，地基中的水為單向滲流，經(jīng)過(guò)土層進(jìn)入濾膜，土顆粒也在真空吸力的作用下聚集塑料排水板濾膜周?chē)１葹V膜孔徑大的顆粒被阻擋在濾膜外，比濾膜孔徑小的細(xì)顆粒則會(huì)因分子熱運(yùn)動(dòng)、慣性作用、擴(kuò)散作用、截留作用、凝聚作用及靜電作用，一部分細(xì)顆粒黏附在濾膜表面，一部分嵌在濾膜孔隙中，一部分穿過(guò)濾膜，或者隨水排出，或者滯留在芯板上，這將造成濾膜和芯板的淤堵，從而減弱塑料排水板的作用。

為解決塑料排水板應(yīng)用過(guò)程中的淤堵問(wèn)題，有的研究人員改善了施工技術(shù)，形成了新型防淤堵真空預(yù)壓法[1]、可控通氣真空預(yù)壓法[2]等工法，有的研究人員從修復(fù)淤堵層的角度，試圖通過(guò)反復(fù)抽真空和吸氣[3]及反復(fù)用水沖洗[4]的方式?jīng)_開(kāi)淤堵層，但效果并不理想，徐鍇建議采用分級(jí)加載的方式[5]，Benson C H等致力于開(kāi)發(fā)高濾水性能的塑料排水板包覆濾膜[6]，希望從根本上解決淤堵問(wèn)題。我國(guó)的新型防淤堵塑料排水板已經(jīng)出現(xiàn)并在天津、江蘇及廣東等地推廣使用。

綜上所述，淤堵問(wèn)題是影響塑料排水板排水效果的關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)濾膜防淤堵性能進(jìn)行試驗(yàn)研究具有重要的意義。國(guó)際通用的土工織物淤堵試驗(yàn)方法為美國(guó)陸軍工程師團(tuán)制定的梯度比法，其測(cè)量值為測(cè)壓管水頭和滲水量。由于塑料排水板濾膜工作環(huán)境多為黏性土等滲透性較差的土體，采用梯度比法進(jìn)行淤堵試驗(yàn)時(shí)，由于水在土中的滲流速度慢，測(cè)壓管水頭變化緩慢，穩(wěn)定所需時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)天，很難準(zhǔn)確判斷測(cè)壓管水頭是否穩(wěn)定，且易出現(xiàn)同一高度的測(cè)壓管水頭數(shù)據(jù)相差較大的情況。本文提出了一種新的淤堵試驗(yàn)方法——軸向壓縮法淤堵試驗(yàn)（專(zhuān)利號(hào)ZL201721198008．9），可更好地測(cè)試土工織物在低滲透土體環(huán)境中的淤堵特性。

1 試驗(yàn)原理

軸向壓縮法淤堵試驗(yàn)通過(guò)軸向加壓裝置，壓縮土顆粒間的孔隙，使土體中的水在壓力作用下帶動(dòng)土顆粒進(jìn)行遷移，從而造成土工織物的淤堵。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)方法及儀器

試驗(yàn)儀器采用全自動(dòng)氣壓固結(jié)儀，試驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)儀器示意圖Fig.1 Test instrument schematic

用環(huán)刀切取土樣或在環(huán)刀中填充土樣后，將濾膜放置在土樣的頂部和底部，濾膜外側(cè)與土接觸，進(jìn)行軸向壓縮試驗(yàn)，以模擬塑料排水板濾膜在土中的工作狀態(tài)。為便于對(duì)試驗(yàn)后的濾膜進(jìn)行垂直滲透試驗(yàn)，采用截面積為5 000 mm2、高度為20 mm的環(huán)刀。

軸向壓縮荷載可根據(jù)需要選取，對(duì)于含水率很大、強(qiáng)度很低的土，先施加較小的豎向荷載預(yù)壓后，再用全自動(dòng)氣壓固結(jié)儀進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。

試驗(yàn)前，濾膜和透水板均需浸水飽和；施加荷載后，將水槽中注滿(mǎn)水；試驗(yàn)過(guò)程中，在固結(jié)容器周?chē)矟衩藜啞?/p>

2.2 試驗(yàn)土的物理性能

試驗(yàn)用土取自連云港徐圩港區(qū)吹填加固區(qū)的典型軟土，黏粒含量高、含水率高、滲透系數(shù)低。土的顆粒組成和物理特性見(jiàn)表1和表2。

表1 試驗(yàn)用土的顆粒組成Table 1 Grain composition of soil in tests%

表2 試驗(yàn)用土的物理性能指標(biāo)Table 2 Physical properties of soil in tests

2.3 濾膜的特性

試驗(yàn)選取5組常用無(wú)紡長(zhǎng)絲化纖塑料排水板濾膜，見(jiàn)圖2，和1組無(wú)紡短絲化纖防淤堵濾膜，見(jiàn)圖3。濾膜的物理力學(xué)性能見(jiàn)表3。

圖2 常用塑料排水板濾膜Fig.2 The common filter fabric of plastic drainage board

圖3 防淤堵濾膜Fig.3 The anti clogging filter fabric

表3 濾膜的性能Table 3 Parameters of the filter fabric

與常用濾膜相比，防淤堵濾膜具有以下特點(diǎn)：

1）厚度大，是常用濾膜的2倍左右；

2）單位面積質(zhì)量大；

3）等效孔徑大，且分布相對(duì)不均勻；

4）滲透系數(shù)大，可達(dá)1×10-1cm/s；

5）防淤堵濾膜采用短絲混扎平軋工藝制作，而常用塑料排水板濾膜制作工藝為長(zhǎng)絲熱軋。

2.4 試驗(yàn)安排

由于土樣含水率高達(dá)77．2%，抗剪強(qiáng)度低，為防止豎向荷載過(guò)大土體擠出，先施加1 kPa、3 kPa、5 kPa 的壓力，再施加 12．5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa 垂直荷重，變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為0．001 mm/h。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 土的軸向壓縮特性

