塑料排水板滤膜的淤堵试验研究

郑爱荣 ，朱洪满

（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

淤泥、吹填土和一些特殊软黏土，具有含水率高、黏粒含量多等特点，一般采用塑料排水板联合真空预压法加固。塑料排水板对加固土体起到排水、过滤和隔离的三重作用。

在真空吸力的作用下，地基中的水为单向渗流，经过土层进入滤膜，土颗粒也在真空吸力的作用下聚集塑料排水板滤膜周围。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，一部分细颗粒黏附在滤膜表面，一部分嵌在滤膜孔隙中，一部分穿过滤膜，或者随水排出，或者滞留在芯板上，这将造成滤膜和芯板的淤堵，从而减弱塑料排水板的作用。

为解决塑料排水板应用过程中的淤堵问题，有的研究人员改善了施工技术，形成了新型防淤堵真空预压法[1]、可控通气真空预压法[2]等工法，有的研究人员从修复淤堵层的角度，试图通过反复抽真空和吸气[3]及反复用水冲洗[4]的方式冲开淤堵层，但效果并不理想，徐锴建议采用分级加载的方式[5]，Benson C H等致力于开发高滤水性能的塑料排水板包覆滤膜[6]，希望从根本上解决淤堵问题。我国的新型防淤堵塑料排水板已经出现并在天津、江苏及广东等地推广使用。

综上所述，淤堵问题是影响塑料排水板排水效果的关键问题，对滤膜防淤堵性能进行试验研究具有重要的意义。国际通用的土工织物淤堵试验方法为美国陆军工程师团制定的梯度比法，其测量值为测压管水头和渗水量。由于塑料排水板滤膜工作环境多为黏性土等渗透性较差的土体，采用梯度比法进行淤堵试验时，由于水在土中的渗流速度慢，测压管水头变化缓慢，稳定所需时间长达数天，很难准确判断测压管水头是否稳定，且易出现同一高度的测压管水头数据相差较大的情况。本文提出了一种新的淤堵试验方法——轴向压缩法淤堵试验（专利号ZL201721198008．9），可更好地测试土工织物在低渗透土体环境中的淤堵特性。

1 试验原理

轴向压缩法淤堵试验通过轴向加压装置，压缩土颗粒间的孔隙，使土体中的水在压力作用下带动土颗粒进行迁移，从而造成土工织物的淤堵。

2 试验方案

2.1 试验方法及仪器

试验仪器采用全自动气压固结仪，试验装置示意图见图1。

图1 试验仪器示意图Fig.1 Test instrument schematic

用环刀切取土样或在环刀中填充土样后，将滤膜放置在土样的顶部和底部，滤膜外侧与土接触，进行轴向压缩试验，以模拟塑料排水板滤膜在土中的工作状态。为便于对试验后的滤膜进行垂直渗透试验，采用截面积为5 000 mm2、高度为20 mm的环刀。

轴向压缩荷载可根据需要选取，对于含水率很大、强度很低的土，先施加较小的竖向荷载预压后，再用全自动气压固结仪进行压缩试验。

试验前，滤膜和透水板均需浸水饱和；施加荷载后，将水槽中注满水；试验过程中，在固结容器周围包覆湿棉纱。

2.2 试验土的物理性能

试验用土取自连云港徐圩港区吹填加固区的典型软土，黏粒含量高、含水率高、渗透系数低。土的颗粒组成和物理特性见表1和表2。

表1 试验用土的颗粒组成Table 1 Grain composition of soil in tests%

表2 试验用土的物理性能指标Table 2 Physical properties of soil in tests

2.3 滤膜的特性

试验选取5组常用无纺长丝化纤塑料排水板滤膜，见图2，和1组无纺短丝化纤防淤堵滤膜，见图3。滤膜的物理力学性能见表3。

图2 常用塑料排水板滤膜Fig.2 The common filter fabric of plastic drainage board

图3 防淤堵滤膜Fig.3 The anti clogging filter fabric

表3 滤膜的性能Table 3 Parameters of the filter fabric

与常用滤膜相比，防淤堵滤膜具有以下特点：

1）厚度大，是常用滤膜的2倍左右；

2）单位面积质量大；

3）等效孔径大，且分布相对不均匀；

4）渗透系数大，可达1×10-1cm/s；

5）防淤堵滤膜采用短丝混扎平轧工艺制作，而常用塑料排水板滤膜制作工艺为长丝热轧。

2.4 试验安排

由于土样含水率高达77．2%，抗剪强度低，为防止竖向荷载过大土体挤出，先施加1 kPa、3 kPa、5 kPa 的压力，再施加 12．5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa 垂直荷重，变形稳定标准为0．001 mm/h。

