无纺土工织物渗透淤堵试验研究

魏 松, 龚 明

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

无纺土工织物因其具有良好的反滤、排水、隔离、防渗、防护、加固等功能,被广泛应用于河道治理、堤防围堰防渗、地基加固等工程中[1-4]。但在工程实践中,也出现因土工织物淤堵而造成滤层失效问题,存在一定的安全隐患,从而影响工程安全性和使用年限[5-6]。

针对土工织物的淤堵问题,国内外许多学者[7-12]开展了土工织物的淤堵试验研究,根据梯度比RG的变化规律,分析了水力梯度、土样黏粒含量、土样密实程度、织物等效孔径等不同因素对无纺土工织物渗透淤堵特性的影响。但是,因为梯度比RG反映的是上层土体、下层土-织物的渗透性变化的关系,所以RG增大,只能说明下层土-织物整体渗透性比上层土体有显著减小,而无法进一步判断是否是土工织物产生了淤堵,也无法了解淤堵是发生在土工织物内部还是表面。

1 淤堵试验

1.1 试验装置

本文依据文献[13]进行试验,土工织物渗透淤堵试验装置如图1所示。

1.测压孔 2.透明圆筒 3.排气口 4.进水口5.实验土样 6.土工织物 7.出水口

图1中的装置主体上、下部分均为内径100 mm的透明有机玻璃圆管,其间通过法兰紧密连接,法兰中间可以夹持并固定土工织物,土工织物底部用孔径大于6 mm且具有一定强度的滤网作为支承。装置主体侧壁上,按规范要求设置了测压孔(1～6号),其中2号与3号、4号与5号测压孔对称,测压孔内设有反滤棒,防止土颗粒淤堵测压管。测压板上布置内径6 mm的测压管和最小刻度值1 mm的刻度尺,试验中用软管将测压管与测压孔连接在一起。

本次试验采用常水头法进行试验,为此设计了常水头的供水装置和出水装置。试验中,将仪器进水口、出水口分别连接到常水头装置上,使土-土工织物系统总水头保持稳定,并通过改变供水装置的高度来调节试验水力梯度。

1.2 试验材料

1.2.1 试验土样

将选自安徽省阜阳市颍州港开挖基坑的土样与已知黏粒含量的土样按照一定的比例进行混合,调配出3种不同黏粒含量试验土样。为进一步了解试验土样的颗粒组成,将3种试验土样风干后,按照文献[14]进行了土样的颗粒分析试验,得到了3种土样的颗粒组成情况,具体数据见表1所列。

表1 试验土样颗粒组成及物理特性

1.2.2 土工织物

试验选取的土工织物均为无纺土工织物,分别是:山东西贝新材料有限公司生产的白色涤纶土工布150 g/m2,记为G1;山东仪征康顺土工材料有限公司生产的白色丙纶土工布200、300 g/m22种,记为G2和G3。研究过程中,根据文献[13]进行取样、称量及试验。所选取的3种无纺土工织物的主要物理特性见表2所列。

表2 土工织物试样的物理特性

1.3 试验方案

在特定的水力梯度条件下,开展3种黏粒含量不同的土样相对密实与2种松散状态下的3种不同等效孔径的无纺土工织物的渗透淤堵试验;并对其进行分组和编号,具体方案见表3所列。

表3 试验分组及编号

注:D表示土样相对密实状态,干密度为1.53 g/cm3;L表示土样相对松散状态,干密度为1.27 g/cm3。

1.4 试验步骤

试验前,先将浸泡饱和的土工织物与滤网放入仪器内,固定并密封好;用漏斗将土样分4次均匀倒进仪器内,按照设计的干密度分层击实到100 mm高度;试验采用脱汽水,采用低水头从装置底部出水口缓慢注水,逐渐浸透土样,当液面高出土样2 cm左右,关闭出水口停止注水,让试样浸泡12 h,使其充分饱和,以避免土样及织物孔隙中的气泡未排尽而影响试验结果。

待试样饱和后,从试样顶部缓慢注水至水体充满仪器内部。首先,调节总水力梯度i达到4,待各测压管读数稳定后,打开出水口开始试验;每间隔1 h测读1次测压管水位及渗流量;当该级水力梯度下,渗流和测压管读数趋于稳定,再逐级调节总水力梯度i达到8、12,继续试验,直至全部测压管读数稳定。

