排水板滤膜加固软基效果模型试验研究

严驰，崔士平，郭伟峰

（天津大学，天津　300072）

排水板滤膜加固软基效果模型试验研究

严驰，崔士平*，郭伟峰

（天津大学，天津300072）

摘要：真空预压加固软基时，塑料排水板以方便施工、质量稳定、可批量生产等优势被广泛用作竖向排水通道。然而包裹在排水板外起过滤作用的滤膜种类繁多，性能差别大，为探究不同类型排水板滤膜对真空预压加固软基效果的影响，设计了室内单井模型试验，对3种排水板滤膜进行研究。结果表明：土体在真空作用下排水固结时，渗径越短、土粒孔隙越畅通、滤膜渗透性越好，加固效果越理想；等效孔径较大的排水板滤膜抗淤堵能力强，加固效果好；纤维强度较高的排水板滤膜抵抗受力变形能力强，抗淤堵性能好；加固过程中，竖向排水体附近土粒发生流失，滤膜孔径越大、距离滤膜越近土粒流失越多。

关键词：排水板滤膜；模型试验；加固效果；淤堵；保土性

中图分类号：U655.544.4；TU472.1

文献标志码：A

文章编号：2095-7874（2015）03-0021-08

doi：10.7640/zggWjs201503004

收稿日期：2014-12-18修回日期：2015-01-20

作者简介：严驰（1959—），女，湖北黄梅人，教授，硕导，研究方向为软土工程性质、地基处理。

通讯作者：*崔士平，E-mail：cuishiping0117@126.com

Model test on filtration fabrics of drainage board iMproving soft soil

YAN Chi，CUIShi-ping*,GUO Wei-feng
（Tianjin University,Tianjin 300072,China）

Abstract：For the soft soil reinforcement under vacuuMpreloading,the plastic drainage board is convenient for construction, has stable quality,and can bemass production,etc.,it is usually used as vertical drainage channelof vacuuMpreloading technology.However its filter fabrics have wide varieties and great difference of performance.To explore the influence of different filter fabrics to vacuuMpreloading,we designed singlewellmodel test to study three kind filter fabrics.The results shoWthat the seepage path is shorter,the soil pore and filter fabrics are smoother the effectof vacuuMimprove soft foundation is better.The filter fabricswith bigger aperture have strong ability to resistsiltation so the effectof disposing softsoil is better.The filter fabricswhose fibersare strong can resistmechanicaldeformation and soft foundation improved well.During the test,the soilnext to the vertical drainage channel run away and the aperture isbigger the distance is shorter the greater the lossofsoil.

Keywords：drainage board filtration fabric；model text；improvement result；siltation；soil retention

0　引言

真空预压法是利用真空加快土体排水固结，提高地基承载能力的一种被广泛应用于港口、码头、公路以及沿海地区吹填土加固的软基处理方法[1-3]。以土工合成材料中具有良好透水性和过滤性、工程应用最广、产量最高的土工织物作为外包滤膜的塑料排水板在真空预压中作为较理想的竖向排水体以其施工方便、质量稳定、加固效果好等优点被广泛采用[4-5]。然而塑料排水板外包滤膜根据原材料及生产方式的不同可分为多种类型，不同类型的排水板滤膜性能差别较大，因此，具有不同类型外包滤膜的塑料排水板应用于真空预压时产生的效果也有较大差别[6]。

目前，国内外关于塑料排水板在真空预压中应用的研究，主要围绕间距选择、打设深度、施工工艺、井阻及涂抹作用等方面；对排水板滤膜的研究主要针对其自身淤堵判断、渗透性能等特性展开，关于排水板滤膜对真空预压效果影响的研究开展较少[7-10]。基于上述情况，设计了室内真空预压单井模型试验，对3种不同类型的排水板

