PFF复合反滤层及其在支挡工程中的应用研究

张占荣

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

PFF复合反滤层及其在支挡工程中的应用研究

张占荣

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

为避免地下水对支挡结构的不利影响，需设置反滤层排除支挡工程背后岩土体的渗水。目前支挡工程多采用混凝土浇筑施工，受墙后空间狭小影响，常规的砂砾石反滤层不易压实，影响支挡工程受力和使用功能。文章结合反滤层的隔离挡土、过滤、排水等基本作用原理，研制开发了一种由隔水层、排水层、透水层相结合形成的具有墙背模板功能的PFF整体式复合反滤层，以适应混凝土支挡结构浇筑施工工法。试验工点排水试验表明，该新型反滤层排出水数量和效率均优于传统的砂砾石反滤层，可在支挡工程中推广应用。

支挡工程；PFF复合反滤层；模板；整体式；排水性能

在铁路、公路、市政、水利工程修建过程中，为了避免大量挖方、降低边坡高度以及加强边坡稳定性，采用了大量的支挡结构[1]。为减少墙后水压力、消除黏性土膨胀压力及季节性冻胀压力等对支挡结构的不利影响，需设置反滤层排除支挡工程背后渗水或积水。通常支挡工程背后反滤层主要采用砂砾石、砂夹卵砾石等散体材料，部分采用级配碎石、无砂混凝土块或土工材料代替[2～3]。

随着工程建设的发展，支挡工程材料多由浆砌片石改为混凝土，相应的原来人工砌筑施工改为混凝土浇注施工，反滤层采用砂砾石或无砂混凝土预制块时，带来施工不便和质量隐患[4]：(1)采用混凝土整体浇注后，反滤层无法按逐层砌筑、逐层压实施工，若待墙身浇注完成后施工墙后反滤层，由于墙后空间狭小，人工无法进入施作，反滤层填筑质量和压实程度无法保证，导致墙后存在空洞或变形量过大，影响支挡工程受力和功能。(2)墙身浇注完成后，墙背模板拆模困难，甚至模板残留于墙后，造成施工成本增加，模板锈蚀甚至造成混凝土腐蚀，影响支挡工程的排水功能及长期稳定性。

近年来，支挡工程反滤层的材料、施工工艺等均得到了改进，如采用RCP土工材料、袋装砂砾石等，改善了反滤层的施工条件和施工质量[5～6]。本文在此基础上研究开发了具有模板功能的PFF整体式复合反滤层，在材料的渗透性、过滤性、抗腐蚀、结构强度等方面可满足技术要求，还解决了混凝土支挡结构在施工过程中存在的困难和问题[7]。

1 PFF复合反滤层结构设计

1.1 新型反滤层的功能要求

(1)良好的滤层功能

1)隔离(挡土)作用：一方面可把墙后不同粒径、不同性质的岩土与挡墙结构分隔开，避免土粒流失；另一方面具备了挡墙施工中水泥浆液与排水层分隔功能，以免水泥浆液渗入排水材料内，堵塞排水通道而影响排水功能。

2)过滤(渗透)作用：新型反滤层材料采用“无纺土工布包裹丝状排水层”结构，外包无纺土工布起到过滤作用，墙后岩土体颗料不会随渗流带入排水层中。

3)排水(通水)作用：新型渗排水材料是以热可塑性合成树脂为主要原料，经过改性，在热熔状态下，通过喷咀挤压出细的塑料丝条，再通过成型装置将挤出的塑料丝在结点上熔接，形成的三维立体网状结构，因此内部孔隙率大(≥80%)，由憎水性材料制成，水流阻力小,不会粘附泥砂、生物体等，截面通水能力强。

