软基加固后塑料排水板性能研究

郑爱荣 ，尹自强 ，王世宁

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津 300222；3.天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222）

0 引言

塑料排水板的出现对软基加固尤其吹填土超软地基加固具有非常重要的意义，其工业化特点，以及排水效率高、成本低、打设方便高效且对软弱土层的扰动较小的特性，使其迅速取代砂井，并形成了塑料排水板联合真空预压软基加固法，可以在吹填完成后立即进行打板加固，极大地提高了地基加固的效率[1]。塑料排水板作为真空预压的负压传递通道和排水通道，其性能对软基加固效率和效果有直接影响[2]，加强对塑料排水板性能的研究具有重要的意义。

工后塑料排水板是指在真空预压加固过程中发挥了一定时间的负压传递和排水通道作用的塑料排水板。在此过程中塑料排水板会出现变形及淤堵等问题，性能发生变化[3-5]，研究表明，这些变化导致塑料排水板排水效率降低，势必会对加固效果产生影响。ALI F.H[6]通过试验认为塑料排水板的变形对通水性能有显著的影响，JEONG Y和LEE S[7]认为通水量随着弯折次数的增多线性减小，试验发现从没有弯折到3个弯折，通水量减小48%；CHAI J.C等[8-9]通过试验研究发现淤堵效应使塑料排水板的排水能力随时间延长显著减小；孙立强等[10]通过室内模型试验发现，测试结束后塑料排水板的裙曲和折断变形导致其失去了排水通道作用。为研究实际工程中工后塑料排水板的性能变化，以连云港徐圩港区某真空预压软基加固项目的工后塑料排水板为例进行了试验研究。

1 塑料排水板工作原理

塑料排水板联合真空预压软基加固法抽真空时，在地表砂垫层及竖向排水通道内逐步形成负压，使土体内部与排水通道、垫层之间形成压差。在此压差作用下，土体中的孔隙水不断由排水通道排出，土体在负超静水压力下排水固结。塑料排水板在此过程中的作用为传递真空压力、充当地下水的排出通道和阻挡地基土颗粒的流失。

塑料排水板打设到地基中时为垂直形态，地基加固过程中产生大幅竖向沉降，由于塑料排水板与周围土体之间存在侧摩阻力，塑料排水板与土体的变形相互协调，产生弯曲变形，同时在土压力作用下，最终塑料排水板呈如图1所示的变形形态。

图1 工后塑料排水板Fig.1 On-site used plastic drain board

微观角度，在真空吸力的作用下，地基中的水渗流进入塑料排水板滤膜沿着芯板凹槽排出，土颗粒聚集在滤膜周围。比滤膜孔径大的颗粒被阻挡在滤膜外，比滤膜孔径小的细颗粒则会因分子热运动、惯性作用、扩散作用、截留作用、凝聚作用及静电作用，一部分细颗粒粘附在滤膜表面，一部分嵌在滤膜空隙中，一部分进入滤膜，或者随水排出，或者淤积在芯板上，造成滤膜和芯板的淤堵，如图2。

图2 滤膜和芯板的淤堵Fig.2 Clogged filter fabric and core plate

2 取样

连云港徐圩港区软基主要为淤泥及淤泥质黏土，塑性指数高，细颗粒多，处理难度大。真空预压软基加固卸压后，从地基中取出窄型和传统型两种塑料排水板，取样过程非常困难，挖掘机挖出剖面再人工把样品刨出，取样深度为地表以下3.5 m。

工后塑料排水板有非常明显的褶皱弯曲，越靠近地表，褶皱越密集，折痕以垂直于或接近垂直于塑料排水板纵向为主，塑料排水板外侧粘附着黏土。

3 试验及结果分析

3.1 试验

对工后塑料排水板进行了复合体单位长度质量试验、拉伸试验、通水量试验、滤膜单位面积质量试验和渗透试验，并对芯板内的土颗粒进行了颗粒分析试验。为避免反复干湿影响塑料排水板的性能，工后塑料排水板保湿养护，避光保存，试验前清洗掉样品外侧的泥土。

3.2 样品

工后塑料排水板从地基中取出后，应力松弛，褶皱舒展，与在地基中的形态相比发生了明显变化，如图3，地基中接近180°的折叠变形已经基本松弛，但折痕仍然清晰。少许部位滤膜有小面积破损，可能是打设或工作过程中受损造成的，也可能是由于取样或制样过程中人为造成的。

