真空預(yù)壓載荷下塑料排水板濾膜淤堵試驗(yàn)研究

陳庚，洪秀敏，王波*，徐建銘，胡永富，彭中浩（援河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇　南京　0098；.浙江省公路管理局，浙江　杭州　0009；.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江　杭州　0009）

真空預(yù)壓載荷下塑料排水板濾膜淤堵試驗(yàn)研究

陳庚1，洪秀敏2，王波1*，徐建銘2，胡永富3，彭中浩1
（1援河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098；2.浙江省公路管理局，浙江杭州310009；3.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州310009）

摘要：針對(duì)塑料排水板在真空預(yù)壓過(guò)程中排水性能衰減的現(xiàn)象開(kāi)展分析。通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)（T形管試驗(yàn)）發(fā)現(xiàn)，黏粒的遷移會(huì)在濾膜周?chē)纬绅ち＞奂瘏^(qū)，造成塑料排水板排水性能的降低，揭示了塑料排水板在真空預(yù)壓作用下的淤堵機(jī)理，即土顆粒及土中間隙水在真空吸力作用下向?yàn)V膜方向遷移。通過(guò)模型槽試驗(yàn)同樣發(fā)現(xiàn)，真空預(yù)壓過(guò)程中黏土細(xì)顆粒會(huì)向著排水板方向遷移，造成排水板濾膜與板芯的淤堵，同時(shí)還使得濾膜及周?chē)恋臐B透系數(shù)降低。相比塑料排水板芯板的淤堵，濾膜的淤堵及其附近土體滲透系數(shù)的降低，對(duì)塑料排水板的排水性能影響更大。

關(guān)鍵詞：塑料排水板；真空預(yù)壓；滲透系數(shù)；黏土顆粒；淤堵

0　引言

塑料排水板在軟土地基處理工程中應(yīng)用廣泛，但其在排水固結(jié)后常會(huì)發(fā)生淤堵致使排水效能降低，進(jìn)而使得地基處理的實(shí)際效果與預(yù)期有較大差距。

真空預(yù)壓過(guò)程中，地基中黏土細(xì)顆粒隨孔隙水遷移至濾膜或排水溝槽，堵塞濾膜和溝槽，降低通水能力。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這一現(xiàn)象已有相關(guān)研究，McGown和Bell、Hicks分別在1978年和1980年對(duì)土工織物濾膜的基本原理作了介紹，孔隙水的流動(dòng)會(huì)使土體中的細(xì)小顆粒在遷移過(guò)程中積聚在濾膜孔口上，堵塞進(jìn)水通道，這種現(xiàn)象叫封堵。封堵會(huì)造成濾膜的滲透系數(shù)降低[1]。另一方面如果土顆粒在通過(guò)土工織物的過(guò)程中發(fā)生堆積，逐漸降低濾膜的有效過(guò)水?dāng)嗝妫档蜑V膜的通水效率，這種現(xiàn)象叫填塞。封堵和填塞都會(huì)使濾膜的滲透系數(shù)嚴(yán)重降低，有時(shí)甚至低于周土，統(tǒng)稱(chēng)為淤堵。用塑料排水板處理軟基時(shí)，由于淤堵現(xiàn)象的存在，濾膜的滲透系數(shù)迅速衰減，降低排水效率，阻礙正常的施工進(jìn)展。W.Haegeman[2]對(duì)短期淤泥膜外淤堵與濾膜規(guī)格關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)，得出膜外淤泥滲透系數(shù)變化與濾膜規(guī)格的關(guān)系，但未就淤泥自身顆粒級(jí)配變化進(jìn)行分析；王亞坤[3]在對(duì)真空預(yù)壓加載方式研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，采用不同的加載方式對(duì)濾膜外淤積顆粒數(shù)量產(chǎn)生影響；Cho-Sen Wu[4]對(duì)在用不同反濾層支擋材料下的無(wú)紡布濾膜進(jìn)行淤堵試驗(yàn)分析，認(rèn)為反濾層支擋物形式對(duì)無(wú)紡布淤堵具有重要影響；付長(zhǎng)生[5]針對(duì)土工織物淤堵試驗(yàn)過(guò)程中形成的滲透系數(shù)k與時(shí)間t的“駝峰”形關(guān)系曲線，分別探討了“駝峰”現(xiàn)象產(chǎn)生的原因、主次影響因素及其敏感性；俞炯奇[6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖采取在地下工作 2 a后的塑料排水板試樣進(jìn)行室內(nèi)檢測(cè)，結(jié)果表明工作2 a后排水板復(fù)合體干態(tài)抗拉強(qiáng)度及濾膜干態(tài)抗拉強(qiáng)度明顯降低，通水量減小；Ing.N.G.Cortlever[7]、閆澍旺[8]等對(duì)排水板在淤泥變形過(guò)程中的彎折形態(tài)變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)排水板產(chǎn)生了彎曲和折斷現(xiàn)象，影響排水板的通水量。可見(jiàn)，影響塑料排水板加速土體固結(jié)的因素眾多。

