無紡?fù)凉た椢餄B透淤堵試驗(yàn)研究

魏 松, 龔 明

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

無紡?fù)凉た椢镆蚱渚哂辛己玫姆礊V、排水、隔離、防滲、防護(hù)、加固等功能,被廣泛應(yīng)用于河道治理、堤防圍堰防滲、地基加固等工程中[1-4]。但在工程實(shí)踐中,也出現(xiàn)因土工織物淤堵而造成濾層失效問題,存在一定的安全隱患,從而影響工程安全性和使用年限[5-6]。

針對(duì)土工織物的淤堵問題,國內(nèi)外許多學(xué)者[7-12]開展了土工織物的淤堵試驗(yàn)研究,根據(jù)梯度比RG的變化規(guī)律,分析了水力梯度、土樣黏粒含量、土樣密實(shí)程度、織物等效孔徑等不同因素對(duì)無紡?fù)凉た椢餄B透淤堵特性的影響。但是,因?yàn)樘荻缺萊G反映的是上層土體、下層土-織物的滲透性變化的關(guān)系,所以RG增大,只能說明下層土-織物整體滲透性比上層土體有顯著減小,而無法進(jìn)一步判斷是否是土工織物產(chǎn)生了淤堵,也無法了解淤堵是發(fā)生在土工織物內(nèi)部還是表面。

1 淤堵試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

本文依據(jù)文獻(xiàn)[13]進(jìn)行試驗(yàn),土工織物滲透淤堵試驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.測(cè)壓孔 2.透明圓筒 3.排氣口 4.進(jìn)水口5.實(shí)驗(yàn)土樣 6.土工織物 7.出水口

圖1中的裝置主體上、下部分均為內(nèi)徑100 mm的透明有機(jī)玻璃圓管,其間通過法蘭緊密連接,法蘭中間可以夾持并固定土工織物,土工織物底部用孔徑大于6 mm且具有一定強(qiáng)度的濾網(wǎng)作為支承。裝置主體側(cè)壁上,按規(guī)范要求設(shè)置了測(cè)壓孔(1～6號(hào)),其中2號(hào)與3號(hào)、4號(hào)與5號(hào)測(cè)壓孔對(duì)稱,測(cè)壓孔內(nèi)設(shè)有反濾棒,防止土顆粒淤堵測(cè)壓管。測(cè)壓板上布置內(nèi)徑6 mm的測(cè)壓管和最小刻度值1 mm的刻度尺,試驗(yàn)中用軟管將測(cè)壓管與測(cè)壓孔連接在一起。

本次試驗(yàn)采用常水頭法進(jìn)行試驗(yàn),為此設(shè)計(jì)了常水頭的供水裝置和出水裝置。試驗(yàn)中,將儀器進(jìn)水口、出水口分別連接到常水頭裝置上,使土-土工織物系統(tǒng)總水頭保持穩(wěn)定,并通過改變供水裝置的高度來調(diào)節(jié)試驗(yàn)水力梯度。

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 試驗(yàn)土樣

將選自安徽省阜陽市潁州港開挖基坑的土樣與已知黏粒含量的土樣按照一定的比例進(jìn)行混合,調(diào)配出3種不同黏粒含量試驗(yàn)土樣。為進(jìn)一步了解試驗(yàn)土樣的顆粒組成,將3種試驗(yàn)土樣風(fēng)干后,按照文獻(xiàn)[14]進(jìn)行了土樣的顆粒分析試驗(yàn),得到了3種土樣的顆粒組成情況,具體數(shù)據(jù)見表1所列。

表1 試驗(yàn)土樣顆粒組成及物理特性

1.2.2 土工織物

試驗(yàn)選取的土工織物均為無紡?fù)凉た椢?分別是:山東西貝新材料有限公司生產(chǎn)的白色滌綸土工布150 g/m2,記為G1;山東儀征康順土工材料有限公司生產(chǎn)的白色丙綸土工布200、300 g/m22種,記為G2和G3。研究過程中,根據(jù)文獻(xiàn)[13]進(jìn)行取樣、稱量及試驗(yàn)。所選取的3種無紡?fù)凉た椢锏闹饕锢硖匦砸姳?所列。

