無紡土工織物滲透淤堵試驗研究

魏 松, 龔 明

(合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

無紡土工織物因其具有良好的反濾、排水、隔離、防滲、防護、加固等功能,被廣泛應用于河道治理、堤防圍堰防滲、地基加固等工程中[1-4]。但在工程實踐中,也出現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]。

針對土工織物的淤堵問題,國內外許多學者[7-12]開展了土工織物的淤堵試驗研究,根據梯度比RG的變化規律,分析了水力梯度、土樣黏粒含量、土樣密實程度、織物等效孔徑等不同因素對無紡土工織物滲透淤堵特性的影響。但是,因為梯度比RG反映的是上層土體、下層土-織物的滲透性變化的關系,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,而無法進一步判斷是否是土工織物產生了淤堵,也無法了解淤堵是發生在土工織物內部還是表面。

1 淤堵試驗

1.1 試驗裝置

本文依據文獻[13]進行試驗,土工織物滲透淤堵試驗裝置如圖1所示。

1.測壓孔 2.透明圓筒 3.排氣口 4.進水口5.實驗土樣 6.土工織物 7.出水口

圖1中的裝置主體上、下部分均為內徑100 mm的透明有機玻璃圓管,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且具有一定強度的濾網作為支承。裝置主體側壁上,按規范要求設置了測壓孔(1～6號),其中2號與3號、4號與5號測壓孔對稱,測壓孔內設有反濾棒,防止土顆粒淤堵測壓管。測壓板上布置內徑6 mm的測壓管和最小刻度值1 mm的刻度尺,試驗中用軟管將測壓管與測壓孔連接在一起。

本次試驗采用常水頭法進行試驗,為此設計了常水頭的供水裝置和出水裝置。試驗中,將儀器進水口、出水口分別連接到常水頭裝置上,使土-土工織物系統總水頭保持穩定,并通過改變供水裝置的高度來調節試驗水力梯度。

1.2 試驗材料

1.2.1 試驗土樣

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行混合,調配出3種不同黏粒含量試驗土樣。為進一步了解試驗土樣的顆粒組成,將3種試驗土樣風干后,按照文獻[14]進行了土樣的顆粒分析試驗,得到了3種土樣的顆粒組成情況,具體數據見表1所列。

表1 試驗土樣顆粒組成及物理特性

1.2.2 土工織物

試驗選取的土工織物均為無紡土工織物,分別是:山東西貝新材料有限公司生產的白色滌綸土工布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,根據文獻[13]進行取樣、稱量及試驗。所選取的3種無紡土工織物的主要物理特性見表2所列。

表2 土工織物試樣的物理特性

1.3 試驗方案

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密實與2種松散狀態下的3種不同等效孔徑的無紡土工織物的滲透淤堵試驗;并對其進行分組和編號,具體方案見表3所列。

表3 試驗分組及編號

注:D表示土樣相對密實狀態,干密度為1.53 g/cm3;L表示土樣相對松散狀態,干密度為1.27 g/cm3。

1.4 試驗步驟

試驗前,先將浸泡飽和的土工織物與濾網放入儀器內,固定并密封好;用漏斗將土樣分4次均勻倒進儀器內,按照設計的干密度分層擊實到100 mm高度;試驗采用脫汽水,采用低水頭從裝置底部出水口緩慢注水,逐漸浸透土樣,當液面高出土樣2 cm左右,關閉出水口停止注水,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結果。

待試樣飽和后,從試樣頂部緩慢注水至水體充滿儀器內部。首先,調節總水力梯度i達到4,待各測壓管讀數穩定后,打開出水口開始試驗;每間隔1 h測讀1次測壓管水位及滲流量;當該級水力梯度下,滲流和測壓管讀數趨于穩定,再逐級調節總水力梯度i達到8、12,繼續試驗,直至全部測壓管讀數穩定。

試驗結束后,取出土工織物,仔細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量。

2 試驗結果

2.1 數據處理

表4 梯度比RG的試驗結果

表5 滲透系數試驗結果 10-4 cm/s

表6 單位體積含土量μ試驗結果 g/cm3

2.2 梯度比RG變化規律分析

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

圖2 梯度比RG的變化規律

對比圖2a、圖2b可知:① 在織物等效孔徑相同、土樣密實程度相同的前提下,土樣黏粒含量越大,試驗得到的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對應的RG值是土樣S2的1.4倍,是土樣S1的1.9倍；② 當土樣黏粒含量、密實程度相同時,織物等效孔徑越大,RG值越小,如土樣S1密實狀態下,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對應的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松散狀態下的RG值大于密實狀態下的RG值;而土樣S2、S3松散狀態下的梯度比土樣密實狀態下的大。

2.3 滲透系數變化規律分析

圖3 滲透系數的變化規律

2.4 單位體積含土量μ變化規律分析

為了解織物淤堵情況,進一步分析淤堵原因,對不同試驗組合條件下織物的單位體積含土量μ進行了對比分析,如圖4所示。

圖4 織物單位體積含土量μ的變化規律

由圖4可知:① 土樣相同密實狀態下，當黏粒含量增大時，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 相同密實狀態下,土樣為S1、S2時,等效孔徑越大,μ值越小;而土樣為S3時,即黏粒含量較大時,μ值隨等效孔徑的增大而增大;③ 對于相同等效孔徑的織物,土樣S1、S3相對密實條件下的μ值大于松散狀態下的;而土樣S2相對密實狀態下μ值小于松散狀態下的。

3 土工織物淤堵機理分析

結合土工織物背面土顆粒分布情況及變化規律的分析,對土工織物的淤堵機理進一步研究。不同土樣密實狀態下、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。

綜合實驗結果和織物背面土顆粒分布情況可知,土樣黏粒含量、密實程度以及織物等效孔徑均會對土工織物的滲透淤堵特性產生顯著影響。

圖5 土樣相同密實狀態下不同土工織物的背面照片

(4) 在土樣密實程度相同的條件下,織物等效孔徑較小時,土樣黏粒含量越多,單位時間內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,單位時間內通過織物的土顆粒減少,相應織物背面可見的土顆粒變少。

4 結 論

通過對不同密實狀態下,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結果的分析,可以得到以下結論:

(2) 當土樣黏粒含量較低且織物等效孔徑較大時,土顆粒通過土工織物的效率較高,土顆粒在織物內部附著、沉積的速率較低,此時“淤堵”發生在織物內部但淤堵形成的速度相對緩慢;而當土樣黏粒含量較大且織物等效孔徑較小時,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,細小土顆粒將逐漸沉積在織物表面形成弱透水層“濾餅”,此時“淤堵”發生在織物表面。

(3) 本文試驗僅研究了土樣黏粒含量、密實程度以及織物等效孔徑對織物淤堵的影響,未考慮水力梯度對試驗結果的影響。為完善無紡土工織物淤堵研究,可在此試驗基礎上,進一步研究水力梯度對織物滲透淤堵的影響。