本文針對(duì)塑料排水板使用過(guò)程中的排水性能衰減展開(kāi)分析，通過(guò)T形管試驗(yàn)研究采用塑料排水板處理軟基時(shí)顆粒遷移規(guī)律，并通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)探究塑料排水板在排水固結(jié)過(guò)程中應(yīng)用參數(shù)衰減規(guī)律及其主要影響因素，供工程參考。

1　試驗(yàn)用土的基本物理性質(zhì)

室內(nèi)試驗(yàn)采用的土樣取自浙江省溫州某工地，初始含水率為95%，為表層的淤泥。根據(jù)地質(zhì)資料，表1為試驗(yàn)用土的基本物理力學(xué)性質(zhì)。

表1　土樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)Table 1　Physical and mechanical parameters of soil samples

為方便儀器裝樣，室內(nèi)配置超軟土，將原狀土晾曬風(fēng)干后，用碎土機(jī)進(jìn)行破碎，過(guò)0.5 mm篩后，按初始含水率為110%配置，稱(chēng)取對(duì)應(yīng)的土、水，采用電動(dòng)攪拌器制成泥漿，靜置3 d待其沉降穩(wěn)定后除去表層水，測(cè)其含水率為90.5%。

2　T形管模型試驗(yàn)

為研究在真空壓力作用下，土中距濾膜不同距離黏粒發(fā)生遷移的情況，確定黏粒聚集比較密集的區(qū)域范圍及聚集程度與時(shí)間的關(guān)系，室內(nèi)采用T形管進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。圖1為試驗(yàn)儀器細(xì)部圖。

圖1　T形管試驗(yàn)?zāi)M排水板示意圖Fig.1　T-tube test simulates the drainage board schematics

在T形管的主管兩端放置塑排板的板芯和濾膜，尺寸直徑均為85 mm，略大于T形管的主管直徑（80 mm）。

主管兩端連接真空泵施加真空荷載，管中充滿超軟土，豎管中超軟土通過(guò)密封膜進(jìn)行密封處理。試驗(yàn)時(shí)，將濾膜分別貼于左右兩端橡皮塞下，兩端通過(guò)調(diào)壓閥門(mén)控制真空壓力在80 kPa，在預(yù)壓36 h后，分別在濾膜近端、10 cm、20 cm、30 cm處取樣，測(cè)量土體的顆粒級(jí)配。圖2為濾膜端處理36 h后的土體顆分曲線。

圖2　距濾膜不同距離顆分曲線變化Fig.2　Grain size curve with different distances to film

由圖2可看出，在10 cm范圍內(nèi)顆粒級(jí)配變化較小，細(xì)小顆粒含量相當(dāng)，在20 cm以外范圍，黏粒含量迅速下降至25%以下。說(shuō)明在距排水板10～20 cm左右的范圍內(nèi)，是黏粒的主要聚集區(qū)。

筆者認(rèn)為真空預(yù)壓排水過(guò)程中，土顆粒及土中間隙水在真空吸力作用下向?yàn)V膜方向遷移，并在濾膜反濾作用下形成一個(gè)級(jí)配穩(wěn)定的低滲透區(qū)，進(jìn)而降低塑料排水板的排水效率。

3　模型槽試驗(yàn)研究

為了確定舊塑料排水板（現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖打設(shè)18個(gè)月的塑料排水板，下文簡(jiǎn)稱(chēng)舊板）的排水性能較新塑料排水板（下文簡(jiǎn)稱(chēng)新板）存在的差異，研究排水板板芯堵塞、濾膜淤堵及濾膜周邊黏粒遷移對(duì)塑料排水板排水性能的影響，本文開(kāi)展室內(nèi)模型槽試驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)研究。舊板均從施工現(xiàn)場(chǎng)采集，用保鮮膜包裹以保證濕度，塑排板濾膜表面帶泥，盡量保持濾膜工作的原始狀態(tài)。