试验结束后,取出土工织物,仔细剔除附着在织物表面的浮土后,放入烘箱烘干,称量土工织物及其截留土颗粒的总质量。

2 试验结果

2.1 数据处理

表4 梯度比RG的试验结果

表5 渗透系数试验结果 10-4 cm/s

表6 单位体积含土量μ试验结果 g/cm3

2.2 梯度比RG变化规律分析

基于表4,得到黏粒含量w不同的土样在不同密实程度、不同等效孔径的土工织物条件下梯度比RG变化规律,如图2所示。

图2 梯度比RG的变化规律

对比图2a、图2b可知:① 在织物等效孔径相同、土样密实程度相同的前提下,土样黏粒含量越大,试验得到的RG值越大,如织物G2前提下,土样S3的黏粒含量是土样S2的1.4倍,是土样S1的2.2倍;而土样S3对应的RG值是土样S2的1.4倍,是土样S1的1.9倍；② 当土样黏粒含量、密实程度相同时,织物等效孔径越大,RG值越小,如土样S1密实状态下,织物G1的等效孔径大小是织物G2的1.6倍,是织物G3的1.3倍,而织物G1对应的RG约是织物G2的0.7倍,是织物G3的0.5倍；③ 织物等效孔径相同的前提下,土样S1松散状态下的RG值大于密实状态下的RG值;而土样S2、S3松散状态下的梯度比土样密实状态下的大。

2.3 渗透系数变化规律分析

图3 渗透系数的变化规律

2.4 单位体积含土量μ变化规律分析

为了解织物淤堵情况,进一步分析淤堵原因,对不同试验组合条件下织物的单位体积含土量μ进行了对比分析,如图4所示。

图4 织物单位体积含土量μ的变化规律

由图4可知:① 土样相同密实状态下，当黏粒含量增大时，织物G1的μ值随之增大，而织物G2、G3的μ值是先增大后减小;② 相同密实状态下,土样为S1、S2时,等效孔径越大,μ值越小;而土样为S3时,即黏粒含量较大时,μ值随等效孔径的增大而增大;③ 对于相同等效孔径的织物,土样S1、S3相对密实条件下的μ值大于松散状态下的;而土样S2相对密实状态下μ值小于松散状态下的。

3 土工织物淤堵机理分析

结合土工织物背面土颗粒分布情况及变化规律的分析,对土工织物的淤堵机理进一步研究。不同土样密实状态下、不同等效孔径织物背面土颗粒分布如图5所示。

从图5可以看出,在土样密实程度相同的条件下,随着土样黏粒含量的增大,织物G1背面土颗粒逐渐增多,织物G2背面的土颗粒先增多后减少,而织物G3背面可见的土颗粒量逐渐减少。

综合实验结果和织物背面土颗粒分布情况可知,土样黏粒含量、密实程度以及织物等效孔径均会对土工织物的渗透淤堵特性产生显著影响。

图5 土样相同密实状态下不同土工织物的背面照片

(4) 在土样密实程度相同的条件下,织物等效孔径较小时,土样黏粒含量越多,单位时间内通过织物的土颗粒越多,织物背面可见的土颗粒越多;若土样黏粒含量越大、织物等效孔径越小,土颗粒越容易沉积在织物表面,单位时间内通过织物的土颗粒减少,相应织物背面可见的土颗粒变少。

4 结 论

通过对不同密实状态下,不同黏粒含量土样、不同等效孔径土工织物的渗透淤堵试验结果的分析,可以得到以下结论:

(2) 当土样黏粒含量较低且织物等效孔径较大时,土颗粒通过土工织物的效率较高,土颗粒在织物内部附着、沉积的速率较低,此时“淤堵”发生在织物内部但淤堵形成的速度相对缓慢;而当土样黏粒含量较大且织物等效孔径较小时,土颗粒通过土工织物的效率较低,粒径较大的颗粒堵塞织物表面孔口,阻碍粒径较小的土颗粒通过织物,细小土颗粒将逐渐沉积在织物表面形成弱透水层“滤饼”,此时“淤堵”发生在织物表面。

(3) 本文试验仅研究了土样黏粒含量、密实程度以及织物等效孔径对织物淤堵的影响,未考虑水力梯度对试验结果的影响。为完善无纺土工织物淤堵研究,可在此试验基础上,进一步研究水力梯度对织物渗透淤堵的影响。