土工織物垂直滲透特性的研究進展

姜 紅,雷國輝,楊明昌

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098; 2.河海大學巖土工程科學研究所,江蘇 南京 210098; 3.南京水利科學研究院巖土工程研究所,江蘇 南京 210029)

土工織物具有質量輕、運輸方便、價格低廉、生產技術成熟等優點,已廣泛應用于巖土和環境工程的諸多領域,例如,土工織物加筋用以加固軟基、邊坡和支擋結構物,土工織物發揮保土透水功能用于堤壩或衛生填埋場的反濾結構,編織成袋或管袋充填漿料用于堤岸防護、筑堤圍堰、污泥脫水等[1-4]。在工程實踐中,對土工織物物理力學特性與滲透特性的深入認識是其成功應用的關鍵。目前,國內外對于土工織物加筋作用的研究已較為系統和深入,但相比而言,對于土工織物垂直滲透特性方面的認知卻明顯不足。而日益增加的土工織物的工程應用中充泥管袋的固結排水與穩定問題均對掌握土工織物的滲透特性提出了迫切要求,如黃驊港和天津港大型充泥管袋筑堤工程[5-7]。為此,本文對土工織物垂直滲透特性的研究現狀進行總結和分析,指出存在的問題,并提出研究展望。

1 土工織物的垂直滲透特性

1.1 垂直滲透特性的表示方法

a. 滲透系數表示法。該法依據達西定律提出,存在以下缺點:一是達西定律只適用于層流,而測試時透過土工織物的水流只在很小的水頭差范圍內才表現為層流,白建穎等[8]通過試驗結果分析得出,對于機織布和編織布,當流速小于0.05 cm/s時水頭差僅為3 mm;對于無紡布,當流速小于0.5 cm/s時水頭差僅為5 mm,即在試驗過程中流體是極易偏離層流的,此時達西定律不再適用。Sluys等[9]也提出,只有在較小的水頭差下才能保證層流狀態,且這種水頭差已小到用常規測試儀器難以準確測得,對于實際工程并沒有什么意義。二是土工織物的厚度一般很小,而水頭差通常比厚度大很多倍,如果土工織物的厚度測量不準或者變形產生的微小差異,均會導致水力梯度的較大變化。該法的優點是土工織物的滲透性與土的滲透性可以直接進行對比。

b. 透水率表示法。該法用于描述滲流速度與水頭差的關系,可避免采用滲透系數描述土工織物滲透特性帶來的測量誤差。

c. 流速指數表示法。該法可將不同土工織物的滲透性進行比較,試驗方法簡單可行,同時不受層流、紊流的影響,但是不能與土的滲透性進行比較。

1.2 垂直滲透特性的測試標準

目前,國內外針對土工織物垂直滲透特性的測試尚無統一的標準,從表1可以看出,從測試所使用的儀器到試驗數據的處理方法,各個標準之間存在差異[10-16]。

表 1 土工織物垂直滲透特性測試標準比較

2 垂直滲透特性試驗的影響因素

2.1 試驗的用水條件

水溫和水質會對土工織物滲透試驗結果產生影響,相關規范[10,14-15]對于水的供給要求(如溫度、含氧量、水質等)做出了相應的規定。

對于溫度的影響,現有的規范中均將20℃作為標準溫度,此時水的動力黏滯系數η為1,測試試驗水溫,采用相對于20℃水溫校正系數RT對測試所得流速進行校正。Rudolf等[17]指出,由Darcy-Weisbach方程,可以得到紊流情況下流量Q與水頭損失的關系式:

(1)

式中:r為水流通道的半徑;h為水頭損失；l為通道的長度;λ為摩擦因數;g為重力加速度。由Hagen-Poiseuille方程,可以得到層流情況下流量與水頭損失的關系式:

(2)

式中:ρ為流體的密度。

將式(1)(2)結合可得到表示總的水頭損失的Forchheimer公式,即

(3)

式中:Δh為總水頭損失。

從公式(3)可以看出僅有η是與水溫相關的。所以水溫只是對于層流有影響,而對于紊流沒有影響,國際標準[16]及中華人民共和國國家標準[10]中也都提到了這一點。因此現行的溫度校正系數RT對于流速進行了多余校正,是不合理的。試驗時為了消除溫度修正帶來的誤差,宜將水溫保持在18 ～ 22 ℃之間。