图3 应力松弛后的工后塑料排水板Fig.3 Stress relaxed on-site used plastic drain board

3.3 工后塑料排水板整体性能

工后塑料排水板复合体的试验结果与其初始值对比如表1。

表1 塑料排水板试验结果Table 1 Test results of plastic drain board

3.3.1 物理性能

工后塑料排水板的宽度和厚度未发生明显变化，说明芯板变形较小，齿的倒伏和凹槽的折叠现象不明显。单位长度质量增加明显，试验结果离散性很大，这是由于工后塑料排水板的滤膜及芯板上淤堵了大量土颗粒，且分布不均匀。

用激光粒度分布仪对芯板上淤积的土颗粒进行了颗粒分析，试验结果如表2。芯板淤积的土颗粒粒径小于0.075 mm，主要为粉粒和黏粒，滤膜等效孔径O95小于0.075 mm，说明只有足够小于滤膜等效孔径的土颗粒才能穿过滤膜。

表2 芯板上土的颗粒组成Table 2 Grain composition of soil on the core plate

3.3.2 复合体拉伸性能

工后传统型塑料排水板的拉伸性能无明显变化，塑料排水板的拉伸性能主要由芯板决定，说明本工程中塑料排水板的芯板抗拉强度并未明显降低。

3.3.3 纵向通水量

纵向通水量试验过程中，工后塑料排水板芯板中淤积的土团随水流流出，排出的水体浑浊。工后塑料排水板初始通水量均明显小于新板，稳定通水量也小于新板，稳定时间增长，试验结果离散性较大，说明软基加固过程导致塑料排水板的通水性能明显降低。由于工后塑料排水板在通水量试验前出现了应力松弛，变形有很大程度恢复，其实际的通水量数值要比试验结果更小。

3.4 工后塑料排水板滤膜性能

3.4.1 物理性能

滤膜试验结果如表3，细颗粒在通过滤膜的过程中，部分颗粒滞留在滤膜孔隙中，如图4，导致厚度增加，单位面积质量增加明显。

表3 滤膜试验结果Table 3 Test results of filter fabric

图4 工后滤膜Fig.4 The on-site used filter fabric

3.4.2 渗透性

滤膜的渗透性是影响塑料排水板排水性能的重要指标，相比塑料排水板芯板的淤堵，滤膜的淤堵对塑料排水板排水性能的影响更大[11]。试验结果见表3，工后塑料排水板的滤膜渗透系数都有了明显的降低，这是因为滤膜纤维孔隙中存在土颗粒，堵塞了部分渗透路径，但仍有一部分渗透路径能发挥作用。渗透试验前滤膜两侧粘附的土颗粒已清洗干净，影响其渗透性能的仅为淤堵在滤膜孔隙内部的土颗粒，而工作中的塑料排水板，受滤膜表面粘附的土颗粒尤其是外侧粘附的土颗粒影响，实际渗透系数会更小。

3.5 工后塑料排水板芯板性能

如图5，工后塑料排水板芯板上粘附了许多土颗粒，芯板凹槽部分位置被淤积的土团填平，塑料排水板内的渗透水流流速较小时，难以携带所有土颗粒排出，从而造成土颗粒在芯板的淤积。另外，芯板的部分纵肋出现轻微倾斜，凹槽上存在少许纵向折痕，这也会造成工后塑料排水板通水性能的降低。

图5 工后芯板Fig.5 The on-site used core plate

4 结论与建议

在真空预压加固工作过程中，塑料排水板的物理力学性能发生变化，这些变化将对加固效果产生影响。试验研究发现，工后塑料排水板力学性能变化较小，由于工后塑料排水板存在折叠弯曲变形，滤膜和芯板上滞留了大量土颗粒，物理性能、水力学性能变化较大，单位面积（长度）质量明显增大，纵向通水量和滤膜竖向渗透系数明显降低。

由于工后塑料排水板取出后应力松弛，褶皱弯曲变形有很大程度恢复，同时忽略了滤膜两侧粘附的土颗粒对渗透性能、排水性能和真空吸力传递的影响，试验结果与塑料排水板在软基中的实际性能有一定区别，建议在以后的研究中对以上因素予以考虑。