試驗(yàn)時(shí)，將新舊塑排板的板芯與濾膜分離開(kāi)來(lái)，進(jìn)行不同的組合，以研究濾膜及板芯的淤堵對(duì)排水性能的影響程度。

3.1模型槽儀器介紹

模型槽裝置如圖3所示，主要包括模型箱主體、排水系統(tǒng)、調(diào)壓裝置以及量測(cè)系統(tǒng)。模型箱長(zhǎng)1 200 mm，中間被隔板一分為二，寬800 mm，高800 mm。模型槽儀表布置見(jiàn)圖4，裝置實(shí)物見(jiàn)圖5。

圖3　模型槽試驗(yàn)裝置示意圖（單位：mm）Fig.3　Schematic of model tank tests（mm）

3.2模型槽基本實(shí)驗(yàn)

將試驗(yàn)土樣均勻裝入模型槽的兩室中，靜置3～5 d后進(jìn)行插板。插板時(shí)，將排水板濾膜的一端封住，然后將鐵尺套在濾膜內(nèi)，分別插在兩室中央位置，隨后拔出鐵尺。排水板打設(shè)完成后，應(yīng)立即測(cè)量排水板附近土體的滲透系數(shù)。試驗(yàn)土樣表面覆蓋土工布和砂墊層，通過(guò)排水管連接到集水瓶和真空泵，維持真空壓力在80 kPa，預(yù)壓30 d。為了研究排水板濾膜和板芯淤堵對(duì)排水板排水性能的影響程度，將新舊排水板的濾膜和板芯進(jìn)行不同組合，見(jiàn)表2。

圖4　模型槽儀表布置圖Fig.4　Layout of model tank instrument

圖5 模型槽實(shí)物圖Fig.5　Physical model tank

表2　試驗(yàn)不同組合方案Table 2　Experiment with different combinations of program

為了研究塑料排水板的濾膜及周?chē)馏w滲透系數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律，針對(duì)模式一，模型槽左右兩室分別插入完全一致的新塑料排水板進(jìn)行直排式真空預(yù)壓，真空度保持一致，試驗(yàn)期1個(gè)月，測(cè)量預(yù)壓前后塑料排水板濾膜及周土的滲透系數(shù)。

1）含水率

表3是距排水板不同距離的含水率，模式一的處理效果明顯優(yōu)于模式二，距離模式一不同位置的土體含水率均低于模式二；兩種情況含水率的差值隨著與排水板距離的增大而變大，模式二對(duì)于處理離塑排板較遠(yuǎn)土體的效果更差，含水率僅降低34.82%。

表3　距排水板不同距離含水率比較Table 3　Moisture compare with different distances to drain

2）土體表層沉降量

圖6為表層土沉降量隨時(shí)間的變化曲線，可以看出，模式一有明顯的不均勻沉降，最終沉降量最大的E1為中間觀測(cè)點(diǎn)，最小的B1為距排水板最近的觀測(cè)點(diǎn)，其在初始階段沉降速率最快，最終沉降量卻最少，模式二也有類(lèi)似結(jié)論。

筆者認(rèn)為造成這一現(xiàn)象的原因在于，黏性顆粒在土體中發(fā)生遷移，最終在塑排板附近聚集，導(dǎo)致本區(qū)域的沉降量降低。模式一的整體處理效果明顯優(yōu)于模式二，即打設(shè)18個(gè)月的舊板由于長(zhǎng)期的地下工作，其排水效果確實(shí)受到了很大程度的折減。

比較圖6四種模式，模式一與模式四沉降速率和最終沉降量接近，說(shuō)明板芯的淤堵對(duì)排水板排水性能的影響并不明顯；四種情況下的最終沉降量為模式一>模式四>模式三>模式二，表明濾膜的淤堵對(duì)排水板排水性能的影響大于板芯。

圖6　沉降-時(shí)間曲線圖Fig.6　Curve of settlement versus time

3）排水量對(duì)比

圖7中模式四的排水速率及最終排水量明顯高于模式三，表明濾膜的淤堵的確會(huì)對(duì)排水板的排水性能造成較大影響。結(jié)合圖6與圖7可知，板芯的淤堵同樣也會(huì)對(duì)排水板排水效能造成影響，但影響程度相對(duì)較低。

