道路工程评职论文反滤层渗透试验研究

　　1 前 言

　　随着公路工程建设的迅速发展，沿河修建的路基工程越来越多。因此，出现了大量的浸水路基的现象，存在大量路基反滤层失效导致路基产生破坏的现象。本文通过室内试验详细分析了路基反滤层土工织物的工程特性，从微观理论着手进行分析，为工程设计和施工提供理论依据。

　　反滤层常设于土石等材料修筑的堤坝或渗水路基上，在渗流出口设置反滤层保护，是防止土体渗透破坏的最直接和最有效的措施。反滤层的设计原则是满足反滤层的滤土和减压功能要求，根据被保护土的颗粒级配曲线和渗透破坏的形式，选择适宜的反滤料特征粒径。土工织物由于具有优良的力学和水力学特性，目前已广泛应用于水利、土木和环境等工程领域的反滤层设计中。土工织物用作反滤层时，水从被保护土中流过土工织物，水中携带的土颗粒堵塞织物表面孔口，使渗透流量减小，严重时出现淤堵，使滤层失去排水过滤功能，给工程造成严重危害。因此，研究反滤层设计的可靠性具有十分重要的工程意义。同时，如被保护土和反滤料粒径的选择，渗透破坏形式及其适用经验公式的确定等因素常给反滤层设计带来极大的困难。因此，影响土工织物的反滤过程的因素可以归纳为三个方面：(1)土工织物的特性，如土工织物的种类、结构和过滤孔径等;(2)被保护土的性质，如被保护土和反滤料的粒径;(3)反滤系统周边的水文地质条件。

　　目前，国内关于路基工程中土工织物的研究主要有：刘春虹等[1]采用有限元方法对土工织物加固软弱地基路堤的力学机理进行了研究，通过比较路基加筋和未加筋两种情况研究了土工织物的加固机理结果表明土工织物对于提高路堤填筑高度减少路堤侧向位移均化路堤沉降以及加速超孔隙水压力消散有显著的效果。刘金龙等[2]认为土工织物对软土路基的加固有明显的效果可使路堤的安全性提高20 %以上使侧向位移减小15%-25%，土工织物对竖向沉降影响的大小则取决于路堤的宽度及土性参数。黄金林等[3]通过现场测试认为土工织物处理高速公路软土路基能够加快路基的固结、提高路基的抗剪强度、减少路基的竖向变形和不均匀沉降、提高路基的整体稳定性。方伟等[4]认为无纺土工布反滤层等的正确应用是保证路基工程成功的关键。可见，国内在路基工程中关于土工织物的研究主要集中在土工织物的对路基强度和变形的改善方面，在土工织物的透水和淤堵性能方面的研究较少。对土工织物反滤系统的淤堵判定方法，目前国内外普遍采用的是美国陆军工程师团提出的梯度比准则。张爱军等[5]通过对拟用作矿尾坝排水管的透水管进行反滤、淤堵性能试验，确定该管侧壁滤布的透水和反滤特性，并对该坝的排水性能进行判定。段祥宝等[6]采用现场提供的粗砂、瓜子片、基砂和1996年铺设的土工布样品进行了三组整体滤层试验，由试验知土工布下基砂向上淤堵的可能性不大，淤堵基本来自土工布上面渠底的泥沙沉积。可见，土工织物的滤堵特性将极大的影响滤层的排水过滤作用，处理不当会给工程造成严重危害。

　　本文采用一定颗粒浓度的悬浮液进行渗透试验，试验考虑不同的悬浮颗粒大小和浓度情况下，对土工织物和滤砂的渗透性变化特征进行对比分析，并且对悬浮颗粒在土工织物上的沉积特性进行深入研究。

　　2 试验材料和方法

　　试验所用的土工织物的基本参数是：非纺织的针刺土工织物(规格：500g/m2;厚度:0.37cm;抗拉强度：110N·cm-1(纵向)，125 N·cm-1(横向);渗透性0.17cm·s-1;孔隙度，0.61)。

　　利用图1所示的试验装置来研究土工织物和滤砂中细小颗粒的沉积特性。

　　试验设备基本说明如下：该试验圆柱直径400mm，内径90mm，砂土按一定的密度分层压实填入试验圆柱中。供水箱存储PH值为中性的含有一定浓度的悬浮颗粒的浑浊液，定水头装置用来控制流入试验圆柱的水流速度。压力传感器用来量测圆柱进水口和出水口的水压力，可以表征圆柱的水头变化，从而反映渗透系数的变化特征。

　　3 试验结果

　　3.1 利用压汞法测定孔隙结构

　　利用压汞仪上进行土工织物和滤砂的孔隙结构参数的测定。压汞仪是通过加压使汞进入测试样品中，进入样品孔中的孔体积增量所需的能量等于外力所做的功，从而得到压力与注入汞体积之间的关系曲线。通过分析该曲线.可以得到一系列表征样品孔隙特性的参数。压汞仪的加压范围为约为0～400MPa，孔径测定范围：30A～150μm(孔半径)。