(2)具有兼顾模板的功能

新型反滤层通过靠支挡工程侧隔断层的“防渗板”起到模板作用，可节省单面模板费用，减少施工工序，加快施工进度。

(3)抗压强度高，耐压性能好

新型渗排水反滤层通过选择不同聚合物材料并添加相关辅助剂、增设高强度泄水孔等结构设计，使产品具有足够的抗压强度或刚度、抗蠕变特性、耐压性能等。

1.2 反滤层结构厚度的确定

传统的砂砾石散状集料反滤层，为保证施工后的反滤层的均匀性及施工的便利性，一般规定人工施工时厚度≥20 cm、机械施工时厚度≥30 cm。

对于兼模板功能的整体式复合反滤层，由于构成该复合反滤层的隔水层和反滤层厚度很小，它的厚度主要受控于排水层材料的厚度。由于排水层采用的是一种具有大孔隙率和一定强度的立体网状材料，孔隙率大、排水性能良好、并具有较好的强度，因此排水层的厚度可以任意设置，一般该复合反滤层的总厚度为5～100 mm，以10～30 mm为优。

1.3 反滤层的组成材料选择

PFF复合反滤层由隔水层、排水层、透水层组成(图1)，自墙背起的设置顺序依次为隔水层、透水层、排水层、透水层。其各自作用和性能如下：

图1 PFF复合反滤层结构示意图Fig.1 Composition structure of PFF composite filter layer

(1)隔水层的作用是防止挡墙施工时混凝土或水泥砂浆的浆液进入透水层和排水层中。隔水层宜选用柔性的薄膜状隔水材料，应具有一定的韧性和抗撕裂强度，以保证在挡墙施工过程中不会因为振捣混凝土或者砌筑片石而被撕裂或刺破，综合考虑生产、施工等技术及经济因素，优选PE膜、PP膜和PVC膜等聚烯烃类树脂薄膜。

(2)排水层的作用是具有足够过水截面和排水能力，顺畅地排除墙后岩土体中渗出的水或渗入的地表水，防止墙后积水或淤水，消除水压力对挡墙的不利影响，同时避免积水对墙后及墙基土体的软化。

由于热可塑性合成树脂材料，水流阻力小，不会粘附泥砂、生物体等，截面通水能力强。因此本产品的排水层采用热可塑性合成树脂为主要原料纺丝，在丝条未凝固条件下使丝条旋转、并令丝条多点相互粘结形成三维立体网状结构。排水层是一种具有大孔隙率和一定强度的立体网状材料，其孔隙率较大，孔隙率一般大于70%，厚度一般为0.5～10 cm，优选1～3 cm，强度为30～300 kPa，优选100～200 kPa。排水层可以为绞丝状、颗粒状、蜂窝状或其它类型的具有大孔隙结构的立体网状材料。

(3)透水层的作用是渗水、反滤作用，防止墙后岩土细颗粒渗入排水层形成淤积堵塞而影响反滤层的长期使用功能；同时也避免墙后岩土细颗粒的大量流失，掏空边坡岩土体而恶化边坡的稳定性或导致边坡失稳。透水层可以采用天然纤维或化学纤维无纺织布或纺织编织布。本产品优选采用短纤针刺非织造土工布。短纤针刺非织造土工布兼有垂直和水平结构，而且它们之间是相通的，土工布孔隙呈迂回树枝状的立体不定型纤维网状结构，有应变性和运动性，水分进入后即可相互串通，网孔不易堵塞，即使大部分孔隙被堵塞，仍可保持相当的透水性，其过滤效率高，排水性能好。

(4)隔水层、透水层和排水层之间采用热熔粘接方式或胶粘接方式或缝合方式形成整体结构。隔水层与透水层之间的粘接可先热熔粘接形成一布一膜复合土工布或者二布一膜复合土工布，然后再分别将透水层与排水层粘接。透水层与排水层的粘接也可以在排水层成型加工过程中熔体未冷却时直接与透水层粘接。

新型反滤层是一种矩形板状材料，幅宽为0.2～6 m，优选0.5～2 m，长度可根据使用和运输要求而定，但优选整卷包装。在施工时，可以通过热焊接方式、胶粘接方式或柔性丝线缝合等方式将该新型的反滤层连接形成整体，固定于墙后路堑边坡或已浇筑完成的支挡工程背后。为方便现场的连接条件，生产时相比于排水层的尺寸，隔水层、透水层的长度和宽度在四周均加长或加宽10～20 cm。也可采用搭接形式依次摆放。同时新型反滤层应具有一定的弯曲韧性，可以适应实际工程中边坡坡面起伏变化的特性，紧密贴合坡面形成密闭结构。

