基于垂直滲透儀測定土工合成材料黏土墊方法的分析

李澤君

（1.安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院 安徽蚌埠 230002 2.安徽省建筑工程質量監督檢測站 安徽合肥 230088）

前言

土工合成材料黏土墊是一種具有滲透系數低、抗不均勻沉降能力強和自我修復功能優良的新型防滲材料，鈉質膨潤土和鈣質膨潤土是土工合成材料黏土墊的主要原料。受包裹膨潤土的土工合成材料的性質的影響，土工合成材料黏土墊可以分為以下幾種類型：①由有紡土工織物或無紡土工織物包裹的土工合成材料黏土墊；②利用土工織物、土工膜或涂塑土工織物包裹而成的土工合成材料黏土墊。根據工程建設項目的實際情況，黏土墊中間包含的天然材料膨潤土是前者的防滲性能的決定因素。土工膜是后者的防滲性能的重要影響因素。垂直滲透儀是在長水頭符合層流條件下測定土工織物的垂直滲透系數與透水率的重要設備。這一設備主要有滲透壓力室、法向力加荷裝置和滲透水頭測壓管等多種設備組成。現階段一些學者已經圍繞土工合成黏土墊的防滲性能，開展了室內試驗。

1 土工合成材料黏土墊的產品標準與試驗方法

1.1 土工合成材料黏土墊的產品標準

土工合成材料黏土墊（以下稱黏土墊）產生于20世紀80年代，此類產品在由美國學者研制成功以后，在北美地區得到了迅速發展，美國已經針對此類材料制定出14種不同標準，準備些標準如D5887、D5888、D5889標準等多種標準[1]。上述標準涉及到了土工合成材料黏土墊產品的產品取樣、單位質量檢測、黏土成分性能檢測及產品滲透性測試等多項內容。通過對土工合成材料黏土墊技術的發展現狀進行分析，我們可以發現，現階段我國僅僅有少數企業根據美國提出的標準，制定了此類產品的企業標準。

1.2 土工合成材料黏土墊的試驗方法

根據土工材料黏土墊檢驗技術的現狀，柔壁滲透儀在土工材料黏土墊試樣流率的標準試驗方法中發揮著重要的作用。試驗過程中使用的試樣為直徑為100mm的黏土墊試樣，實驗初期階段，試驗人員需要將黏土墊試樣放入圍壓值為550kPa，反壓條件為515kPa的環境下進行飽和處理和水化處理，并在黏土墊試樣固結時間達到48h以后，提升式樣底部的反壓力（一些學者在這一環節讓反壓力值達到了530kPa），以便讓試樣形成一種自下而上的滲流效應，此時試驗人員可以開始開展常水頭滲壓試驗。在常水頭滲壓試驗實施以后，試驗人員需要在最后三次穩定滲流量流率結果在75～125%之間的情況下，計算流率的平均值，在試驗進行過程中，最后3次測定過程的總間隔時間需要控制在8h以上。由于這種測量方式的操作難度相對較大，故而相關標準之中也附有近似測定黏土墊厚度的方法。

2 土工合成材料黏土墊的滲透性與相關試驗方法

2.1 土工合成材料黏土墊滲透性的主要影響因素

黏土墊的防滲作用與膨潤土水化以后的顆粒吸水膨脹效果之間有著較為密切的聯系。在顆粒吸水膨脹效應下形成的均勻化的膠體系統可以讓膨潤土在有限的壓力作用下達到一定的密實程度，進而降低黏土墊的透水性，黏土墊滲透性的影響因素與以下內容有關：①膨潤土的水化程度；②膨潤土水化以后的密實程度[2]。上述內容均與作用于黏土墊的壓力之間有著一定的聯系。圖1所示的內容為不同上覆壓力作用下的鈉基膨潤土水化時間圖。

