道路工程評職論文反濾層滲透試驗研究

　　1 前 言

　　隨著公路工程建設的迅速發展，沿河修建的路基工程越來越多。因此，出現了大量的浸水路基的現象，存在大量路基反濾層失效導致路基產生破壞的現象。本文通過室內試驗詳細分析了路基反濾層土工織物的工程特性，從微觀理論著手進行分析，為工程設計和施工提供理論依據。

　　反濾層常設于土石等材料修筑的堤壩或滲水路基上，在滲流出口設置反濾層保護，是防止土體滲透破壞的最直接和最有效的措施。反濾層的設計原則是滿足反濾層的濾土和減壓功能要求，根據被保護土的顆粒級配曲線和滲透破壞的形式，選擇適宜的反濾料特征粒徑。土工織物由于具有優良的力學和水力學特性，目前已廣泛應用于水利、土木和環境等工程領域的反濾層設計中。土工織物用作反濾層時，水從被保護土中流過土工織物，水中攜帶的土顆粒堵塞織物表面孔口，使滲透流量減小，嚴重時出現淤堵，使濾層失去排水過濾功能，給工程造成嚴重危害。因此，研究反濾層設計的可靠性具有十分重要的工程意義。同時，如被保護土和反濾料粒徑的選擇，滲透破壞形式及其適用經驗公式的確定等因素常給反濾層設計帶來極大的困難。因此，影響土工織物的反濾過程的因素可以歸納為三個方面：(1)土工織物的特性，如土工織物的種類、結構和過濾孔徑等;(2)被保護土的性質，如被保護土和反濾料的粒徑;(3)反濾系統周邊的水文地質條件。

　　目前，國內關于路基工程中土工織物的研究主要有：劉春虹等[1]采用有限元方法對土工織物加固軟弱地基路堤的力學機理進行了研究，通過比較路基加筋和未加筋兩種情況研究了土工織物的加固機理結果表明土工織物對于提高路堤填筑高度減少路堤側向位移均化路堤沉降以及加速超孔隙水壓力消散有顯著的效果。劉金龍等[2]認為土工織物對軟土路基的加固有明顯的效果可使路堤的安全性提高20 %以上使側向位移減小15%-25%，土工織物對豎向沉降影響的大小則取決于路堤的寬度及土性參數。黃金林等[3]通過現場測試認為土工織物處理高速公路軟土路基能夠加快路基的固結、提高路基的抗剪強度、減少路基的豎向變形和不均勻沉降、提高路基的整體穩定性。方偉等[4]認為無紡土工布反濾層等的正確應用是保證路基工程成功的關鍵。可見，國內在路基工程中關于土工織物的研究主要集中在土工織物的對路基強度和變形的改善方面，在土工織物的透水和淤堵性能方面的研究較少。對土工織物反濾系統的淤堵判定方法，目前國內外普遍采用的是美國陸軍工程師團提出的梯度比準則。張愛軍等[5]通過對擬用作礦尾壩排水管的透水管進行反濾、淤堵性能試驗，確定該管側壁濾布的透水和反濾特性，并對該壩的排水性能進行判定。段祥寶等[6]采用現場提供的粗砂、瓜子片、基砂和1996年鋪設的土工布樣品進行了三組整體濾層試驗，由試驗知土工布下基砂向上淤堵的可能性不大，淤堵基本來自土工布上面渠底的泥沙沉積。可見，土工織物的濾堵特性將極大的影響濾層的排水過濾作用，處理不當會給工程造成嚴重危害。

　　本文采用一定顆粒濃度的懸浮液進行滲透試驗，試驗考慮不同的懸浮顆粒大小和濃度情況下，對土工織物和濾砂的滲透性變化特征進行對比分析，并且對懸浮顆粒在土工織物上的沉積特性進行深入研究。

　　2 試驗材料和方法

　　試驗所用的土工織物的基本參數是：非紡織的針刺土工織物(規格：500g/m2;厚度:0.37cm;抗拉強度：110N·cm-1(縱向)，125 N·cm-1(橫向);滲透性0.17cm·s-1;孔隙度，0.61)。

　　利用圖1所示的試驗裝置來研究土工織物和濾砂中細小顆粒的沉積特性。

　　試驗設備基本說明如下：該試驗圓柱直徑400mm，內徑90mm，砂土按一定的密度分層壓實填入試驗圓柱中。供水箱存儲PH值為中性的含有一定濃度的懸浮顆粒的渾濁液，定水頭裝置用來控制流入試驗圓柱的水流速度。壓力傳感器用來量測圓柱進水口和出水口的水壓力，可以表征圓柱的水頭變化，從而反映滲透系數的變化特征。