滤膜进行试验研究，分析其对真空预压固结过程及最终效果的影响。

1　基本思路

用3种等效孔径具有明显差异的排水板滤膜做成竖向排水体，分别进行真空预压单井模型试验，通过对试验过程中各类数据的监测以及试验后加固效果的检测，分析各类型排水板滤膜对真空预压的影响。塑料排水板横截面为长方形而试验用模型桶为圆柱形，为避免二者横截面形状差异对试验结果造成不利影响，同时为使竖向排水体可以随土体沉降而压缩变形，采用圆柱形铁丝弹簧做内撑外包排水板滤膜的办法制作竖向排水体，如图1。所选用的3种排水板滤膜等效孔径如表1，为方便理解分别称为防淤堵膜、增强膜和普通膜，其中增强膜纤维力学强度明显高于另外两种膜。

图1　竖向排水体实物图Fig.1 Verticaldrainage channel

表1　各类型排水板滤膜等效孔径Table 1 Equivalentaperture ofeach filtration fabrics　μm

试验拟分析二维平面问题，即仅考察土体在径向上的加固效果差异，因此，模型桶中不设水平排水层，使真空仅从竖向排水体向四周传递。

2　模型试验的实施

2.1试验方案

为达到试验目的，每组试验3个尺寸为：直径×高= 38 cm×28 cm的圆柱形模型桶对同一种竖向排水体进行平行试验，竖向排水体置于模型桶中心位置，周围填筑试验土样，泥面与竖向排水体等高，为25 cm。竖向排水体直径通过公式（1）确定为2.5 cm，

式中：dw为竖向排水体直径，cm；de为排水体径向有效加固范围直径，cm；n为井径比，取15。

各试验模型桶用塑料布密封并通过尼龙管与其前端的小型储气罐连接（小型储气罐起储存真空和水气分离作用），通过3个小型储气罐罐身视窗可监测试验中各模型桶排出水量。3个小型储气罐又与连有2台真空泵的大型储气罐相连。整套模型试验装置见图2，原理示意见图3。此外，用真空表监测储气罐及模型桶中真空度的变化；在距离模型桶底12 cm平面内布设4个微型孔压计，通过数据采集系统记录土体孔压变化，4个孔压计与竖向排水体的距离分别为0 cm、5 cm、10 cm和15 cm，具体分布见图4；通过测深游标卡尺对距离竖向排水体1 cm、8 cm及15 cM3个区域进行沉降监测，为便于后续阐述，3个区域分别称为中心、过渡段和边缘，每个区域选3个点，具体分布见图5。

图2　模型试验装置实物图Fig.2 TestModel installation

图3　原理示意图Fig.3 Principle diagram

图4　孔压计布设位置Fig.4 Positionsof porewater pressure sensors

图5　沉降监测点位置Fig.5 PositionsofMeasuring settleMent

试验土样由天津港和温州两地土拌合而成，具体指标见表2。

表2　试验土样性质Table 2 Basic propertiesof testsoil

2.2试验内容

试验时，连续抽真空2 300 min以上，通过真空表监测膜下真空度变化，通过接有孔压计的数据采集系统记录土体内部孔压发展情况，每隔一定时间量测泥面沉降量，通过小型储气罐视窗记录各模型桶出水量。为反映加固效果分别对试验前后距离竖向排水体0～5 cm、5～10 cm及10～ 15 cm区域土体的含水率和微型十字板剪切强度进行测试；为评价各种排水板滤膜试验中保土性能，对试验后距离竖向排水体0～0.5 cm、0.5～1 cm及1～2 cm区域的土体进行颗粒分析。针对每种类型竖向排水体得出的数据进行对比分析，总结规律，探究各类型排水板滤膜对真空预压的影响情况。

2.3试验现象

试验初始阶段，储气罐及各模型桶内真空度迅速上升，很快达到90 kPa左右，塑料布快速收缩贴在泥面上。孔压计读数下降较快，特别是0 cm位置处孔压计读数下降值较大。但尼龙管中并没有水排出，该阶段抽出的主要是储气罐、泥面与塑料布之间以及竖向排水体内的空气。

随着试验的进行，真空度进一步提高并稳定下来；0 cm位置处孔压维持短暂稳定后开始回升，其他3个位置处孔压继续下降，但下降速度逐渐变缓慢；尼龙管内开始有水流出，出水量较大；泥面开始沉降，并且速度较快，沿径向向外，沉降量逐渐变小。

