基于垂直渗透仪测定土工合成材料黏土垫方法的分析

2018-08-15李泽君

建材与装饰 2018年36期

李泽君

（1.安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院安徽蚌埠 230002 2.安徽省建筑工程质量监督检测站安徽合肥 230088）

前言

土工合成材料黏土垫是一种具有渗透系数低、抗不均匀沉降能力强和自我修复功能优良的新型防渗材料，钠质膨润土和钙质膨润土是土工合成材料黏土垫的主要原料。受包裹膨润土的土工合成材料的性质的影响，土工合成材料黏土垫可以分为以下几种类型：①由有纺土工织物或无纺土工织物包裹的土工合成材料黏土垫；②利用土工织物、土工膜或涂塑土工织物包裹而成的土工合成材料黏土垫。根据工程建设项目的实际情况，黏土垫中间包含的天然材料膨润土是前者的防渗性能的决定因素。土工膜是后者的防渗性能的重要影响因素。垂直渗透仪是在长水头符合层流条件下测定土工织物的垂直渗透系数与透水率的重要设备。这一设备主要有渗透压力室、法向力加荷装置和渗透水头测压管等多种设备组成。现阶段一些学者已经围绕土工合成黏土垫的防渗性能，开展了室内试验。

1 土工合成材料黏土垫的产品标准与试验方法

1.1 土工合成材料黏土垫的产品标准

土工合成材料黏土垫（以下称黏土垫）产生于20世纪80年代，此类产品在由美国学者研制成功以后，在北美地区得到了迅速发展，美国已经针对此类材料制定出14种不同标准，准备些标准如D5887、D5888、D5889标准等多种标准[1]。上述标准涉及到了土工合成材料黏土垫产品的产品取样、单位质量检测、黏土成分性能检测及产品渗透性测试等多项内容。通过对土工合成材料黏土垫技术的发展现状进行分析，我们可以发现，现阶段我国仅仅有少数企业根据美国提出的标准，制定了此类产品的企业标准。

1.2 土工合成材料黏土垫的试验方法

根据土工材料黏土垫检验技术的现状，柔壁渗透仪在土工材料黏土垫试样流率的标准试验方法中发挥着重要的作用。试验过程中使用的试样为直径为100mm的黏土垫试样，实验初期阶段，试验人员需要将黏土垫试样放入围压值为550kPa，反压条件为515kPa的环境下进行饱和处理和水化处理，并在黏土垫试样固结时间达到48h以后，提升式样底部的反压力（一些学者在这一环节让反压力值达到了530kPa），以便让试样形成一种自下而上的渗流效应，此时试验人员可以开始开展常水头渗压试验。在常水头渗压试验实施以后，试验人员需要在最后三次稳定渗流量流率结果在75～125%之间的情况下，计算流率的平均值，在试验进行过程中，最后3次测定过程的总间隔时间需要控制在8h以上。由于这种测量方式的操作难度相对较大，故而相关标准之中也附有近似测定黏土垫厚度的方法。

2 土工合成材料黏土垫的渗透性与相关试验方法

2.1 土工合成材料黏土垫渗透性的主要影响因素

黏土垫的防渗作用与膨润土水化以后的颗粒吸水膨胀效果之间有着较为密切的联系。在颗粒吸水膨胀效应下形成的均匀化的胶体系统可以让膨润土在有限的压力作用下达到一定的密实程度，进而降低黏土垫的透水性，黏土垫渗透性的影响因素与以下内容有关：①膨润土的水化程度；②膨润土水化以后的密实程度[2]。上述内容均与作用于黏土垫的压力之间有着一定的联系。图1所示的内容为不同上覆压力作用下的钠基膨润土水化时间图。

图1 钠基膨润土水化与膨胀形性状

根据图1所示内容，在上覆压力值不同的情况下，膨润土完全水化的时间也存在着一定的差异性，上覆压力与膨润土的膨胀稳定时间之间存在着负相关关系。

2.2 基于垂直渗透仪的土工合成材料黏土垫渗透性试验的试验方法

2.2.1 基于柔壁渗透仪的土工合成材料黏土垫测定方法的弊端

根据前文论述，基于柔壁渗透仪的土工合成材料黏土垫试样流率试验方法是一种较为常用的试验方法。根据黏土垫防渗检测工作的实际情况，这一检测方式的问题主要表现在以下方面：①在黏土垫应用于实际工程以后，其上覆有效压力值相对较低，如在保护层厚度为50cm的情况下，黏土垫上覆有效压力值仅为5kPa。这一上覆有效压力值与相关标准规定的35kPa有效压力值之间有着较为明显的差距。故而这一检测方法所检测的渗透系数并不能反映出黏土垫在实际工程项目中的实际渗透性；②在基于柔壁渗透仪的黏土垫检验方式应用于实际检验工作以后，相关人员需要对水化时间等数据进行调整，根据图1所反映的信息，在上覆有效压力为35kPa的情况下，膨润土的水化时间在2d左右，但是在上覆有效压力为5kPa的情况下，水化时间需要控制在100h左右，根据一些学者的研究结果，在上覆有效压力值低于14kPa的情况下，侧壁渗漏问题的出现，会给试验结果的准确性带来不利的影响；③这一检验方式的检验成本相对较高。

2.2.2 基于垂直渗透仪测定土工合成材料黏土垫方法的应用

为保证黏土垫检验结果的精确性，检验人员需要在坚持现有标准的基础上，将垂直渗透仪应用于黏土垫检验工作之中。为保证检验结果的精确性，试验人员需要将黏土垫试件的尺寸设计为20～30cm之间，以便在提升试样尺寸的基础上，降低试样边缘对检验结果的不利影响。

针对试样与垂直渗透仪侧壁密封的问题，试验人员可以通过在试样桶壁涂抹膨润土膏的方式解决这一问题，这一解决措施虽然会给黏土垫的渗透系数带来一定的影响，但是这一检测方式的检测精确度仍然可以有效满足工程的实际需求。

为保证检验工作的有效性，检验人员在将垂直渗透仪应用于黏土垫检验以后，需要在垂直渗透仪的顶盖中心安装活塞加压杆。活塞加压杆可以发挥出控制试样压力的作用。黏土垫的保护层和支撑层可以选用以透水石为主的设计方案，在透水石应用于检验工作以后，检验人员需要在透水石与试样接触面之间铺设滤纸，以避免膨润土流失所导致的损坏透水石的问题。

在试样饱和处理过程中，检验人员在垂直渗透仪应用于检验工作以后，可以借助滴水饱和与抽气饱和相结合的饱和方式完成试样的饱和。试样上施加的垂直压力需要根据工程的实际情况进行确定。若上覆有效压力值难以在实际工程中得到确定，检验人员可以将应力值为5kPa情况下的有效约束应力视为上覆有效压力，试样的水化时间需要控制在100h左右，在水化工作完成以后，试验人员可以按照常规土工渗透试验方法，开展常水头渗透试验或变水头渗透试验。

3 土工合成材料黏土垫在工程施工领域的注意事项

3.1 土工合成材料黏土垫的耐静水压力

土工合成材料黏土垫具有抗干湿循环能力强、抗冻融循环能力强的特点。其在工程防渗方面有着较为广泛的应用前景。在土工合成材料黏土垫检验工作开展过程中，针对水压力过大的问题给黏土垫带来的破坏效应，检验人员需要对黏土垫的耐净水压力进行检测，以便让耐静水压力值满足工程项目运行水头的实际要求。根据工程项目的实际情况，相关人员可以降黏土垫耐静水压力值调整为最大渗透水头的1.1倍以上[3]。