　　3 試驗結果

　　3.1 利用壓汞法測定孔隙結構

　　利用壓汞儀上進行土工織物和濾砂的孔隙結構參數的測定。壓汞儀是通過加壓使汞進入測試樣品中，進入樣品孔中的孔體積增量所需的能量等于外力所做的功，從而得到壓力與注入汞體積之間的關系曲線。通過分析該曲線.可以得到一系列表征樣品孔隙特性的參數。壓汞儀的加壓范圍為約為0～400MPa，孔徑測定范圍：30A～150μm(孔半徑)。

　　孔隙分布曲線圖是以孔隙直徑為橫坐標，單位孔隙體積中孔隙數量的多少為縱坐標，單位孔隙體積中孔隙數量的多少由單位質量的土工織物或濾砂中進入的汞的孔隙體積增量轉換而來。孔隙長度假設為孔隙織物的厚度。

　　試驗選取土工織物和濾砂進行對比試驗，分析其孔隙分布特性。從上圖可以看出，土工織物的孔隙直徑主要分布在10μm-600μm這個區間，這個區間中單位體積的孔隙數量都在4000左右。濾砂的孔隙直徑大致分布在70μm-1000μm之間，但孔隙數量遠小于土工織物，單位體積的孔隙數量大約為350。由此可以看出，土工織物的孔隙分布不僅很大，而且其孔隙數目遠大于濾砂的孔隙數目，其滲透性優于濾砂。

　　3.2不同的顆粒濃度下土工織物和濾砂的滲透性試驗

　　1孔隙體積是指流過土柱的水量和含水介質體積之比。一般不以時間t為橫軸，因為不同試驗含水介質的孔隙體積及流速不同，試驗結果可比性差[7]。土工布過濾試驗中，在顆粒濃度為0.6g/L和0.9g/L，滲透裝置兩端的孔隙壓力變化很小，小顆粒穿過土工織物而不沉積下來。同樣的細小顆粒在同樣的濃度和滲透速度下，細小顆粒在濾砂中發生嚴重的堵塞現象，這是因為土工織物和濾砂的顆粒級配不同造成的。土工織物中大的孔隙較濾砂中的數量多，而且土工織物的孔隙率大于濾砂的孔隙率以及土工織物中的孔隙彎曲程度較小，因此細小顆粒在相對較大的土工織物的孔隙中沉積的可能性很小。在不同顆粒濃度的滲透試驗中，土工織物和濾砂的滲透性變化很小，可以認為顆粒濃度對過濾材料的滲透性影響很小，在本試驗中可以忽略不計。

　　3.3 不同的顆粒大小下土工織物的滲透特性試驗

　　在土工織物的滲透試驗中，選取了顆粒大小為10μm，20μm，40μm三種不同大小的顆粒進行試驗。從結果可以看出，隨著孔隙體積的增大，土工織物的滲透特性先下降，然后趨向于一個穩定的數值。在顆粒直徑為10μm和20μm的試驗中，土工織物的滲透性很相近。顆粒直徑為40μm的滲透試樣中，土工織物的滲透性較前兩種顆粒大小變化大，這表明直徑為40μ的顆粒在土工織物中發生明顯的沉積，對土工織物的滲透特性影響很大。

　　4 結論

　　⑴顆粒濃度對土工織物的滲透性的影響很小，可以忽略不計。

　　⑵顆粒大小是影響土工織物滲透性的很重要的影響因素，本試驗中最大的顆粒直徑應小于40μm，大于40μm的顆粒通過土工織物時會發生嚴重的沉積現象，從而影響滲透性。

　　⑶和濾砂相比，土工織物有很好的透水特性，土工織物中大的孔隙較濾砂中的數量多，而且土工織物的孔隙率大于濾砂的孔隙率以及土工織物中的孔隙彎曲程度較小，因此細小顆粒在相對較大的土工織物的孔隙中沉積的可能性很小。

　　⑷路基反濾層土工織物的選取時，應根據當該路基填料的顆粒類型和顆粒級配選擇合適的土工織物。

　　參考文獻：

　　[1] 劉春虹，肖朝昀，王建華，等. 土工織物加固軟土路堤的有限元分析[J]. 巖土力學, 2004,25(supp2):325-328.

　　[2] 劉金龍，欒茂田，王吉利，等. 土工織物加固軟土路基的機理分析[J].巖土力學，2007，28(5): 325-328.

　　[3] 黃金林，蘇相利，唐貴和.土工織物在加固高速公路軟土地基中的試驗研究[J].鐵道建筑，2008，(9): 74-77.

　　[4] 方偉，邸者敏，王志勇.土工織物的曹妃甸海灘路基工程中的應用. [J].水運工程，2005，(3): 79-84.

　　[5] 張愛軍,董為民,駱亞生.礦尾壩排水管的反濾、濾堵試驗研究[J].防滲技術，2001，7(1): 1-3,17

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　　[7] 李海明，翟菁，顧曉明，等. 地下咸水儲能回灌含水層膠體釋放動力學與滲透性變異[J]. 巖土力學, 2010,31(supp2):170-174.