對于水質的影響,一方面水中的雜質若積聚在土工織物的表面容易堵塞織物孔隙,從而降低織物的透水性能;另一方面,溶解在水中的氣體極易在滲透儀內部形成氣泡積聚,而且在通過土工織物時容易被織物纖維吸附而在其表面形成截留氣泡[17],從而引起織物有效孔徑減小,導致織物的滲透性降低。對于水中的雜質自然是采用過濾的方法來處理。而氣體的處理方面,使用蒸餾水可以大大降低這一因素的影響,但是此種方法的成本較高,因此一般不予采用。目前采用的主要方法有:①反向滲透法[13,18],文獻[13]給出了反向滲透裝置的示意圖;②將自來水放在水箱中靜置十幾個小時,然后從靜置水箱中引入[10,16-17];③增加各類濾氣裝置消除水中氣體[19-20];④ASTM中還提出可以采用真空除氧法[14-15]。

2.2 試樣的飽和程度

Kerry等[21]通過試驗研究發現,土工織物試樣在非飽和狀態下的滲透系數有時會比飽和狀態下的滲透系數小幾個數量級。因此,試驗進行前需對試樣進行飽和處理。比較簡單的方法是將試樣置于含有濕潤劑(烷基苯磺酸鈉)的水中,并輕輕攪動驅走空氣,浸泡至少12 h,但在試驗過程中,濕潤劑會產生泡沫(烷基苯磺酸鈉是一種人工合成的洗滌劑,具有起泡能力強的特性),從而影響試驗結果[10]。因此,Rudolf等[17]提出了一種新的有效方法,即先把試樣放在去離子水(除去了呈離子形式雜質后的純水)中浸泡,然后把水放在15 kPa的負真空壓力下至少6 h,這樣可有效消除氣泡導致試樣非飽和對試驗結果的影響。此外,在試樣安裝后向儀器內注水排氣的過程中,又很難避免氣泡吸附在試樣表面,因此水中裝樣的方式也逐漸被采用。

2.3 儀器的結構設計

對土工織物垂直滲透性的測試,尚沒有標準統一的測試儀器。起初一些學者都是根據測定土滲透特性的滲透儀的原理,利用自制的簡易裝置進行垂直滲透特性的測試。隨著土工織物的廣泛應用,在對測試過程中影響因素分析的基礎上,測試儀器結構本身及測試方法都有了長足的改進和完善。

土工織物滲透儀大多數存在試樣與滲透儀內壁之間漏水或者試樣夾持器處側漏的問題,因此為了保證試樣與儀器內壁之間的密封性,多采用蠟、膨脹膠、密封膠或油泥等進行密封,顯然這樣的方法并不能完全保證試樣邊緣流態的穩定性[9,18,22-23]。仿照旁壓儀由兩側平衡腔和中間量測腔組成的原理,對于儀器的測試部分進行相應改裝,當前已被廣泛采用,這種方式可以避免試樣邊緣流態不穩定的現象,保證有效的透水面積[18-19,22]。

試驗過程中,試樣兩側水頭差測試的準確度也是影響試驗結果的重要因素。目前主要有測試局部水頭差或全局水頭差兩種。局部水頭差是指試樣兩側的水頭損失,而全局水頭差是指整個測試系統的水頭損失,顯然,局部水頭差更能反映流體通過織物時的水頭損失。穆占領等[23]指出,對于多孔材料垂直滲透性測試儀器,測壓管應設置在離試樣端面2 cm以外,以避免因試樣阻滯而產生的渦流對于水頭測試的影響。因此,土工織物垂直滲透儀的測壓管也應設置在離試樣兩側一定范圍內。

土工織物在實際工程應用中不可避免會受到上覆壓力的作用,而垂向壓力作用下土工織物會發生壓縮,從而影響其滲透特性。因此,測試土工織物在垂向壓力作用下滲透特性的儀器相繼產生[17-19,22],ASTM也給出了相應的測試標準[15]。為了使垂向壓力在試樣上均勻分布,在試樣兩側設置剛性濾板,其是測試儀器的一個重要組成部分。Rudolf等[17]從可重復制造性、耐腐蝕性、承壓能力這三方面,對8種不同材質濾板進行了對比試驗分析,發現POM(polyoxymethylene,聚甲醛)是一種較為理想的濾板材料。

3 垂直滲透特性的研究成果

3.1 無垂向壓力作用時的垂直滲透特性

目前,對于無垂向壓力作用時土工織物垂直滲透特性的研究已經取得了一些成果。不同學者利用自制的儀器對于不同種類的土工織物開展試驗,并對試驗所得的數據進行處理分析。試驗結果顯示,用于描述土體滲透特性的達西定律并不能完全適用于土工織物的滲透特性[9],尤其是對于有紡土工織物[17]。因為土工織物的孔隙分布不規則,且孔隙大小和形狀各不相同,水在織物孔隙內的流動狀態是極其復雜的,不是絕對的層流,也非絕對的紊流。那么,應該用什么樣的方式去描述土工織物的滲透規律呢?

