真空预压载荷下塑料排水板滤膜淤堵试验研究

陈庚，洪秀敏，王波*，徐建铭，胡永富，彭中浩（援河海大学岩土工程科学研究所，岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏　南京　0098；.浙江省公路管理局，浙江　杭州　0009；.浙江省交通规划设计研究院，浙江　杭州　0009）

真空预压载荷下塑料排水板滤膜淤堵试验研究

陈庚1，洪秀敏2，王波1*，徐建铭2，胡永富3，彭中浩1
（1援河海大学岩土工程科学研究所，岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京210098；2.浙江省公路管理局，浙江杭州310009；3.浙江省交通规划设计研究院，浙江杭州310009）

摘要：针对塑料排水板在真空预压过程中排水性能衰减的现象开展分析。通过室内模拟试验（T形管试验）发现，黏粒的迁移会在滤膜周围形成黏粒聚集区，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预压作用下的淤堵机理，即土颗粒及土中间隙水在真空吸力作用下向滤膜方向迁移。通过模型槽试验同样发现，真空预压过程中黏土细颗粒会向着排水板方向迁移，造成排水板滤膜与板芯的淤堵，同时还使得滤膜及周围土的渗透系数降低。相比塑料排水板芯板的淤堵，滤膜的淤堵及其附近土体渗透系数的降低，对塑料排水板的排水性能影响更大。

关键词：塑料排水板；真空预压；渗透系数；黏土颗粒；淤堵

0　引言

塑料排水板在软土地基处理工程中应用广泛，但其在排水固结后常会发生淤堵致使排水效能降低，进而使得地基处理的实际效果与预期有较大差距。

真空预压过程中，地基中黏土细颗粒随孔隙水迁移至滤膜或排水沟槽，堵塞滤膜和沟槽，降低通水能力。目前国内外学者针对这一现象已有相关研究，McGown和Bell、Hicks分别在1978年和1980年对土工织物滤膜的基本原理作了介绍，孔隙水的流动会使土体中的细小颗粒在迁移过程中积聚在滤膜孔口上，堵塞进水通道，这种现象叫封堵。封堵会造成滤膜的渗透系数降低[1]。另一方面如果土颗粒在通过土工织物的过程中发生堆积，逐渐降低滤膜的有效过水断面，降低滤膜的通水效率，这种现象叫填塞。封堵和填塞都会使滤膜的渗透系数严重降低，有时甚至低于周土，统称为淤堵。用塑料排水板处理软基时，由于淤堵现象的存在，滤膜的渗透系数迅速衰减，降低排水效率，阻碍正常的施工进展。W.Haegeman[2]对短期淤泥膜外淤堵与滤膜规格关系进行试验，得出膜外淤泥渗透系数变化与滤膜规格的关系，但未就淤泥自身颗粒级配变化进行分析；王亚坤[3]在对真空预压加载方式研究过程中发现，采用不同的加载方式对滤膜外淤积颗粒数量产生影响；Cho-Sen Wu[4]对在用不同反滤层支挡材料下的无纺布滤膜进行淤堵试验分析，认为反滤层支挡物形式对无纺布淤堵具有重要影响；付长生[5]针对土工织物淤堵试验过程中形成的渗透系数k与时间t的“驼峰”形关系曲线，分别探讨了“驼峰”现象产生的原因、主次影响因素及其敏感性；俞炯奇[6]通过现场开挖采取在地下工作 2 a后的塑料排水板试样进行室内检测，结果表明工作2 a后排水板复合体干态抗拉强度及滤膜干态抗拉强度明显降低，通水量减小；Ing.N.G.Cortlever[7]、闫澍旺[8]等对排水板在淤泥变形过程中的弯折形态变化进行了试验研究，结果发现排水板产生了弯曲和折断现象，影响排水板的通水量。可见，影响塑料排水板加速土体固结的因素众多。

本文针对塑料排水板使用过程中的排水性能衰减展开分析，通过T形管试验研究采用塑料排水板处理软基时颗粒迁移规律，并通过室内模型试验探究塑料排水板在排水固结过程中应用参数衰减规律及其主要影响因素，供工程参考。