试验后期，真空度维持在最大值不变。0 cm位置处孔压显著增加，另外3个位置处的孔压缓慢减小。尼龙管间断性出水，出水量极小。泥面沉降速度缓慢，基本维持稳定，整个模型桶中泥面呈凸面向下漏斗状。

3　试验结果分析

对每组试验中3个平行模型桶的数据取平均值，得到相应类型排水板滤膜的试验结果，分析如下。

3.1真空压力分析

各组试验的膜下真空度随时间变化如图6。由图可知，试验开始后膜下真空度迅速上升，10 min内达到90 kPa；随后缓慢增加，最大增幅不足5 kPa，200 min后达到最大值，并维持稳定直到试验结束。3组试验膜下真空度最大值略有差别，增强膜组膜下真空度最大，另外两组真空度曲线交叉，数值相近。

图6　膜下真空度-加固时间关系曲线Fig.6 VacuuMdegree curvesover tiMe

试验初始阶段，2台抽气速率为4 L/s的真空泵同时工作，而4个储气罐的总容积为135 L，模型桶及尼龙管中空气体积较小，所以真空泵可以短时间内将多余空气抽出，膜下真空度迅速上升；虽然试验前用PVC塑料布对模型桶尽量做好密封，但是各组试验中不可避免的存在局部微小漏气点，导致各组试验膜下最大真空度存在差异，但是最大差值低于3 kPa，可以忽略其对真空预压结果的影响。

3.2沉降量分析

真空加固过程中，每组试验3个区域的沉降情况如图7所示。由图可知，随加固时间的延续沉降量不断增加，试验初始阶段沉降速度较快，

前300 min内各模型桶中沉降量已达总沉降量的30％ ～50％，随后，沉降速度逐渐减小，试验最后480 min内各组土体沉降量仅为总沉降量的7％ ～ 11％；每组试验沉降量沿径向向外不断减小，各测点最终沉降量见表3。由表3可知，虽然每组试验的中心、过渡段及边缘3个区域径向间距相等，但是中心区域与过渡段的沉降差值为5 mm左右，而过渡段与边缘沉降差超过10 mm，试验结束后各模型桶内泥面呈凸面向下漏斗状。

图7　沉降量-加固时间关系曲线Fig.7 SettleMent curvesover tiMe

表3　各组试验土体最终沉降量Table 3 SettleMent value ofeach points　mm

真空加固初始阶段，土颗粒间孔隙较大，排水板滤膜渗透性好，孔隙水渗流通道畅通，在真空作用下土体易发生排水固结，因此试验初期沉降量发展较快。随着加固时间的延长，土体不断排水固结，孔隙体积逐渐减小，孔隙水在土体内的渗流阻力增加，同时排水板滤膜经过一段时间的渗流后，其孔隙通道易被细小土颗粒填塞，发生不同程度的淤堵，渗透性下降，导致土体排水固结困难，沉降速度变慢；在径向上，距离竖向排水体越近的土体，固结时孔隙水渗流路径越短，渗流阻力也越小，因此，模型桶中距离排水体最近的中心区域土体排水固结效果好，沿径向向外排水固结程度逐渐减弱；土体排水固结从中心向四周逐渐展开，中心区域土体先发生排水固结，随后过渡段及边缘土体开始固结，因此，边缘区域土体固结时，其孔隙水的排出不仅渗流路径长，而且由于前面区域土体已经发生固结甚至固结度发展较大，导致渗流通道减小，孔隙水排出阻力增加，固结困难，因此边缘区域与过渡段和中心区域沉降差较大。

