排水钉工作机理的模型试验研究

崔玉桥，冷伍明，赵春彦，郭一鹏，董城



排水钉工作机理的模型试验研究

崔玉桥1，冷伍明2, 3，赵春彦2, 3，郭一鹏2, 3，董城3, 4

(1. 山东省交通规划设计院，山东 济南 250000；2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；3. 高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075；4. 湖南省交通科学研究院，湖南 长沙 410075)

目前大多数边坡采用传统PVC排水管，短时间服役后，常发生堵塞和土颗粒流失，导致排水失效。为研究一种长期高效的新型排水系统——排水钉，在室内开展排水钉与传统排水管的长期排水试验，测试排水钉的毛细作用，分析2种排水系统的排水速度、综合渗透系数、砂土颗粒级配的变化规律以及排水钉的毛细作用效果。研究结果表明：经过若干次干湿循环后，排水钉排水性能良好，而传统排水管排水性能却明显降低；排水钉能促使其周边砂土形成5~10 cm的天然反滤层；排水钉−土的耦合作用增强了砂土毛细作用。

排水钉；传统排水管；长期排水；天然反滤层；毛细作用

据统计，绝大多数路基边坡的地质灾害都与水的活动密切相关[1−2]。强降雨后，大量雨水下渗，使土体抗剪强度明显下降[3−4]，易发生滑坡、坍塌等灾害[5]。目前边坡的主要排水方式为重力式排水，即水在重力作用下进入PVC管等传统排水管内排出坡体。此类排水管利用孔洞收集饱和水，外包覆无纺土工布，利用碎石与级配砂层作为反滤层。反滤层质量得不到保证，土颗粒易随水进入排水管内，导致土颗粒流失及孔洞堵塞。实际调研发现，上述排水管，服役2~3年后极易产生堵塞甚至完全丧失排水功能[6]。因此，研发推广一种高效排水、防止堵塞、保持水土的新型排水材料，将具有重要的应用价值。本文所述新型排水材料——“排水钉”[7]通过钻孔置入新建或既有路基边坡中，具有全长度、主动排水，防止土颗粒流失，保障边坡稳定等特点，因其施工方法与土钉类似，笔者所在研究组将其命名为“排水钉”。排水钉是由排水钉节段及特制接头组装成的排水结构(如图1(a)所示)，其排水钉节段由PVC管外裹一层毛细透排水带[9](如图1(b))而成。其中，毛细透排水带为排水钉的主要集排水结构，它在厚约2 mm的软质薄塑胶片上每隔1.5 mm开设直径1 mm的导水槽孔，导水槽孔外侧沿纵向剖开0.3 mm宽的毛细槽沟，形成断面为“Ω”形的内大外小的透排水通道。基于这种特殊的排水结构，使排水钉具有独特的排水机理。目前，排水钉已经在路基、边坡水害防治中得到一定的应用(如图2所示)，但国内外还没有针对其工作机理的系统研究。近年来，国内学者针对毛细透排水带作了部分研究，凌贤宗等[10]开展了毛细透排水带排水试验，检验了其在不同渗透系数的土体中的反滤效果，比较了在不同布置形式下的排水能力和防淤堵性能；阮清波等[11]开展了毛细透排水带反滤性能试验，检验其在不同土体中的最优布置形式及反滤性能；陈霄等[12]测试了毛细透排水带抗淤堵性能；徐满杰等[13]采用5种不同级配和渗透系数的土样开展了排水试验，对采用毛细透排水带治理土坝渗漏进行了研究；陈航等[14]通过某整地工程，系统介绍了毛细透排水带在渗透系数低、存在季节性强降水且易形成水患地区的应用，全面分析了其应用效果。综上，国内对毛细透排水带排水特性的研究，局限于采用试验手段验证其排水能力、探讨其抗淤堵以及设计应用的层面。笔者所在研究组对排水钉的排水性能、适用条件及应用设计参数已有了一定的研究成果[8, 15]。本文通过室内试验研究了排水钉的工作机理，形成的初步成果可为排水钉材料的理论研究及工程应用产生一定的基础和借鉴。