1　试验用土的基本物理性质

室内试验采用的土样取自浙江省温州某工地，初始含水率为95%，为表层的淤泥。根据地质资料，表1为试验用土的基本物理力学性质。

表1　土样的基本物理力学性质Table 1　Physical and mechanical parameters of soil samples

为方便仪器装样，室内配置超软土，将原状土晾晒风干后，用碎土机进行破碎，过0.5 mm筛后，按初始含水率为110%配置，称取对应的土、水，采用电动搅拌器制成泥浆，静置3 d待其沉降稳定后除去表层水，测其含水率为90.5%。

2　T形管模型试验

为研究在真空压力作用下，土中距滤膜不同距离黏粒发生迁移的情况，确定黏粒聚集比较密集的区域范围及聚集程度与时间的关系，室内采用T形管进行相关试验。图1为试验仪器细部图。

图1　T形管试验模拟排水板示意图Fig.1　T-tube test simulates the drainage board schematics

在T形管的主管两端放置塑排板的板芯和滤膜，尺寸直径均为85 mm，略大于T形管的主管直径（80 mm）。

主管两端连接真空泵施加真空荷载，管中充满超软土，竖管中超软土通过密封膜进行密封处理。试验时，将滤膜分别贴于左右两端橡皮塞下，两端通过调压阀门控制真空压力在80 kPa，在预压36 h后，分别在滤膜近端、10 cm、20 cm、30 cm处取样，测量土体的颗粒级配。图2为滤膜端处理36 h后的土体颗分曲线。

图2　距滤膜不同距离颗分曲线变化Fig.2　Grain size curve with different distances to film

由图2可看出，在10 cm范围内颗粒级配变化较小，细小颗粒含量相当，在20 cm以外范围，黏粒含量迅速下降至25%以下。说明在距排水板10～20 cm左右的范围内，是黏粒的主要聚集区。

笔者认为真空预压排水过程中，土颗粒及土中间隙水在真空吸力作用下向滤膜方向迁移，并在滤膜反滤作用下形成一个级配稳定的低渗透区，进而降低塑料排水板的排水效率。

3　模型槽试验研究

为了确定旧塑料排水板（现场开挖打设18个月的塑料排水板，下文简称旧板）的排水性能较新塑料排水板（下文简称新板）存在的差异，研究排水板板芯堵塞、滤膜淤堵及滤膜周边黏粒迁移对塑料排水板排水性能的影响，本文开展室内模型槽试验进行相关研究。旧板均从施工现场采集，用保鲜膜包裹以保证湿度，塑排板滤膜表面带泥，尽量保持滤膜工作的原始状态。

试验时，将新旧塑排板的板芯与滤膜分离开来，进行不同的组合，以研究滤膜及板芯的淤堵对排水性能的影响程度。

3.1模型槽仪器介绍

模型槽装置如图3所示，主要包括模型箱主体、排水系统、调压装置以及量测系统。模型箱长1 200 mm，中间被隔板一分为二，宽800 mm，高800 mm。模型槽仪表布置见图4，装置实物见图5。

图3　模型槽试验装置示意图（单位：mm）Fig.3　Schematic of model tank tests（mm）

3.2模型槽基本实验

将试验土样均匀装入模型槽的两室中，静置3～5 d后进行插板。插板时，将排水板滤膜的一端封住，然后将铁尺套在滤膜内，分别插在两室中央位置，随后拔出铁尺。排水板打设完成后，应立即测量排水板附近土体的渗透系数。试验土样表面覆盖土工布和砂垫层，通过排水管连接到集水瓶和真空泵，维持真空压力在80 kPa，预压30 d。为了研究排水板滤膜和板芯淤堵对排水板排水性能的影响程度，将新旧排水板的滤膜和板芯进行不同组合，见表2。