土樣的荷載沉降曲線(xiàn)見(jiàn)圖4，隨著荷載增大，土樣的豎向變形量不斷增加。濾膜的垂直滲透系數(shù)越大，對(duì)應(yīng)土樣的壓縮變形量越大，防淤堵濾膜109對(duì)應(yīng)土樣的豎向變形量明顯大于其他土樣。

壓縮過(guò)程中，土樣產(chǎn)生固結(jié)，濾膜厚度變化忽略不計(jì)，根據(jù)試樣變形曲線(xiàn)可得各級(jí)壓力下土的固結(jié)系數(shù)CV，由于固結(jié)系數(shù)CV與滲透系數(shù)k、壓縮系數(shù)a、孔隙比e存在如下關(guān)系：

圖4 荷載沉降曲線(xiàn)Fig.4 Load-displacement curves

可求得各級(jí)豎向壓力下濾膜與土的綜合滲透系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，滲透系數(shù)小于10-8cm/s，不能用變水頭滲透試驗(yàn)求得。對(duì)比常規(guī)濾膜，防淤堵濾膜和土的綜合滲透系數(shù)略大，對(duì)應(yīng)土樣的固結(jié)系數(shù)也更大。

表4 濾膜和土的滲透系數(shù)Table 4 Permeability coefficient of the filter fabric and soil

試驗(yàn)結(jié)束后，土樣的孔隙比平均值為0．931，含水率平均值為38．4%，低于試驗(yàn)用土的液限值。

3.2 軸向壓縮試驗(yàn)后濾膜的特性變化

軸向壓縮試驗(yàn)后的濾膜和土樣見(jiàn)圖5和圖6。濾膜內(nèi)部嵌入了土顆粒，外側(cè)也黏附了土顆粒，防淤堵濾膜比普通濾膜黏附了更多的土顆粒。

圖5 防淤堵濾膜試驗(yàn)后Fig.5 The anti clogging filter fabric after the test

圖6 常用濾膜試驗(yàn)后Fig.6 The common filter fabric after the test

試驗(yàn)完成后，立即將濾膜剝下，一部分測(cè)定濾膜的垂直滲透系數(shù)，一部分濾膜風(fēng)干后稱(chēng)濾膜及其內(nèi)部土顆?？傎|(zhì)量，并根據(jù)濾膜的初始單位面積質(zhì)量和厚度計(jì)算滯留土量。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，濾膜滲透系數(shù)越大，單位面積滯留土量越大，防淤堵濾膜單位面積土顆粒滯留量最大。單位體積滯留土樣與其他參數(shù)無(wú)明顯相關(guān)性，因此單位面積滯留土量指標(biāo)更適合評(píng)價(jià)濾膜的淤堵。

表5 淤堵試驗(yàn)后濾膜的性能Table 5 Parameters of the filter fabric after the test

對(duì)比表3，所有濾膜的滲透系數(shù)均明顯降低，防淤堵濾膜的滲透系數(shù)變化最大，降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，但仍然高于普通濾膜。

3.3 與工后塑料排水板濾膜對(duì)比

工后塑料排水板濾膜取自連云港徐圩港區(qū)真空預(yù)壓加固區(qū)，取樣深度為0～-3．5 m，對(duì)應(yīng)樣品編號(hào)為101和109。該加固區(qū)在膜下真空度大于80 kPa條件下預(yù)壓加固150 d，101工后單位面積滯留土量0．004 g/cm2，109工后單位面積滯留土量0．006 7 g/cm2，略大于軸向壓縮試驗(yàn)結(jié)果，這是由于工后塑料排水板工作時(shí)間長(zhǎng)，濾膜兩面都黏附了土顆粒，淤堵機(jī)理更為復(fù)雜。109工后垂直滲透系數(shù)為0．010 cm/s，同軸向壓縮淤堵試驗(yàn)結(jié)果非常接近，說(shuō)明用軸向壓縮淤堵試驗(yàn)評(píng)價(jià)濾膜的工后滲透系數(shù)是可行的。

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，軸向壓縮淤堵試驗(yàn)濾膜的垂直滲透系數(shù)與工后濾膜的垂直滲透系數(shù)吻合度高，說(shuō)明用軸向壓縮淤堵試驗(yàn)評(píng)價(jià)濾膜的工后滲透系數(shù)是可行的。

4 結(jié)論與建議

本文通過(guò)軸向壓縮試驗(yàn)研究了塑料排水板在軟黏土環(huán)境中的淤堵特性。初步結(jié)論與建議如下：

1）對(duì)于黏性土，常用的梯度比法淤堵試驗(yàn)水頭變化緩慢，可以采用本文推薦的軸向壓縮淤堵試驗(yàn)法。

2）軸向壓縮淤堵試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單、效率高、可研究土工織物在不同壓力下的淤堵問(wèn)題。

3）軸向壓縮淤堵試驗(yàn)的濾膜滯留土量、垂直滲透系數(shù)與工后塑料排水板濾膜的滯留土量、垂直滲透系數(shù)十分接近。淤堵程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可采用垂直滲透系數(shù)折減程度、單位面積滯留土量等，具體取值還需進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。