(a) 排水钉；(b) 排水钉结构

(a) 未封口排水钉；(b) 排水钉外接头

注：图(b)为排水钉的外接弯头，其与排水钉相连接，起保护排水钉及导流作用

1 排水钉工作机理的室内试验

1.1 排水钉与传统排水管对比排水试验

为探讨排水钉的长期排水性能，研究排水钉与土耦合作用下的工作机理，在室内开展了排水钉与传统排水管的对比排水试验。测试了排水钉与传统排水管经长期工作后的排水性能，分析了2种排水材料周围土颗粒级配的变化。

1.1.1 试验装置及材料

试验所用模型箱由有机玻璃胶结而成，其设计图见图3。

单位：cm

试验用排水钉规格：长30 cm，直径6.3 cm；传统排水管由PVC管制成，在其上半部分以梅花状间隔5 cm钻一圆孔，直径为1 cm，规格：长30 cm，直径6.3 cm，开孔率7.5%。

试验用河砂的土颗粒级配曲线如图4所示，其不均匀系数C=4.64，曲率系数C=0.46，表明砂样级配不良。

图4 砂土级配曲线

1.1.2 试验方案

试样初始含水率为10%(±2%)，分6层夯实(控制相对密实度D=0.55)，每层夯实厚度为10 cm。制样时首先在箱底铺一层土工布，防止排水饱和阶段土颗粒从底部水龙头流失；第一层土样制备完成后，安装排水钉或传统排水管，其中传统排水管需用土工布包裹；接下来密封集水管与模型箱缝隙，确保排水通道唯一；随后，分层夯实土样并沿模型箱竖向中轴线布置5个测点(如图3所示)，均埋设孔压计，土体水势传感器，土体水分传感器，跟踪土体的孔隙水压力、基质吸力和体积含水量。排水系统安装和传感器埋设实物如图5所示。

(a) 排水钉；(b) 传统排水管

注：图(b)中传统排水管与图(a)排水钉安装方式相同

试验准备阶段，堵住集水管出水口，打开箱底水龙头，向试验箱内加水，排出砂土中的空气，使其达到饱和状态。试验阶段，关闭箱底水龙头，打开出水口，保持土样顶面以上7 cm稳定水头，开始常水头排水试验，5 min后停止加水，进行变水头排水试验。试验分为3个阶段，具体见表1。排水结束后，静置试验箱使土样变干，准备下次试验。

表1 砂土中排水试验流程

注：该试验流程为1次排水试验流程，试验水头基准面为排水材料中心位置；1为试样顶面无明水的时刻；2为无流水时刻

试验过程中，单位时间流量通过单位时间内排水量称重法确定，孔隙水压力、基质吸力和体积含水量数据利用传感器配套数据采集器采集。

为研究排水钉和传统排水管的长期排水性能，使2种排水材料分别经历若干次上述干燥-饱和排水循环(下文简称“干湿循环”)后测试其排水速度。具体试验过程见表2。

表2 长期排水试验过程

长期排水试验结束后，分别取距排水钉和传统排水管2，5，10和20 cm处土样进行筛分，分析长期排水工作后2种排水材料对土体颗粒级配的影响。

1.2 排水钉毛细作用的验证试验

1.2.1 试验材料

为便于试验操作，本试验采用排水钉的主要排水结构——毛细透排水带进行，排水带规格：长×宽=10 cm×10 cm。同时，为有效验证排水钉的毛细作用，使毛细作用现象明显，该试验采用孔隙较小的细砂，故取本文1.1节试验用砂过2 mm筛后作为试验土样。

1.2.2 试验方案

试验在长方形塑料水槽(长×宽×高=27 cm× 20 cm×10 cm)内进行，土样分4层夯实(控制相对密实度D=0.55)，每层厚度为2 cm。其中，底层砂土为湿砂(含水率=15%)，以上各层均用干砂。

如图6所示，a试验水槽土样内插入2片毛细透排水带，为方便试验操作，排水带自底部起竖直插入；作为对照组，b试验水槽不插毛细透排水带。将2组试验水槽静置直至表层砂土湿润后，自水槽底起向上每隔2 cm取土测试含水率。