　　孔隙分布曲线图是以孔隙直径为横坐标，单位孔隙体积中孔隙数量的多少为纵坐标，单位孔隙体积中孔隙数量的多少由单位质量的土工织物或滤砂中进入的汞的孔隙体积增量转换而来。孔隙长度假设为孔隙织物的厚度。

　　试验选取土工织物和滤砂进行对比试验，分析其孔隙分布特性。从上图可以看出，土工织物的孔隙直径主要分布在10μm-600μm这个区间，这个区间中单位体积的孔隙数量都在4000左右。滤砂的孔隙直径大致分布在70μm-1000μm之间，但孔隙数量远小于土工织物，单位体积的孔隙数量大约为350。由此可以看出，土工织物的孔隙分布不仅很大，而且其孔隙数目远大于滤砂的孔隙数目，其渗透性优于滤砂。

　　3.2不同的颗粒浓度下土工织物和滤砂的渗透性试验

　　1孔隙体积是指流过土柱的水量和含水介质体积之比。一般不以时间t为横轴，因为不同试验含水介质的孔隙体积及流速不同，试验结果可比性差[7]。土工布过滤试验中，在颗粒浓度为0.6g/L和0.9g/L，渗透装置两端的孔隙压力变化很小，小颗粒穿过土工织物而不沉积下来。同样的细小颗粒在同样的浓度和渗透速度下，细小颗粒在滤砂中发生严重的堵塞现象，这是因为土工织物和滤砂的颗粒级配不同造成的。土工织物中大的孔隙较滤砂中的数量多，而且土工织物的孔隙率大于滤砂的孔隙率以及土工织物中的孔隙弯曲程度较小，因此细小颗粒在相对较大的土工织物的孔隙中沉积的可能性很小。在不同颗粒浓度的渗透试验中，土工织物和滤砂的渗透性变化很小，可以认为颗粒浓度对过滤材料的渗透性影响很小，在本试验中可以忽略不计。

　　3.3 不同的颗粒大小下土工织物的渗透特性试验

　　在土工织物的渗透试验中，选取了颗粒大小为10μm，20μm，40μm三种不同大小的颗粒进行试验。从结果可以看出，随着孔隙体积的增大，土工织物的渗透特性先下降，然后趋向于一个稳定的数值。在颗粒直径为10μm和20μm的试验中，土工织物的渗透性很相近。颗粒直径为40μm的渗透试样中，土工织物的渗透性较前两种颗粒大小变化大，这表明直径为40μ的颗粒在土工织物中发生明显的沉积，对土工织物的渗透特性影响很大。

　　4 结论

　　⑴颗粒浓度对土工织物的渗透性的影响很小，可以忽略不计。

　　⑵颗粒大小是影响土工织物渗透性的很重要的影响因素，本试验中最大的颗粒直径应小于40μm，大于40μm的颗粒通过土工织物时会发生严重的沉积现象，从而影响渗透性。

　　⑶和滤砂相比，土工织物有很好的透水特性，土工织物中大的孔隙较滤砂中的数量多，而且土工织物的孔隙率大于滤砂的孔隙率以及土工织物中的孔隙弯曲程度较小，因此细小颗粒在相对较大的土工织物的孔隙中沉积的可能性很小。

　　⑷路基反滤层土工织物的选取时，应根据当该路基填料的颗粒类型和颗粒级配选择合适的土工织物。

　　参考文献：

　　[1] 刘春虹，肖朝昀，王建华，等. 土工织物加固软土路堤的有限元分析[J]. 岩土力学, 2004,25(supp2):325-328.

　　[2] 刘金龙，栾茂田，王吉利，等. 土工织物加固软土路基的机理分析[J].岩土力学，2007，28(5): 325-328.

　　[3] 黄金林，苏相利，唐贵和.土工织物在加固高速公路软土地基中的试验研究[J].铁道建筑，2008，(9): 74-77.

　　[4] 方伟，邸者敏，王志勇.土工织物的曹妃甸海滩路基工程中的应用. [J].水运工程，2005，(3): 79-84.

　　[5] 张爱军,董为民,骆亚生.矿尾坝排水管的反滤、滤堵试验研究[J].防渗技术，2001，7(1): 1-3,17

　　[6] 段祥宝，毛昶熙，吴文君. 江边电排站渠底滤层淤堵破坏及加固研究[J]. 岩土工程学报, 2000,22(1):123-126.

　　[7] 李海明，翟菁，顾晓明，等. 地下咸水储能回灌含水层胶体释放动力学与渗透性变异[J]. 岩土力学, 2010,31(supp2):170-174.