表2 土工織物試樣的物理特性

1.3 試驗(yàn)方案

在特定的水力梯度條件下,開展3種黏粒含量不同的土樣相對(duì)密實(shí)與2種松散狀態(tài)下的3種不同等效孔徑的無紡?fù)凉た椢锏臐B透淤堵試驗(yàn);并對(duì)其進(jìn)行分組和編號(hào),具體方案見表3所列。

表3 試驗(yàn)分組及編號(hào)

注:D表示土樣相對(duì)密實(shí)狀態(tài),干密度為1.53 g/cm3;L表示土樣相對(duì)松散狀態(tài),干密度為1.27 g/cm3。

1.4 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)前,先將浸泡飽和的土工織物與濾網(wǎng)放入儀器內(nèi),固定并密封好;用漏斗將土樣分4次均勻倒進(jìn)儀器內(nèi),按照設(shè)計(jì)的干密度分層擊實(shí)到100 mm高度;試驗(yàn)采用脫汽水,采用低水頭從裝置底部出水口緩慢注水,逐漸浸透土樣,當(dāng)液面高出土樣2 cm左右,關(guān)閉出水口停止注水,讓試樣浸泡12 h,使其充分飽和,以避免土樣及織物孔隙中的氣泡未排盡而影響試驗(yàn)結(jié)果。

待試樣飽和后,從試樣頂部緩慢注水至水體充滿儀器內(nèi)部。首先,調(diào)節(jié)總水力梯度i達(dá)到4,待各測(cè)壓管讀數(shù)穩(wěn)定后,打開出水口開始試驗(yàn);每間隔1 h測(cè)讀1次測(cè)壓管水位及滲流量;當(dāng)該級(jí)水力梯度下,滲流和測(cè)壓管讀數(shù)趨于穩(wěn)定,再逐級(jí)調(diào)節(jié)總水力梯度i達(dá)到8、12,繼續(xù)試驗(yàn),直至全部測(cè)壓管讀數(shù)穩(wěn)定。

試驗(yàn)結(jié)束后,取出土工織物,仔細(xì)剔除附著在織物表面的浮土后,放入烘箱烘干,稱量土工織物及其截留土顆粒的總質(zhì)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 數(shù)據(jù)處理

表4 梯度比RG的試驗(yàn)結(jié)果

表5 滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果 10-4 cm/s

表6 單位體積含土量μ試驗(yàn)結(jié)果 g/cm3

2.2 梯度比RG變化規(guī)律分析

基于表4,得到黏粒含量w不同的土樣在不同密實(shí)程度、不同等效孔徑的土工織物條件下梯度比RG變化規(guī)律,如圖2所示。

圖2 梯度比RG的變化規(guī)律

對(duì)比圖2a、圖2b可知:① 在織物等效孔徑相同、土樣密實(shí)程度相同的前提下,土樣黏粒含量越大,試驗(yàn)得到的RG值越大,如織物G2前提下,土樣S3的黏粒含量是土樣S2的1.4倍,是土樣S1的2.2倍;而土樣S3對(duì)應(yīng)的RG值是土樣S2的1.4倍,是土樣S1的1.9倍；② 當(dāng)土樣黏粒含量、密實(shí)程度相同時(shí),織物等效孔徑越大,RG值越小,如土樣S1密實(shí)狀態(tài)下,織物G1的等效孔徑大小是織物G2的1.6倍,是織物G3的1.3倍,而織物G1對(duì)應(yīng)的RG約是織物G2的0.7倍,是織物G3的0.5倍；③ 織物等效孔徑相同的前提下,土樣S1松散狀態(tài)下的RG值大于密實(shí)狀態(tài)下的RG值;而土樣S2、S3松散狀態(tài)下的梯度比土樣密實(shí)狀態(tài)下的大。