(a) 有排水带；(b) 无排水带

2 试验结果与分析

2.1 排水性能分析

通过测量单位时间内流量确定2种排水材料的排水速度计算公式[16]为

式中：为排水速度，cm/s；为单位时间内的渗流量，cm3/s；为埋设排水材料后的渗流截面积，即排水材料与土的接触面积(其中排水钉1=632.97 mm2，传统排水管2=668.39 mm2)。

为了评价排水材料−土耦合作用下砂土渗透性的强弱，研究排水材料的排水性能，取常水头下综合渗透系数进行分析，其计算公式[16]为

式中：为综合渗透系数，cm/s；为土样高度，cm；即排水带中心位置到土样顶面的高度；为水头差，cm，即排水带中心位置到水面的高度。

2.1.1 排水速度

经过若干次干湿循环后，2种排水材料的排水速度如图7所示。

由图7(a)得出，排水钉长期排水试验的流速变化不大，其中累积干湿循环第23和38次时较第0和16次时的流速有小幅降低，但第55和64次干湿循环时的排水速度与试验初始时基本持平。而传统排水管，排水速度随干湿循环次数逐次降低(如图7(b)所示)，且下降幅度较大。

2.1.2 常水头下综合渗透系数的变化

经过若干次干湿循环后，2种排水材料在常水头下的综合渗透系数变化如图8所示。

(a) 排水钉；(b) 传统排水管

图8 常水头排水时综合渗透系数的变化

常水头下，排水钉的综合渗透系数随长期试验的进行无明显变化，相比第一次试验，其后历次排水试验的综合渗透系数波动最大时仅为5%，排水性能较稳定；而经历了51次干湿循环后，传统排水管的综合渗透系数较试验初降低了35.6%，排水性能明显降低，与排水钉基本持平。

综上，由图7~8可知，经过多次干湿循环后，排水钉保持高效的排水性能，无明显变化。由于2种排水材料工作机理的差异，试验初期传统排水管的排水速度、综合渗透系数大于排水钉，但其排水能力随试验的进行降低明显，试验结束时即与排水钉相当，且呈持续下降的趋势。

2.2 反滤作用分析

2.1节从排水性能方面对比分析了2种排水材料，本节依据反滤准则[17−18]分析试验后两者的土颗粒级配变化，进一步揭示排水钉的工作机理，土颗粒级配曲线见图9。

(a) 排水钉；(b) 传统排水管

如图9(a)所示，距排水钉2 cm和5 cm处土颗粒级配比试验前的原状土样有较大变化，其中0.5 mm以下土颗粒较原状土样减少；距排水钉10 cm和20 cm处土颗粒级配基本无变化。这表明排水钉附近土样的细颗粒有一定流失，流失界限大约在距排水钉5~10 cm范围内。这恰与排水钉的排水现象相吻合，即第1次排水试验时，流出的水迅速由浑浊变清澈，之后历次试验排出的水均为清水，且卸样时排水钉的导水槽孔没有被土颗粒堵塞。说明由于排水钉的“Ω”构造，使少量排水钉附近的细小土颗粒随水进入导水槽孔，流出土体，较大土颗粒则被阻挡于毛细槽沟外。正是排水钉的这种作用，催化其附近土样形成了天然反滤层，阻止了土颗粒的进一步流失。其反滤层形成示意图见图10。

图10 排水钉作用下砂土反滤层形成示意图[8]

排水试验结束后传统排水管的土颗粒级配曲线如图9(b)所示，距排水管2，5和10 cm处土颗粒级配对比试验前的原状土样有明显的变化，其中1 mm以下细土颗粒流失严重；20 cm处土颗粒级配基本无变化。传统排水管每次排水试验流出的水均出现浑浊；卸样时发现，排水管所包裹土工布的孔隙已被细小土颗粒填塞(如图11所示)。其原因是传统排水管附近土层并没有形成有效的反滤层，在长期排水过程中一直存在细土颗粒的流失；且细土颗粒填塞土工布，堵塞孔道，使排水效率降低。