2 PFF复合反滤层技术指标

2.1 PFF复合反滤层技术指标

PFF复合反滤层的结构组成及其材料构成确定如下：(1)透水层采用150 g/m2幅宽700 mm短纤热轧非织造针刺土工布；(2)排水层采用厚度10 mm、15 mm、20 mm、30 mm，幅宽600 mm，丝径0.7～1.7 mm的片状渗排水材料；(3)隔水层采用与保护层一体模式，使用400 g/m2幅宽700 mm淋膜工艺生产的一布一膜(布150 g/m2，膜0.25 mm)。根据PFF复合反滤层中“排水层”片材所采用丝径、厚度的不同加以区分，并以“PFF-DH”命名。其中：“D”表示排水层所采用的丝径，丝径为0.7～0.9 mm时以“7”表示；丝径为1.5～1.7 mm时以“8”表示。“H”表示“排水层”片材厚度，厚度为10 mm时以“10”表示；厚度为15 mm时以“15”表示。

PFF复合反滤层主要技术参数指标见表1。工程应用时根据支挡工程背后不同岩土性质、水文条件，不同坡率，不同地域气候环境、不同施工需要等，选取反滤层的型号或规格。

表1 PFF复合反滤层技术指标Table 1 Technical parameter of PFF composite filter layer

2.2 PFF复合反滤层技术特点

(1)新型反滤层在保持传统渗排水反滤层功能的同时，改善了材料的渗透性和过滤性能，提高了反滤层结构整体性、抗压强度及其耐久性，结构简单、易于施工，确保施工质量。

(2)本新型反滤层结构，在技术指标上满足相关功能要求，适应混凝土挡墙整体浇筑施工工法，避免施工质量缺陷和安全隐患，同时解决了施工中存在的实际困难，加快施工进度和效率。

(3)新型墙背渗排水反滤层结构，兼有模板功能，可替代墙后一面模板，避免了整体浇筑混凝土挡墙墙后拆模或卸模施工困难，节省了单面模板费用，提高了工效。

3 工程实例分析

3.1 工程概况

试验工点位于石长铁路新望城站附近，里程DK244+365～+405，长度为40 m。工点附近地貌相对低洼，为地表水的汇集区。路堑表层地层为残坡积的粉质黏土，棕红色夹灰白色，硬塑，厚4～5 m；下伏基岩为泥质板岩，黄褐色，全-强风化，全风化层厚约5～7 m。地下水不发育。

试验工点为挖方路堑，路堑高为6～8 m，坡脚设混凝土挡墙加固，墙高3～8 m，墙身位于粉质黏土和全风化层。其中：DK244+365～+380段挡墙墙后反滤层采用砂砾石反滤层；DK244+380～+405段墙后反滤层采用PFF复合反滤层(图2)，结合挡墙高度、墙后土体富水程度等条件，分别采用厚度不同的复合反滤层；具体设置地段见表2。

表2 反滤层分段设置形式一览表Table 2 Setting form of filter layer in test section

图2 PFF复合反滤层设置示意图Fig.2 Set position of PFF composite filter layer m—挡墙背后边坡坡率； n—挡墙墙胸坡率； n1—挡墙墙背坡率； X—挡墙基底坡率

3.2 实施效果

为检验新型反滤层使用效果，设计了排水性能试验，在每段挡墙墙顶附近设置2～3根供水管，试验时采用充足的水源向供水管供水，收集量测各段泄水孔的疏排水量，结合与传统砂砾石反滤层排水效果的对比分析，评价新型“PFF复合反滤层”的渗排水性能。

(1)各试验分段供水量、排出量(表3)的对比分析表明反滤层周围岩土体及反滤层自身存在吸水现象，三种型号的PFF复合反滤层排出量大致相同，排出量约占供水量74%～79%；而砂砾石反滤层段排出量仅占供水量57%，明显低于PFF复合反滤层。

表3 各试验段排出量、吸水量对比Table 3 Water drainage and absorption comparison among each test section