2.3 滲透系數(shù)變化規(guī)律分析

圖3 滲透系數(shù)的變化規(guī)律

2.4 單位體積含土量μ變化規(guī)律分析

為了解織物淤堵情況,進(jìn)一步分析淤堵原因,對(duì)不同試驗(yàn)組合條件下織物的單位體積含土量μ進(jìn)行了對(duì)比分析,如圖4所示。

圖4 織物單位體積含土量μ的變化規(guī)律

由圖4可知:① 土樣相同密實(shí)狀態(tài)下，當(dāng)黏粒含量增大時(shí)，織物G1的μ值隨之增大，而織物G2、G3的μ值是先增大后減小;② 相同密實(shí)狀態(tài)下,土樣為S1、S2時(shí),等效孔徑越大,μ值越小;而土樣為S3時(shí),即黏粒含量較大時(shí),μ值隨等效孔徑的增大而增大;③ 對(duì)于相同等效孔徑的織物,土樣S1、S3相對(duì)密實(shí)條件下的μ值大于松散狀態(tài)下的;而土樣S2相對(duì)密實(shí)狀態(tài)下μ值小于松散狀態(tài)下的。

3 土工織物淤堵機(jī)理分析

結(jié)合土工織物背面土顆粒分布情況及變化規(guī)律的分析,對(duì)土工織物的淤堵機(jī)理進(jìn)一步研究。不同土樣密實(shí)狀態(tài)下、不同等效孔徑織物背面土顆粒分布如圖5所示。

從圖5可以看出,在土樣密實(shí)程度相同的條件下,隨著土樣黏粒含量的增大,織物G1背面土顆粒逐漸增多,織物G2背面的土顆粒先增多后減少,而織物G3背面可見的土顆粒量逐漸減少。

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和織物背面土顆粒分布情況可知,土樣黏粒含量、密實(shí)程度以及織物等效孔徑均會(huì)對(duì)土工織物的滲透淤堵特性產(chǎn)生顯著影響。

圖5 土樣相同密實(shí)狀態(tài)下不同土工織物的背面照片

(4) 在土樣密實(shí)程度相同的條件下,織物等效孔徑較小時(shí),土樣黏粒含量越多,單位時(shí)間內(nèi)通過織物的土顆粒越多,織物背面可見的土顆粒越多;若土樣黏粒含量越大、織物等效孔徑越小,土顆粒越容易沉積在織物表面,單位時(shí)間內(nèi)通過織物的土顆粒減少,相應(yīng)織物背面可見的土顆粒變少。

4 結(jié) 論

通過對(duì)不同密實(shí)狀態(tài)下,不同黏粒含量土樣、不同等效孔徑土工織物的滲透淤堵試驗(yàn)結(jié)果的分析,可以得到以下結(jié)論:

(2) 當(dāng)土樣黏粒含量較低且織物等效孔徑較大時(shí),土顆粒通過土工織物的效率較高,土顆粒在織物內(nèi)部附著、沉積的速率較低,此時(shí)“淤堵”發(fā)生在織物內(nèi)部但淤堵形成的速度相對(duì)緩慢;而當(dāng)土樣黏粒含量較大且織物等效孔徑較小時(shí),土顆粒通過土工織物的效率較低,粒徑較大的顆粒堵塞織物表面孔口,阻礙粒徑較小的土顆粒通過織物,細(xì)小土顆粒將逐漸沉積在織物表面形成弱透水層“濾餅”,此時(shí)“淤堵”發(fā)生在織物表面。

(3) 本文試驗(yàn)僅研究了土樣黏粒含量、密實(shí)程度以及織物等效孔徑對(duì)織物淤堵的影響,未考慮水力梯度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。為完善無紡?fù)凉た椢镉俣卵芯?可在此試驗(yàn)基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究水力梯度對(duì)織物滲透淤堵的影響。