4）滲透系數(shù)對(duì)比

圖7　四種情況的排水量對(duì)比Fig.7　Displacement contrast of four cases

將滲透系數(shù)因黏粒遷移而明顯降低的板周土區(qū)域定義為黏粒遷移密切影響區(qū)，表4為濾膜、排水板5 cm處和20 cm處土體在真空預(yù)壓前后滲透系數(shù)的變化對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)初始滲透系數(shù)為預(yù)壓后的5～10倍，即預(yù)壓后滲透系數(shù)明顯減小。

表4　濾膜及周土滲透系數(shù)對(duì)比Table 4　The comparison of permeability coefficient between membrane and surrounding soil

筆者認(rèn)為塑排板濾膜及板芯的淤堵并不是造成其排水性能降低的最主要因素，由于排水板濾膜的淤堵，會(huì)使土體中的黏粒在排水板周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)聚集，使此區(qū)域的滲透系數(shù)迅速下降至很低，即為密切影響區(qū)。密切影響區(qū)的存在，會(huì)大大阻礙土體中水流的正常滲流速度，造成塑排板排水性能的降低。

4　結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)（T形管試驗(yàn)）發(fā)現(xiàn)，黏粒的遷移會(huì)在濾膜周?chē)纬绅ち＞奂瘏^(qū)，造成塑料排水板排水性能的降低。揭示了塑料排水板在真空預(yù)壓作用下的淤堵機(jī)理，即土顆粒及土中間隙水在真空吸力作用下向?yàn)V膜方向遷移，并在濾膜反濾作用下形成一個(gè)級(jí)配穩(wěn)定的低滲透區(qū)，可稱(chēng)密切影響區(qū)，且黏粒的遷移造成密切影響區(qū)滲透系數(shù)的迅速降低。

2）通過(guò)模型槽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，真空預(yù)壓過(guò)程中黏土細(xì)顆粒會(huì)向著排水板方向遷移，造成排水板濾膜與板芯的淤堵，降低濾膜及周?chē)恋臐B透系數(shù)，其中濾膜淤堵對(duì)排水板排水效率影響大于板芯。

3）根據(jù)模型槽預(yù)壓前后濾膜及周土滲透系數(shù)變化的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)相比于塑排板濾膜及板芯的淤堵，密切影響區(qū)的存在，會(huì)大大阻礙土體中水流的正常滲流速度，是造成塑料排水板排水性能降低的最主要因素。

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E-mail：wangbo0728@126.com

中圖分類(lèi)號(hào)：U655.544.4；TU447

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-7874（2016）01-0023-05

doi：10.7640/zggwjs201601006

收稿日期：2015-08-16修回日期：2015-12-10

基金項(xiàng)目：浙江省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（No.2014H01）

作者簡(jiǎn)介：陳庚（1987—），男，山東淄博市人，博士，從事軟基處理方面研究。

*通訊作者：王波，

Laboratory test of plastic drain filter clogging under vacuum preloading

CHEN Geng1,HONG Xiu-min2,WANG Bo1*,XU Jian-ming2,HU Yong-fu3,PENG Zhong-hao1
（1.Geotechnical Research Institute,Hohai University,Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering,Nanjing,Jiangsu 210098,China;2.Zhejiang Provincial Highway Administration Bureau,Hangzhou, Zhejiang 310009,China;3.Zhejiang Research Institute of Traffic Planning and Design,Hangzhou,Zhejiang 310009,China）

Abstract：The drainage performance of plastic drain board in the process of vacuum preloading is decay.With simulation test (T-tube test)found that the migration of clay particles in the membrane surrounding the formation of clay enclave,resulting in reduced drainage performance of plastic drainage board,revealed the plastic drain clogging mechanism under vacuum preloading effects,namely soil particles and soil interstitial water migration in the direction of the membrane under vacuum suction.It was found by the model tank,during vacuum preloading process,the fine clay particles migrate toward the drain direction,causing the clogging of drain filter and plate core,reduce the permeability coefficient of membrane and its surrounding soil,which has greater impact on drainage performance comparing with the plastic drainage plate core clogging.

Key words：plastic drainage board;vacuum preloading;permeability coefficient;clay particles;clogging