图11 卸样后包裹传统排水管的土工布

排水钉参与路基边坡排水时，催化其周边土体形成了稳定的天然反滤层，阻挡土颗粒随水流动进入导水槽孔，避免堵塞排水通道，保证了排水钉的长期排水性能；而传统排水管无法使土体形成有效的天然反滤层，需在排水管周边设置人工反滤层，工序复杂，造价高，在行车密度大、维修天窗时间短的既有线铁路或重要公路的路基边坡中难以实现。因而，笔者认为排水钉更适宜于路基边坡的长期排水工作，尤其是既有路基边坡的排水修复 工程。

2.3 排水钉的毛细作用

本节揭示了毛细透排水带对砂土毛细作用的影响。由于砂土自身的毛细作用[19−20]，有无排水带作用时的表层砂土均出现湿润现象，如图12所示。

图12 毛细作用测试试验现象

但由于毛细透排水带的作用，2种试验条件下不同埋深的砂土含水率存在明显差异，如图13 所示。

图13 有无排水带作用的砂土含水率

水槽内不同深度砂土的含水率见图13，自水槽底(即0 cm处)向上砂土含水率逐渐降低；有排水带作用比无排水带时，水槽底部土层含水率低约1%，上部土层砂土含水率高约1%，2条曲线相交于土层的中间位置(约4 cm处)。这表明毛细透排水带加强了砂土的毛细作用，更有效地将水槽底部砂层中的毛细水输送至上部，降低了底部砂土的含水率。通过计算，毛细透排水带的细小毛细槽沟能够产生45.6 Pa[21]的毛细力，将对排水钉附近的孔隙水产生毛细作用，进一步对土体内部产生负压，促使较远处的孔隙水向排水钉迁移，在一定程度上促进排水，尤其对降低非饱和土体含水率，维持边坡稳定性有积极作用。

3 结论

1) 经多次干湿循环后，排水钉的高效排水性能基本保持不变，而相同条件下的传统排水管，其排水性能明显降低。

2) 排水钉能够促使距其5~10 cm范围内的土体产生稳定的天然反滤层，而传统排水管的这一功能并不显著，且易导致起过滤作用的土工布淤堵，阻塞排水管。

3) 排水钉−砂土的耦合作用增强了砂土的毛细作用，促进孔隙水向排水钉迁移，有利于降低土体含水率。

试验成果表明排水钉这种新型排水结构具有排水效率较高、长期性能好的特点，可克服传统排水管的缺点，是可用于路基边坡水害处治的一种新方法。

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Model test and study on the working mechanism of drainage nail

CUI Yuqiao1, LENG Wuming2, 3, ZHAO Chunyan2, 3, GUO Yipeng2, 3, DONG Cheng3, 4

(1. Shandong Provincial Communications Planning and Design Institute, Jinan 250000, China 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 3. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China; 4. Hu nan Communication Research Institution, Changsha 410075, China)

At present, most of the traditional PVC drainage pipes don’t work after a short period of use because of clogging and soil-particles lost. To study a long-term and efficient new drainage system, drainage nail, a long-term drainage test of drainage nail and traditional drainage pipe was carried out, and the capillary action of drainage nail was tested. In this paper, the drainage velocity, comprehensive permeability coefficient, the variation rule of sand particle gradation and the capillary effect of drainage nail were analyzed. The results show that the drainage performance of drainage nail is good after several dry-wet cycles, and traditional drainage pipe’s drainage capacity decreases significantly. The drainage nail can make the surrounding sand form 5~10 cm natural anti-filtration layer. The capillary effect of sand is strengthened by the coupling of the drainage nail and soil.

drainage nail; traditional drains; long-term drainage; natural anti-filtration layer; capillarity

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.11.010

TU441.4

A

1672 − 7029(2018)11 − 2796 − 08

2017−09−29

国家自然科学基金资助项目(51678572，51408613)；中南大学研究生自主探索创新基金资助项目(2017zzts529)；湖南省科技人才专项−湖湘青年英才计划资助项目(2016RS3037)

赵春彦(1980−)，男，河南唐河人，副教授，博士，从事岩土工程方向的研究；E−mail：zcy339@163.com

(编辑 涂鹏)