(2)开始排水时间，指开始供水至泄水孔开始出水的时间间隔；排水持续时间，指泄水孔开始出水至出水量明显减少的时间长度；排水结束时间，指开始供水至泄水孔完全停止排水的时间间隔。试验结果(表4)表明：

1)PFF复合反滤层的开始排水时间明显短于砂砾石反滤层，这是由于砂砾石垫层的渗透性能相对较低以及材料自身吸水程度较多所致。

2)不同反滤层的排水持续时间基本相近，而砂砾石反滤层的排水结束时间明显大于新型反滤层，说明砂砾石反滤层疏排水存在明显滞后性，一旦墙后土体渗水不断时，更易形成积水或滞水现象。

表4 试验段排水情况对比Table 4 Drainage effect comparison among each test section

(3)在试验过程中，PFF复合反滤层底排的各个泄水孔，排水较为均匀，排水量差别不大；而砂砾石反滤层试验段底排5个泄水孔中，仅有1个泄水孔排水，其余泄水孔均未见排水；可见砂砾石反滤层由于均匀性较差，易形成集中管道流，造成反滤层自身及墙后土体细颗粒流失。

(4)测试试验完成后，观察墙顶反滤层顶面变形情况发现：铺设PFF复合反滤层位置未见下沉或开裂迹象。铺设砂砾石反滤层地段顶部明显存在下沉凹陷、开裂现象。这主要由于砂砾石反滤层回填压实不足，注水后压密下沉所致。

4 结论

(1)针对传统砂砾石反滤层在混凝土支挡结构中应用时施工质量控制困难的条件下，本文结合反滤层的隔离挡土、过滤、排水等作用原理，研制开发了一种由隔水层、排水层、透水层结合形成的具有墙背模板功能的PFF整体式复合反滤层，它在技术指标上满足功能要求，并兼有模板功能，可替代墙后一面模板，节省工程费用，提高施工工效。

(2)试验工点排水试验表明：PFF复合反滤层排水量占供水量的比例比砂砾石反滤层高17%～ 22%，PFF复合反滤层的开始排水时间、结束排水时间比砂砾石反滤层快5～10 min。相比于传统砂砾石反滤层，该新型反滤层相接的泄水孔每孔均可顺畅排水，且墙顶岩土无下陷现象，新型反滤层施工质量更容易保证。综上所述，该新型反滤层可以更快、更彻底、更有效地排走支挡结构背后的地下水，可在支挡工程中推广应用。

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[7] 中铁第四勘察设计院集团有限公司. PFF整体式复合反滤层: 中国, ZL201310286742.0[P]. 2015-07-01. [China Railway Siyuan Survey and Design Group Co，Ltd. PFF monolithic composite filter layer: China, ZL201310286742.0[P]. 2015-07-01.(in Chinese)]

责任编辑：汪美华

Study on PFF composite filter layer and its applicationin retaining engineering

ZHANG Zhanrong

(ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.，Ltd.，Wuhan，Hubei430063，China)

In order to avoid the adverse effects of water on retaining structure, filter layer is needed to set under the retaining structure. The construction materials of retaining structure was changed from mortar rubble to concrete, then the construction method was also changed from masonry to cast-in-place concrete. Due to the narrow space, it is difficult to guarantee the quality and the compaction degree of the conventional sand gravel filter layer, thus the reliability of the retaining structure was affected. Base on the basic principle of the filter layer, such as isolation, filtration and drainage, a new type of geosynthetics filter layer is developed. The new filter layer, which possesses formwork feature, is formed by the combination of water-resisting layer, drainage layer and permeable layer. The efficiency of concrete retaining wall construction is significantly improved after using this new material. Site drainage test shows that discharge water quantity and efficiency of the new filter layer are better than the traditional sand gravel filter layer, which can be used in retaining engineering.

retaining engineering; PFF composite filter; template; integral combination; drainage performance

2016-10-12;

2017-03-10

铁四院科技研究开发计划(2012K43)

张占荣(1982-)，男，博士，高级工程师，主要从事铁路工程路基设计及研究工作。E-mail：zzrwh@126.com

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.03.15

U213.1+52

A

1000-3665(2017)03-0100-05