对比3组试验沉降曲线可知，防淤堵膜、增强膜在3个区域的沉降量均比普通膜大；增强膜在中心及过渡段沉降量大于防淤堵膜，而在边缘区域低于防淤堵膜。

试验用土样黏粒含量高，土体排水固结时，细小颗粒随孔隙水一起运动，到达排水板滤膜处，部分颗粒可以随水流穿过滤膜而排出，但仍有部分土颗粒滞留在滤膜孔隙内部或者嵌入在滤膜表面孔隙中，造成排水板滤膜淤堵，渗透性降低，影响土体排水固结。防淤堵膜和增强膜的等效孔径比普通膜大，细小土颗粒容易通过，不发生明显淤堵；增强膜纤维强度较防淤堵膜大，当受到周围压力作用时，纤维抵抗变形能力强，而强度较低的防淤堵膜纤维容易在周围压力作用下纠缠抱合得更厉害，改变了原来孔隙特征，渗透性降低，因此，虽然防淤堵膜自然状态下等效孔径大于增强膜，但是在压力作用下，其渗透性降低较大，中心及过渡段固结沉降量小于增强膜；增强膜渗透性较大且稳定性好，其周围土体排水固结迅速，当该滤膜边缘区域土体排水固结时，由于其前方区域土体已经完成较大固结，孔隙通道大大减小，孔隙水排出困难，因此，边缘区域固结沉降较防淤堵膜小。

3.3出水量分析

图8为固结过程中各组试验模型桶出水量随时间变化关系，由图可知，试验初期出水量较大，150 min出水量达到最终出水量的40％左右，随时间延长，出水速度逐渐变慢，水量呈阶梯型增加，最后水量基本维持不变；加固过程中，防淤堵膜和增强膜出水量明显高于普通膜，最终出水量差值在200 mL左右；防淤堵膜与增强膜在500 min前曲线交叉，出水量接近，500 min后，增强膜水量明显高于防淤堵膜，最终出水量差值为135 mL。

试验初期，土体孔隙体积大，孔隙水渗流通道畅通，固结速度快，出水量较大；随固结的发展，孔隙体积减小，孔隙水渗流阻力增大，水量

需要一段时间积累才能排出模型桶，水量呈阶梯型增加；防淤堵膜和增强膜孔径较大，抗淤堵能力强，孔隙水排出较快；增强膜抵抗压力变形能力高于防淤堵膜，因此在500 min后出水速度明显高于防淤堵膜，试验后期，两种膜出水量差值呈减小趋势，最终出水量差值仅为135 mL，这与上文阐述的增强膜边缘区域固结效果低于防淤堵膜有直接关系。

图8　出水量-加固时间关系曲线Fig.8 Water yield curvesover tiMe

3.4孔隙水压力分析

图9为各类型排水板滤膜加固软基过程中模型桶内距离其不同位置处土体孔隙水压力变化曲线。由图可知，试验开始后3种滤膜外0 cm位置处孔压迅速降低到较大负压值，随后回升，回升过程中有跳跃式下降时刻；其他3个位置处孔压在试验初期下降较快，500 min孔压降低值达到最大降幅的40％ ～60％，孔压降低速度随时间逐渐变慢，最后孔压趋于稳定；沿径向，从中心到边缘孔压降低幅度逐渐变小。

图9　膜外孔压-加固时间关系曲线Fig.9 Pore pressure curvesofMeMbrane

试验初期，排水板滤膜渗透性好，渗透系数明显高于土体，真空迅速传递到0 cm处，孔压计读数下降较快，试验一段时间后，排水板滤膜逐渐被淤堵，渗透性不断降低，0 cm位置孔压持续回升，针对孔压在某些时刻跳跃式下降的现象，笔者认为细小土粒穿过滤膜或者滞留在滤膜内部都是动态发展的过程，当孔压计所对应滤膜区域中细小颗粒流出滤膜或者运动到滤膜其他区域，真空度会突然传递到孔压计位置，导致孔压跳跃式下降；试验初期，土体尚未发生真空固结，孔隙较大，真空在土体内传递阻力小，其他3个位置处孔压下降较快，随着真空固结的发生，土体变得密实，真空传递越来越困难，孔压下降速度逐渐变慢；距离真空源即竖向排水体越远位置，真空度传递需要克服的土体阻力越大，损失越多，因此，沿径向向外，孔压降幅逐渐减小。