3 试验结果

3.1 土的轴向压缩特性

土样的荷载沉降曲线见图4，随着荷载增大，土样的竖向变形量不断增加。滤膜的垂直渗透系数越大，对应土样的压缩变形量越大，防淤堵滤膜109对应土样的竖向变形量明显大于其他土样。

压缩过程中，土样产生固结，滤膜厚度变化忽略不计，根据试样变形曲线可得各级压力下土的固结系数CV，由于固结系数CV与渗透系数k、压缩系数a、孔隙比e存在如下关系：

图4 荷载沉降曲线Fig.4 Load-displacement curves

可求得各级竖向压力下滤膜与土的综合渗透系数，计算结果见表4，渗透系数小于10-8cm/s，不能用变水头渗透试验求得。对比常规滤膜，防淤堵滤膜和土的综合渗透系数略大，对应土样的固结系数也更大。

表4 滤膜和土的渗透系数Table 4 Permeability coefficient of the filter fabric and soil

试验结束后，土样的孔隙比平均值为0．931，含水率平均值为38．4%，低于试验用土的液限值。

3.2 轴向压缩试验后滤膜的特性变化

轴向压缩试验后的滤膜和土样见图5和图6。滤膜内部嵌入了土颗粒，外侧也黏附了土颗粒，防淤堵滤膜比普通滤膜黏附了更多的土颗粒。

图5 防淤堵滤膜试验后Fig.5 The anti clogging filter fabric after the test

图6 常用滤膜试验后Fig.6 The common filter fabric after the test

试验完成后，立即将滤膜剥下，一部分测定滤膜的垂直渗透系数，一部分滤膜风干后称滤膜及其内部土颗粒总质量，并根据滤膜的初始单位面积质量和厚度计算滞留土量。试验结果见表5，滤膜渗透系数越大，单位面积滞留土量越大，防淤堵滤膜单位面积土颗粒滞留量最大。单位体积滞留土样与其他参数无明显相关性，因此单位面积滞留土量指标更适合评价滤膜的淤堵。

表5 淤堵试验后滤膜的性能Table 5 Parameters of the filter fabric after the test

对比表3，所有滤膜的渗透系数均明显降低，防淤堵滤膜的渗透系数变化最大，降低了一个数量级，但仍然高于普通滤膜。

3.3 与工后塑料排水板滤膜对比

工后塑料排水板滤膜取自连云港徐圩港区真空预压加固区，取样深度为0～-3．5 m，对应样品编号为101和109。该加固区在膜下真空度大于80 kPa条件下预压加固150 d，101工后单位面积滞留土量0．004 g/cm2，109工后单位面积滞留土量0．006 7 g/cm2，略大于轴向压缩试验结果，这是由于工后塑料排水板工作时间长，滤膜两面都黏附了土颗粒，淤堵机理更为复杂。109工后垂直渗透系数为0．010 cm/s，同轴向压缩淤堵试验结果非常接近，说明用轴向压缩淤堵试验评价滤膜的工后渗透系数是可行的。

试验研究发现，轴向压缩淤堵试验滤膜的垂直渗透系数与工后滤膜的垂直渗透系数吻合度高，说明用轴向压缩淤堵试验评价滤膜的工后渗透系数是可行的。

4 结论与建议

本文通过轴向压缩试验研究了塑料排水板在软黏土环境中的淤堵特性。初步结论与建议如下：

1）对于黏性土，常用的梯度比法淤堵试验水头变化缓慢，可以采用本文推荐的轴向压缩淤堵试验法。

2）轴向压缩淤堵试验方法简单、效率高、可研究土工织物在不同压力下的淤堵问题。

3）轴向压缩淤堵试验的滤膜滞留土量、垂直渗透系数与工后塑料排水板滤膜的滞留土量、垂直渗透系数十分接近。淤堵程度的评价标准可采用垂直渗透系数折减程度、单位面积滞留土量等，具体取值还需进行进一步的试验研究。