圖1 鈉基膨潤土水化與膨脹形性狀

根據圖1所示內容，在上覆壓力值不同的情況下，膨潤土完全水化的時間也存在著一定的差異性，上覆壓力與膨潤土的膨脹穩定時間之間存在著負相關關系。

2.2 基于垂直滲透儀的土工合成材料黏土墊滲透性試驗的試驗方法

2.2.1 基于柔壁滲透儀的土工合成材料黏土墊測定方法的弊端

根據前文論述，基于柔壁滲透儀的土工合成材料黏土墊試樣流率試驗方法是一種較為常用的試驗方法。根據黏土墊防滲檢測工作的實際情況，這一檢測方式的問題主要表現在以下方面：①在黏土墊應用于實際工程以后，其上覆有效壓力值相對較低，如在保護層厚度為50cm的情況下，黏土墊上覆有效壓力值僅為5kPa。這一上覆有效壓力值與相關標準規定的35kPa有效壓力值之間有著較為明顯的差距。故而這一檢測方法所檢測的滲透系數并不能反映出黏土墊在實際工程項目中的實際滲透性；②在基于柔壁滲透儀的黏土墊檢驗方式應用于實際檢驗工作以后，相關人員需要對水化時間等數據進行調整，根據圖1所反映的信息，在上覆有效壓力為35kPa的情況下，膨潤土的水化時間在2d左右，但是在上覆有效壓力為5kPa的情況下，水化時間需要控制在100h左右，根據一些學者的研究結果，在上覆有效壓力值低于14kPa的情況下，側壁滲漏問題的出現，會給試驗結果的準確性帶來不利的影響；③這一檢驗方式的檢驗成本相對較高。

2.2.2 基于垂直滲透儀測定土工合成材料黏土墊方法的應用

為保證黏土墊檢驗結果的精確性，檢驗人員需要在堅持現有標準的基礎上，將垂直滲透儀應用于黏土墊檢驗工作之中。為保證檢驗結果的精確性，試驗人員需要將黏土墊試件的尺寸設計為20～30cm之間，以便在提升試樣尺寸的基礎上，降低試樣邊緣對檢驗結果的不利影響。

針對試樣與垂直滲透儀側壁密封的問題，試驗人員可以通過在試樣桶壁涂抹膨潤土膏的方式解決這一問題，這一解決措施雖然會給黏土墊的滲透系數帶來一定的影響，但是這一檢測方式的檢測精確度仍然可以有效滿足工程的實際需求。

為保證檢驗工作的有效性，檢驗人員在將垂直滲透儀應用于黏土墊檢驗以后，需要在垂直滲透儀的頂蓋中心安裝活塞加壓桿。活塞加壓桿可以發揮出控制試樣壓力的作用。黏土墊的保護層和支撐層可以選用以透水石為主的設計方案，在透水石應用于檢驗工作以后，檢驗人員需要在透水石與試樣接觸面之間鋪設濾紙，以避免膨潤土流失所導致的損壞透水石的問題。

在試樣飽和處理過程中，檢驗人員在垂直滲透儀應用于檢驗工作以后，可以借助滴水飽和與抽氣飽和相結合的飽和方式完成試樣的飽和。試樣上施加的垂直壓力需要根據工程的實際情況進行確定。若上覆有效壓力值難以在實際工程中得到確定，檢驗人員可以將應力值為5kPa情況下的有效約束應力視為上覆有效壓力，試樣的水化時間需要控制在100h左右，在水化工作完成以后，試驗人員可以按照常規土工滲透試驗方法，開展常水頭滲透試驗或變水頭滲透試驗。

3 土工合成材料黏土墊在工程施工領域的注意事項

3.1 土工合成材料黏土墊的耐靜水壓力

土工合成材料黏土墊具有抗干濕循環能力強、抗凍融循環能力強的特點。其在工程防滲方面有著較為廣泛的應用前景。在土工合成材料黏土墊檢驗工作開展過程中，針對水壓力過大的問題給黏土墊帶來的破壞效應，檢驗人員需要對黏土墊的耐凈水壓力進行檢測，以便讓耐靜水壓力值滿足工程項目運行水頭的實際要求。根據工程項目的實際情況，相關人員可以降黏土墊耐靜水壓力值調整為最大滲透水頭的1.1倍以上[3]。

3.2 上覆保護層

在渠道防滲工程施工中，上覆保護層主要由現澆混凝土砌板和預制混凝土砌塊兩種材料組成，在上述材料使用過程中，相關人員需要對混凝土襯砌板的穩定性進行強化。

3.3 水位因素

根據渠道防滲工程的實際情況，土工合成材料黏土墊只有在完全水化的情況下才能發揮自身作用。若在黏土墊未完全水化的情況下開展蓄水作業，會給工程項目帶來嚴重的滲漏問題，故而施工人員在蓄水工作開展過程中，需要采用分期抬高水位的方式

4 結語

工程合成材料黏土墊在實際工程方面發揮著較為重要的作用。此類材料的滲透性與膨潤土水化時間及膨潤土的密實度之間有著較為密切的聯系。水化時間、上覆壓力和滲透水頭等因素是檢驗人員在檢驗工作中所不可忽視的內容。在此類材料應用于實際工程以后，蓄水速度和混凝土襯砌板穩定性等問題也需要得到施工單位的關注。