图10为3种排水板滤膜外相同位置处孔压变化曲线，由图10可知，0 cm位置处，防淤堵膜孔压极短时间内下降到-88 kPa，随后在该值附近波动，340 min左右孔压值开始回升，且回升速度由慢变快；增强膜孔压极短时间内降到-72 kPa，后继续下降，460 min达到最低值-86 kPa，后孔压值开始回升，回升曲线相比防淤堵膜较平缓；普通膜孔压在短时间内仅下降到-37 kPa，之后下降速度缓慢，380 min后孔压整体呈现回升趋势。5 cm和10 cm位置3种膜外孔压变化规律较明显，防淤堵膜和增强膜外孔压明显低于普通膜，500 min前防淤堵膜孔压低于增强膜，之后两膜外孔压接近，后随时间发展，增强膜孔压明显低于防淤堵膜，从5～10 cM3种膜孔压差值逐渐变小，到15 cm位置3条孔压曲线相互交织，已经没有明显规律。

图10　不同滤膜外各位置孔压变化曲线Fig.10 Pore pressure curvesatdifferentposition away froMeach MeMbrane

防淤堵膜与增强膜等效孔径较普通膜大很多，渗透性好，因此试验开始短时间内0 cm位置处孔压即可下降到负值接近真空度值，并且防淤堵膜渗透性优于增压膜，孔压降低值较增强膜大；随着加固的进行，两种滤膜发生不同程度的淤堵，渗透性开始降低，孔压回升，防淤堵膜孔压回升较快，说明其淤堵发生的程度较严重，而增压膜纤维抵抗受力变形能力强，抗淤堵能力优于防淤堵膜，孔压回升相对缓慢。普通膜孔径小渗透性差，短时间内已经发生淤堵，孔压下降困难，并且较早开始回升。由于滤膜的淤堵导致真空度在竖向排水体处已经发生局部损失，滤膜淤堵程度的不同导致真空度损失也存在差异，对于土体而言，中心处真空压力的不同，直接影响周围土体孔压降低幅度，防淤堵膜及增强膜孔径大，抗淤堵能力始终高于普通膜，真空度在滤膜处损失小，因此土体各位置处孔压下降幅度较普通膜大；防淤堵膜初始状态等效孔径大于增强膜，因此500 min前，5 cm、10 cm两个位置处孔压降低值大于增强膜，随加固时间延长，滤膜发生淤堵，增强膜纤维抵抗压力变形能力强，发生淤堵程度较防淤堵膜轻，因此500 min后，5 cm、10 cm处孔压降低幅度较大；土体某位置处孔压降低是由真空负压所引起，而真空度的传递受滤膜处局部损失和土体内沿程损失两种因素影响，在土体内部传递距离越远沿程损失带来的影响就越大，3种滤膜外距离中心越远的位置处，土体孔压降低差异受真空度在滤膜处局部损失的影响就越弱，因此3种滤膜在相同位置处孔压差值沿径向向外逐渐减小。

3.5加固效果评价

为评价不同类型排水板滤膜对土体真空加固效果的影响及同种滤膜外径向加固效果差异，对试验前后模型桶内距离竖向排水体不同区域土体的含水率及微型十字板剪切强度进行测试，结果见表4。

表4　土体加固前后含水率及十字板剪切强度变化Table 4 Water contentsand vane strength before and after the experiMent

由表4可知，土体初始含水率为55％，试验前，微型十字板无读数，加固后含水率明显降低，十字板强度显著提高，且距离竖向排水体越近含水率降低越多，微型十字板强度提高越大，说明与竖向排水体距离越近的土体加固效果越好；加固后，防淤堵膜与增强膜在各区域含水率均比普通膜低，微型十字板强度都高于普通膜；在0～5 cm和5～10 cm两个区域，增强膜的含水率低于防淤堵膜，十字板剪切强度高于防淤堵膜，即增强膜加固效果优于防淤堵膜，而在最外围的10～15 cm区域，增强膜加固效果则低于防淤堵膜。

