軟基加固后塑料排水板性能研究

鄭愛榮 ，尹自強 ，王世寧

（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)重點實驗室，天津 300222；3.天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，天津 300222）

0 引言

塑料排水板的出現(xiàn)對軟基加固尤其吹填土超軟地基加固具有非常重要的意義，其工業(yè)化特點，以及排水效率高、成本低、打設(shè)方便高效且對軟弱土層的擾動較小的特性，使其迅速取代砂井，并形成了塑料排水板聯(lián)合真空預(yù)壓軟基加固法，可以在吹填完成后立即進行打板加固，極大地提高了地基加固的效率[1]。塑料排水板作為真空預(yù)壓的負壓傳遞通道和排水通道，其性能對軟基加固效率和效果有直接影響[2]，加強對塑料排水板性能的研究具有重要的意義。

工后塑料排水板是指在真空預(yù)壓加固過程中發(fā)揮了一定時間的負壓傳遞和排水通道作用的塑料排水板。在此過程中塑料排水板會出現(xiàn)變形及淤堵等問題，性能發(fā)生變化[3-5]，研究表明，這些變化導(dǎo)致塑料排水板排水效率降低，勢必會對加固效果產(chǎn)生影響。ALI F.H[6]通過試驗認為塑料排水板的變形對通水性能有顯著的影響，JEONG Y和LEE S[7]認為通水量隨著彎折次數(shù)的增多線性減小，試驗發(fā)現(xiàn)從沒有彎折到3個彎折，通水量減小48%；CHAI J.C等[8-9]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)淤堵效應(yīng)使塑料排水板的排水能力隨時間延長顯著減?。粚O立強等[10]通過室內(nèi)模型試驗發(fā)現(xiàn)，測試結(jié)束后塑料排水板的裙曲和折斷變形導(dǎo)致其失去了排水通道作用。為研究實際工程中工后塑料排水板的性能變化，以連云港徐圩港區(qū)某真空預(yù)壓軟基加固項目的工后塑料排水板為例進行了試驗研究。

1 塑料排水板工作原理

塑料排水板聯(lián)合真空預(yù)壓軟基加固法抽真空時，在地表砂墊層及豎向排水通道內(nèi)逐步形成負壓，使土體內(nèi)部與排水通道、墊層之間形成壓差。在此壓差作用下，土體中的孔隙水不斷由排水通道排出，土體在負超靜水壓力下排水固結(jié)。塑料排水板在此過程中的作用為傳遞真空壓力、充當?shù)叵滤呐懦鐾ǖ篮妥钃醯鼗令w粒的流失。

塑料排水板打設(shè)到地基中時為垂直形態(tài)，地基加固過程中產(chǎn)生大幅豎向沉降，由于塑料排水板與周圍土體之間存在側(cè)摩阻力，塑料排水板與土體的變形相互協(xié)調(diào)，產(chǎn)生彎曲變形，同時在土壓力作用下，最終塑料排水板呈如圖1所示的變形形態(tài)。

圖1 工后塑料排水板Fig.1 On-site used plastic drain board

微觀角度，在真空吸力的作用下，地基中的水滲流進入塑料排水板濾膜沿著芯板凹槽排出，土顆粒聚集在濾膜周圍。比濾膜孔徑大的顆粒被阻擋在濾膜外，比濾膜孔徑小的細顆粒則會因分子熱運動、慣性作用、擴散作用、截留作用、凝聚作用及靜電作用，一部分細顆粒粘附在濾膜表面，一部分嵌在濾膜空隙中，一部分進入濾膜，或者隨水排出，或者淤積在芯板上，造成濾膜和芯板的淤堵，如圖2。

圖2 濾膜和芯板的淤堵Fig.2 Clogged filter fabric and core plate

2 取樣

連云港徐圩港區(qū)軟基主要為淤泥及淤泥質(zhì)黏土，塑性指數(shù)高，細顆粒多，處理難度大。真空預(yù)壓軟基加固卸壓后，從地基中取出窄型和傳統(tǒng)型兩種塑料排水板，取樣過程非常困難，挖掘機挖出剖面再人工把樣品刨出，取樣深度為地表以下3.5 m。

工后塑料排水板有非常明顯的褶皺彎曲，越靠近地表，褶皺越密集，折痕以垂直于或接近垂直于塑料排水板縱向為主，塑料排水板外側(cè)粘附著黏土。

3 試驗及結(jié)果分析

3.1 試驗

對工后塑料排水板進行了復(fù)合體單位長度質(zhì)量試驗、拉伸試驗、通水量試驗、濾膜單位面積質(zhì)量試驗和滲透試驗，并對芯板內(nèi)的土顆粒進行了顆粒分析試驗。為避免反復(fù)干濕影響塑料排水板的性能，工后塑料排水板保濕養(yǎng)護，避光保存，試驗前清洗掉樣品外側(cè)的泥土。