图4　模型槽仪表布置图Fig.4　Layout of model tank instrument

图5 模型槽实物图Fig.5　Physical model tank

表2　试验不同组合方案Table 2　Experiment with different combinations of program

为了研究塑料排水板的滤膜及周围土体渗透系数随时间变化规律，针对模式一，模型槽左右两室分别插入完全一致的新塑料排水板进行直排式真空预压，真空度保持一致，试验期1个月，测量预压前后塑料排水板滤膜及周土的渗透系数。

1）含水率

表3是距排水板不同距离的含水率，模式一的处理效果明显优于模式二，距离模式一不同位置的土体含水率均低于模式二；两种情况含水率的差值随着与排水板距离的增大而变大，模式二对于处理离塑排板较远土体的效果更差，含水率仅降低34.82%。

表3　距排水板不同距离含水率比较Table 3　Moisture compare with different distances to drain

2）土体表层沉降量

图6为表层土沉降量随时间的变化曲线，可以看出，模式一有明显的不均匀沉降，最终沉降量最大的E1为中间观测点，最小的B1为距排水板最近的观测点，其在初始阶段沉降速率最快，最终沉降量却最少，模式二也有类似结论。

笔者认为造成这一现象的原因在于，黏性颗粒在土体中发生迁移，最终在塑排板附近聚集，导致本区域的沉降量降低。模式一的整体处理效果明显优于模式二，即打设18个月的旧板由于长期的地下工作，其排水效果确实受到了很大程度的折减。

比较图6四种模式，模式一与模式四沉降速率和最终沉降量接近，说明板芯的淤堵对排水板排水性能的影响并不明显；四种情况下的最终沉降量为模式一>模式四>模式三>模式二，表明滤膜的淤堵对排水板排水性能的影响大于板芯。

图6　沉降-时间曲线图Fig.6　Curve of settlement versus time

3）排水量对比

图7中模式四的排水速率及最终排水量明显高于模式三，表明滤膜的淤堵的确会对排水板的排水性能造成较大影响。结合图6与图7可知，板芯的淤堵同样也会对排水板排水效能造成影响，但影响程度相对较低。

4）渗透系数对比

图7　四种情况的排水量对比Fig.7　Displacement contrast of four cases

将渗透系数因黏粒迁移而明显降低的板周土区域定义为黏粒迁移密切影响区，表4为滤膜、排水板5 cm处和20 cm处土体在真空预压前后渗透系数的变化对比，可以发现初始渗透系数为预压后的5～10倍，即预压后渗透系数明显减小。

表4　滤膜及周土渗透系数对比Table 4　The comparison of permeability coefficient between membrane and surrounding soil

笔者认为塑排板滤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，由于排水板滤膜的淤堵，会使土体中的黏粒在排水板周围一定范围内聚集，使此区域的渗透系数迅速下降至很低，即为密切影响区。密切影响区的存在，会大大阻碍土体中水流的正常渗流速度，造成塑排板排水性能的降低。

4　结语

1）通过室内模拟试验（T形管试验）发现，黏粒的迁移会在滤膜周围形成黏粒聚集区，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预压作用下的淤堵机理，即土颗粒及土中间隙水在真空吸力作用下向滤膜方向迁移，并在滤膜反滤作用下形成一个级配稳定的低渗透区，可称密切影响区，且黏粒的迁移造成密切影响区渗透系数的迅速降低。

2）通过模型槽试验发现，真空预压过程中黏土细颗粒会向着排水板方向迁移，造成排水板滤膜与板芯的淤堵，降低滤膜及周围土的渗透系数，其中滤膜淤堵对排水板排水效率影响大于板芯。

3）根据模型槽预压前后滤膜及周土渗透系数变化的对比，发现相比于塑排板滤膜及板芯的淤堵，密切影响区的存在，会大大阻碍土体中水流的正常渗流速度，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

中图分类号：U655.544.4；TU447

文献标志码：A

文章编号：2095-7874（2016）01-0023-05

doi：10.7640/zggwjs201601006

收稿日期：2015-08-16修回日期：2015-12-10

基金项目：浙江省交通运输厅科技计划项目（No.2014H01）

作者简介：陈庚（1987—），男，山东淄博市人，博士，从事软基处理方面研究。

*通讯作者：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