各类型排水板滤膜加固效果及膜外各区域变化规律与前文分析内容相符。距离竖向排水体近的土体固结时孔隙水排出渗径短，真空度传递迅速，易于排水固结，加固效果好；防淤堵膜与增强膜等效孔径大，抗淤堵能力强，加固效果优于普通膜；增强膜纤维抵抗变形能力强，抗淤堵性能高于防淤堵膜，因此大部分区域加固效果好，但对于边缘区域土体，由于其前方土体发生较大固结，因此孔隙水排出困难，加固效果低于防淤堵膜。

3.6保土性能评价

为考察各类型排水板滤膜加固后不同区域土颗粒流失情况，对试验后距离排水板较近区域内土体进行颗粒分析。

图11为同种滤膜外不同区域颗粒分布曲线。由图可知，防淤堵膜和增压膜外颗分曲线规律明显，除0～0.5 cm与0.5～1 cm两区域颗分曲线在左侧有短暂交叉外，整体上0～0.5 cm颗分曲线最低，0.5～1 cm颗分曲线处在中间，1～2 cm颗分曲线最高。曲线越低表明小于某粒径土颗粒含量越少，即小于该粒径土颗粒流失越多，两曲线左侧交叉说明较大粒径颗粒含量接近。普通膜颗分曲线无明显规律，0～0.5 cm曲线左侧较高，中间区段最低，说明大粒径颗粒含量较高，低于中间粒径的较小颗粒流失较多。防淤堵膜外相邻两个区域粒径小于0.005mm土颗粒流失量差值大于3％；增强膜外相邻两个区域粒径小于0.005mm土颗粒流失量差值在2％左右；普通膜外相邻两个区域粒径小于0.005mm土颗粒流失量差值小于1％。

图11　膜外土体颗分曲线Fig.11 Soilparticlessize grading curve ofMeMbrane

图12为膜外相同区域，不同类型排水板滤膜颗分曲线对比，由图可知，3种滤膜在膜外0～0.5 cm范围内颗分曲线差别最明显，0.5～1 cm区域次之，1～2 cm区域差别很小。0～0.5 cm区域防淤堵膜曲线位置最低，说明该种滤膜在此区域土体流失最严重，比较粒径小于0.005 mm土颗粒流失量，防淤堵膜比增强膜多流失2.07％，比普通膜多流失5.36％；增强膜与普通膜颗分曲线左侧相交，右侧增强膜较低，说明0～0.5 cm区域增强膜外较小颗粒流失量比普通膜多，而较大颗粒含量相近。0.5～1 cm区域颗分曲线分布规律与前一区域相似，只是土粒流失差值变小，比较粒径小于0.005 mm颗粒流失量，防淤堵膜比增强膜多流失1％，比普通膜多流失2.98％；1～2 cm区域颗分曲线无明显差别，各粒径颗粒含量相近。

4　结语

对比分析3种类型排水板滤膜真空预压模型试验数据，得到如下结论：

1）利用真空加固软基，土体的排水固结受排水板滤膜渗透性和土粒孔隙通道畅通程度影响。排水板滤膜渗透性良好，土粒孔隙畅通，渗径较短时土体易于排水固结。

2）距离竖向排水体较远处土体固结时，其前方土体已发生较高程度固结，渗流通道不畅通，

固结效果差。故真空预压中应适当控制加荷速度。

图12　膜外不同范围内不同滤膜颗分曲线Fig.12 Soilparticles sizegrading at differentarea away froMeach MeMbrane

3）等效孔径较大的防淤堵膜和增强膜抗淤堵能力明显高于普通膜，加固软基效果较好。

4）增强膜纤维力学强度高，在周围压力作用下，抵抗变形能力强，滤膜孔隙不易收缩，加固效果比孔径更大的防淤堵膜还好。

5）在加固过程中，竖向排水体附近土颗粒发生流失，且距离排水体越近土粒流失量越大；防淤堵膜土粒流失最严重，增强膜次之，普通膜保土性最好。

6）虽然防淤堵膜和增强膜的保土性不如普通膜，但土粒流失量并不大。建议工程中，在满足保土性要求的前提下，尽量选择外包滤膜孔径较大、纤维强度较高塑料排水板。

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