3.2 樣品

工后塑料排水板從地基中取出后，應(yīng)力松弛，褶皺舒展，與在地基中的形態(tài)相比發(fā)生了明顯變化，如圖3，地基中接近180°的折疊變形已經(jīng)基本松弛，但折痕仍然清晰。少許部位濾膜有小面積破損，可能是打設(shè)或工作過程中受損造成的，也可能是由于取樣或制樣過程中人為造成的。

圖3 應(yīng)力松弛后的工后塑料排水板Fig.3 Stress relaxed on-site used plastic drain board

3.3 工后塑料排水板整體性能

工后塑料排水板復(fù)合體的試驗結(jié)果與其初始值對比如表1。

表1 塑料排水板試驗結(jié)果Table 1 Test results of plastic drain board

3.3.1 物理性能

工后塑料排水板的寬度和厚度未發(fā)生明顯變化，說明芯板變形較小，齒的倒伏和凹槽的折疊現(xiàn)象不明顯。單位長度質(zhì)量增加明顯，試驗結(jié)果離散性很大，這是由于工后塑料排水板的濾膜及芯板上淤堵了大量土顆粒，且分布不均勻。

用激光粒度分布儀對芯板上淤積的土顆粒進行了顆粒分析，試驗結(jié)果如表2。芯板淤積的土顆粒粒徑小于0.075 mm，主要為粉粒和黏粒，濾膜等效孔徑O95小于0.075 mm，說明只有足夠小于濾膜等效孔徑的土顆粒才能穿過濾膜。

表2 芯板上土的顆粒組成Table 2 Grain composition of soil on the core plate

3.3.2 復(fù)合體拉伸性能

工后傳統(tǒng)型塑料排水板的拉伸性能無明顯變化，塑料排水板的拉伸性能主要由芯板決定，說明本工程中塑料排水板的芯板抗拉強度并未明顯降低。

3.3.3 縱向通水量

縱向通水量試驗過程中，工后塑料排水板芯板中淤積的土團隨水流流出，排出的水體渾濁。工后塑料排水板初始通水量均明顯小于新板，穩(wěn)定通水量也小于新板，穩(wěn)定時間增長，試驗結(jié)果離散性較大，說明軟基加固過程導(dǎo)致塑料排水板的通水性能明顯降低。由于工后塑料排水板在通水量試驗前出現(xiàn)了應(yīng)力松弛，變形有很大程度恢復(fù)，其實際的通水量數(shù)值要比試驗結(jié)果更小。

3.4 工后塑料排水板濾膜性能

3.4.1 物理性能

濾膜試驗結(jié)果如表3，細顆粒在通過濾膜的過程中，部分顆粒滯留在濾膜孔隙中，如圖4，導(dǎo)致厚度增加，單位面積質(zhì)量增加明顯。

表3 濾膜試驗結(jié)果Table 3 Test results of filter fabric

圖4 工后濾膜Fig.4 The on-site used filter fabric

3.4.2 滲透性

濾膜的滲透性是影響塑料排水板排水性能的重要指標，相比塑料排水板芯板的淤堵，濾膜的淤堵對塑料排水板排水性能的影響更大[11]。試驗結(jié)果見表3，工后塑料排水板的濾膜滲透系數(shù)都有了明顯的降低，這是因為濾膜纖維孔隙中存在土顆粒，堵塞了部分滲透路徑，但仍有一部分滲透路徑能發(fā)揮作用。滲透試驗前濾膜兩側(cè)粘附的土顆粒已清洗干凈，影響其滲透性能的僅為淤堵在濾膜孔隙內(nèi)部的土顆粒，而工作中的塑料排水板，受濾膜表面粘附的土顆粒尤其是外側(cè)粘附的土顆粒影響，實際滲透系數(shù)會更小。

3.5 工后塑料排水板芯板性能

如圖5，工后塑料排水板芯板上粘附了許多土顆粒，芯板凹槽部分位置被淤積的土團填平，塑料排水板內(nèi)的滲透水流流速較小時，難以攜帶所有土顆粒排出，從而造成土顆粒在芯板的淤積。另外，芯板的部分縱肋出現(xiàn)輕微傾斜，凹槽上存在少許縱向折痕，這也會造成工后塑料排水板通水性能的降低。

圖5 工后芯板Fig.5 The on-site used core plate

4 結(jié)論與建議

在真空預(yù)壓加固工作過程中，塑料排水板的物理力學(xué)性能發(fā)生變化，這些變化將對加固效果產(chǎn)生影響。試驗研究發(fā)現(xiàn)，工后塑料排水板力學(xué)性能變化較小，由于工后塑料排水板存在折疊彎曲變形，濾膜和芯板上滯留了大量土顆粒，物理性能、水力學(xué)性能變化較大，單位面積（長度）質(zhì)量明顯增大，縱向通水量和濾膜豎向滲透系數(shù)明顯降低。

由于工后塑料排水板取出后應(yīng)力松弛，褶皺彎曲變形有很大程度恢復(fù)，同時忽略了濾膜兩側(cè)粘附的土顆粒對滲透性能、排水性能和真空吸力傳遞的影響，試驗結(jié)果與塑料排水板在軟基中的實際性能有一定區(qū)別，建議在以后的研究中對以上因素予以考慮。