常仕維[24]運用修正的達西定律去描述土工織物的滲透特性,認為對于水頭損失Δh和流速v而言,lgΔh與lgv呈線性關系,這一關系在Sluys等[9]的試驗結果中也得到了證實。如果利用水力學管流理論分析[25],當水流通過由織物形成的孔隙時,產生的水頭損失為沿程水頭損失,與流速v成正比;當水流進入孔隙或從孔隙流出時,均會產生局部水頭損失,且這種局部水頭損失與v2成正比。當流速較小時,后者相對于前者可以忽略,表現為層流;當流速逐漸增大時,一部分層流狀態的流體轉化為紊流狀態,且其比例隨著流速的增加逐漸增加,此階段的水頭損失為av與bv2的和(a和b為試驗常數);當流速繼續增大時,前者相對于后者可忽略不計,即水頭損失基本與v2呈線性關系,表現為紊流。國家標準[10]和國際標準[16]就是采用通過原點的二次曲線對水頭差和流速的關系進行擬合,然后從該曲線上確定水頭差為50 mm時的流速，文獻[25-27]中也都是采用二次曲線來對水頭差與流速的關系進行擬合,其中白建穎等[25]指出,對于有紡布和無紡布幾乎所有的測試點都在擬合曲線上,即相關系數接近1。

1930年Forchheimer提出了適用于非層流的Forchheimer定律,其表達式為

(4)

(5)

式中:i為水力梯度;v為流速;k為滲透系數;kt為流態在完全紊流流速vt時的滲透系數。

Gourc等[28]將Darcy定律與Forchheimer定律結合,得到Darcy-Forchheimer模型,即:

(6)

式中:ilim為層流狀態時的臨界水力梯度;vlim為層流狀態時的臨界流速。

以上模型可以涵蓋所有流態的情況,根據式(6)(7)Gourc等[28]還推導出流態介于層流與紊流之間(即i≥ilim)時滲透系數的表達式:

(8)

3.2 有垂向壓力作用時的垂直滲透特性

對于無紡土工織物而言,織物纖維排列雜亂無章,絲與絲之間以針刺或粘結連接,孔隙分布不規則,結構蓬松,具有一定的厚度。在垂向壓力的作用下,土工織物發生壓縮,纖維重新調整定位,引起內部孔隙減小,水流通道減少,從而使其滲透性降低，這一點在一些測試結果中已得到證實[17-18,22,26,29-33]。其中任之忠等[33]提出用折減系數對無紡土工織物滲透參數進行修正的方法,指出無紡土工織物垂直滲透參數的折減系數一般取0.05 ～ 0.07,壓力小時取大值,壓力大時取小值。

有紡土工織物與無紡土工織物在微觀結構上有著本質的區別,它是由經緯兩個方向的絲交織而成。其中機織布由合股絲交織而成,因此每束絲的纖維之間也存在孔隙;而編織布由裂膜絲、管膜絲或條膜絲交織而成,孔隙只是織物縱橫絲交織的部分,因此其孔隙率較無紡土工織物小得多,透水性也差得多。白建穎等[25]給出了土工織物的微觀結構圖,在垂向壓力作用下,有紡土工織物的厚度變化并不明顯。Rudolf等[17]從試驗溫度的選擇、試驗用水的脫氣處理、土工織物的飽和方法以及試驗中所用的濾板等幾個方面對ASTM的測試儀器及測試過程進行了改進和完善,并對測試結果進行分析,得出垂向壓力對于有紡土工織物的滲透特性是沒有影響的。王保田等[18]的試驗結果卻表明有紡土工織物的滲透特性隨著垂向壓力的增大而減小,顯然兩者的結論是不同的。

以上兩種結論的差異,可能是由試驗所用有紡土工織物的加工工藝不同導致的。有紡土工織物經緯兩個方向(經向是指沿著機器紡織的方向,緯向是指垂直紡織機器的方向)上絲的挺直程度是不同的,一般而言緯絲要挺直許多,經絲隨著單位面積質量的增加,彎曲程度增大。而且絲越薄,織成布后絲越挺直,織出的布也就越平整,法向壓力對于布的結構基本沒有影響,從而對其滲透特性基本沒有影響。對于不平整的布,或是說厚一些的編織布,法向壓力使布有一定的壓縮,孔隙也會相應地減小,即布的結構發生了變化,進而使其滲透性降低。

3.3 拉伸應變對垂直滲透特性的影響

在實際工程應用中土工織物往往處于受拉狀態,而拉伸通常會對土工織物孔徑特征產生影響,進而影響土工織物的透水性能。因為各類土工織物在微觀組成上存在本質區別,所以拉伸應變對其孔徑影響的規律也是不同的。

佘巍[34]將拉伸應變對土工織物孔徑影響的研究成果進行了分類對比分析,結果表明,短纖針刺無紡土工織物單向拉伸時等效孔徑減小,導致透水性能降低;而熱粘無紡土工織物和條膜有紡織物單向拉伸時等效孔徑增大,導致透水性能增加;根據拉應變對于孔徑的定量影響,提出了織物受拉時孔徑的計算公式,并根據試驗測試值對計算公式進行修正。不過其試驗程序是先對土工織物進行一定拉伸率的單向拉伸,再用拉伸后的織物進行后續的滲透試驗,很明顯這種方式存在拉伸后織物回縮的缺陷。

Zhang等[35]將拉伸裝置與滲透裝置相結合,有效地解決了拉伸后織物回縮的問題。針對有紡土工織物,在兩種試驗條件(經向拉伸,緯向固定或者自由;緯向拉伸,經向固定或自由)下開展了13組試驗,結果發現其滲透特性是各向異性的。對于經向拉伸而言,透水率隨著拉力的增大先減小后趨于穩定,穩定后的值僅為無拉伸作用時的10% ～ 25%。而對緯向進行拉伸,透水率則隨著拉力的增大而持續增加。這一結果可以從制造工藝方面去理解,有紡土工織物緯絲相對經絲一般要挺直得多,經絲隨單位面積質量的增大,彎曲程度亦增大。進行單向拉伸時,經絲要先經過由曲到直的過程,絲的寬度不變,而絲變得平整,孔隙自然減小。而緯絲一開始就比較挺直,拉伸將導致其絲的寬度持續變小,絲與絲交織處的孔隙變大,透水性自然增大。

3.4 覆土條件對垂直滲透特性的影響

土與土工織物的相互作用將會改變(主要是降低)土工織物的滲透性參數,甚至產生淤堵。目前,對于覆土條件下土工織物滲透特性的研究一般是進行加壓過濾試驗、梯度比試驗或是標準懸掛袋試驗。現有的試驗結果表明,土工織物在覆土條件下的滲透性能大大低于其在純水條件下滲透性能,這是由于織物孔隙會被部分堵塞,而且織物與土的交界面會慢慢形成一層濾餅,濾餅一旦形成,土工織物滲透性將急劇下降[36-38]。

覆土條件下土工織物的滲透特性主要取決于土與土工織物兩者的物理性質,而壓力僅僅起到增加排水速率的作用[36-37]。Satyamurthy 等[38]則認為土工織物的開口孔徑與土的特征粒徑的比值對于土工織物的保土排水性能起主要作用。土的性質及其與土工織物的相互作用是影響滲透特性的主要因素,其滲透機理相當復雜,這方面的研究仍有待深入。

4 結語及展望

隨著土工織物在巖土工程、環境工程等領域的廣泛應用,國內外關于土工織物垂直滲透特性的研究有了長足的進展,現有的研究均是考慮單一因素的影響,且只是定性的分析其影響規律。但實際工程應用中土工織物所處的狀態是極其復雜的。由于試驗儀器與試驗過程的復雜性,還未能綜合考慮垂向壓力、拉伸應變及覆土條件等多種因素的影響。土工織物垂直滲透特性測試標準的統一以及測試的狀態與實際應用狀態的一致性,還有待于測試儀器的不斷改進及測試方法的不斷完善,為土工織物在工程中的應用提供更可靠的依據。

對于土工織物垂直滲透特性，以下幾個方面還有待進一步研究：

a. 現有的研究中均認為水頭差是滲透速率的決定因素,而并未涉及在相同的水頭差作用下,織物上所受到的水壓力對滲透速率的影響。這對于層流是適用的,但對于紊流而言,水壓力對土工織物垂直滲透性的影響還有待于進一步的研究。

b. 在試驗數據的分析過程中,有的學者采用對數曲線擬合,有的學者采用二次曲線擬合,也有學者提出了分段擬合的方式(即分層流段、紊流段和中間過渡段)。也就是說對兩者關系的描述還沒有達成共識,試驗數據處理方法的規范化仍值得探究。

c. 在垂向壓力對于土工織物垂直滲透特性影響的研究方面,多數的研究僅僅是針對無紡土工織物的,而對有紡土工織物的研究很少，而且從現有的研究成果中可以看出,物理特性不同的有紡織物,垂向壓力對其滲透特性的影響不同。因此,垂向壓力對有紡土工織物垂直滲透特性的影響有待于進一步的研究。

d. 現有的關于拉伸應變對于土工織物垂直滲透特性影響的研究中只進行了織物單向拉伸條件下的試驗,因此有必要進行相關試驗對有紡土工織物在雙向拉伸甚至環向拉伸情況下的垂直滲透特性進行研究,以使試驗工況與實際應用工況盡可能保持一致。

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