排水板濾膜加固軟基效果模型試驗研究

嚴馳，崔士平，郭偉峰

（天津大學，天津　300072）

排水板濾膜加固軟基效果模型試驗研究

嚴馳，崔士平*，郭偉峰

（天津大學，天津300072）

摘要：真空預壓加固軟基時，塑料排水板以方便施工、質量穩定、可批量生產等優勢被廣泛用作豎向排水通道。然而包裹在排水板外起過濾作用的濾膜種類繁多，性能差別大，為探究不同類型排水板濾膜對真空預壓加固軟基效果的影響，設計了室內單井模型試驗，對3種排水板濾膜進行研究。結果表明：土體在真空作用下排水固結時，滲徑越短、土粒孔隙越暢通、濾膜滲透性越好，加固效果越理想；等效孔徑較大的排水板濾膜抗淤堵能力強，加固效果好；纖維強度較高的排水板濾膜抵抗受力變形能力強，抗淤堵性能好；加固過程中，豎向排水體附近土粒發生流失，濾膜孔徑越大、距離濾膜越近土粒流失越多。

關鍵詞：排水板濾膜；模型試驗；加固效果；淤堵；保土性

中圖分類號：U655.544.4；TU472.1

文獻標志碼：A

文章編號：2095-7874（2015）03-0021-08

doi：10.7640/zggWjs201503004

收稿日期：2014-12-18修回日期：2015-01-20

作者簡介：嚴馳（1959—），女，湖北黃梅人，教授，碩導，研究方向為軟土工程性質、地基處理。

通訊作者：*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

真空預壓法是利用真空加快土體排水固結，提高地基承載能力的一種被廣泛應用于港口、碼頭、公路以及沿海地區吹填土加固的軟基處理方法[1-3]。以土工合成材料中具有良好透水性和過濾性、工程應用最廣、產量最高的土工織物作為外包濾膜的塑料排水板在真空預壓中作為較理想的豎向排水體以其施工方便、質量穩定、加固效果好等優點被廣泛采用[4-5]。然而塑料排水板外包濾膜根據原材料及生產方式的不同可分為多種類型，不同類型的排水板濾膜性能差別較大，因此，具有不同類型外包濾膜的塑料排水板應用于真空預壓時產生的效果也有較大差別[6]。

目前，國內外關于塑料排水板在真空預壓中應用的研究，主要圍繞間距選擇、打設深度、施工工藝、井阻及涂抹作用等方面；對排水板濾膜的研究主要針對其自身淤堵判斷、滲透性能等特性展開，關于排水板濾膜對真空預壓效果影響的研究開展較少[7-10]。基于上述情況，設計了室內真空預壓單井模型試驗，對3種不同類型的排水板

濾膜進行試驗研究，分析其對真空預壓固結過程及最終效果的影響。

1　基本思路

用3種等效孔徑具有明顯差異的排水板濾膜做成豎向排水體，分別進行真空預壓單井模型試驗，通過對試驗過程中各類數據的監測以及試驗后加固效果的檢測，分析各類型排水板濾膜對真空預壓的影響。塑料排水板橫截面為長方形而試驗用模型桶為圓柱形，為避免二者橫截面形狀差異對試驗結果造成不利影響，同時為使豎向排水體可以隨土體沉降而壓縮變形，采用圓柱形鐵絲彈簧做內撐外包排水板濾膜的辦法制作豎向排水體，如圖1。所選用的3種排水板濾膜等效孔徑如表1，為方便理解分別稱為防淤堵膜、增強膜和普通膜，其中增強膜纖維力學強度明顯高于另外兩種膜。

圖1　豎向排水體實物圖Fig.1 Verticaldrainage channel

表1　各類型排水板濾膜等效孔徑Table 1 Equivalentaperture ofeach filtration fabrics　μm

試驗擬分析二維平面問題，即僅考察土體在徑向上的加固效果差異，因此，模型桶中不設水平排水層，使真空僅從豎向排水體向四周傳遞。

2　模型試驗的實施

2.1試驗方案

為達到試驗目的，每組試驗3個尺寸為：直徑×高= 38 cm×28 cm的圓柱形模型桶對同一種豎向排水體進行平行試驗，豎向排水體置于模型桶中心位置，周圍填筑試驗土樣，泥面與豎向排水體等高，為25 cm。豎向排水體直徑通過公式（1）確定為2.5 cm，

式中：dw為豎向排水體直徑，cm；de為排水體徑向有效加固范圍直徑，cm；n為井徑比，取15。

各試驗模型桶用塑料布密封并通過尼龍管與其前端的小型儲氣罐連接（小型儲氣罐起儲存真空和水氣分離作用），通過3個小型儲氣罐罐身視窗可監測試驗中各模型桶排出水量。3個小型儲氣罐又與連有2臺真空泵的大型儲氣罐相連。整套模型試驗裝置見圖2，原理示意見圖3。此外，用真空表監測儲氣罐及模型桶中真空度的變化；在距離模型桶底12 cm平面內布設4個微型孔壓計，通過數據采集系統記錄土體孔壓變化，4個孔壓計與豎向排水體的距離分別為0 cm、5 cm、10 cm和15 cm，具體分布見圖4；通過測深游標卡尺對距離豎向排水體1 cm、8 cm及15 cM3個區域進行沉降監測，為便于后續闡述，3個區域分別稱為中心、過渡段和邊緣，每個區域選3個點，具體分布見圖5。

圖2　模型試驗裝置實物圖Fig.2 TestModel installation

圖3　原理示意圖Fig.3 Principle diagram

圖4　孔壓計布設位置Fig.4 Positionsof porewater pressure sensors

圖5　沉降監測點位置Fig.5 PositionsofMeasuring settleMent

試驗土樣由天津港和溫州兩地土拌合而成，具體指標見表2。

表2　試驗土樣性質Table 2 Basic propertiesof testsoil

2.2試驗內容

試驗時，連續抽真空2 300 min以上，通過真空表監測膜下真空度變化，通過接有孔壓計的數據采集系統記錄土體內部孔壓發展情況，每隔一定時間量測泥面沉降量，通過小型儲氣罐視窗記錄各模型桶出水量。為反映加固效果分別對試驗前后距離豎向排水體0～5 cm、5～10 cm及10～ 15 cm區域土體的含水率和微型十字板剪切強度進行測試；為評價各種排水板濾膜試驗中保土性能，對試驗后距離豎向排水體0～0.5 cm、0.5～1 cm及1～2 cm區域的土體進行顆粒分析。針對每種類型豎向排水體得出的數據進行對比分析，總結規律，探究各類型排水板濾膜對真空預壓的影響情況。

2.3試驗現象

試驗初始階段，儲氣罐及各模型桶內真空度迅速上升，很快達到90 kPa左右，塑料布快速收縮貼在泥面上。孔壓計讀數下降較快，特別是0 cm位置處孔壓計讀數下降值較大。但尼龍管中并沒有水排出，該階段抽出的主要是儲氣罐、泥面與塑料布之間以及豎向排水體內的空氣。

隨著試驗的進行，真空度進一步提高并穩定下來；0 cm位置處孔壓維持短暫穩定后開始回升，其他3個位置處孔壓繼續下降，但下降速度逐漸變緩慢；尼龍管內開始有水流出，出水量較大；泥面開始沉降，并且速度較快，沿徑向向外，沉降量逐漸變小。

試驗后期，真空度維持在最大值不變。0 cm位置處孔壓顯著增加，另外3個位置處的孔壓緩慢減小。尼龍管間斷性出水，出水量極小。泥面沉降速度緩慢，基本維持穩定，整個模型桶中泥面呈凸面向下漏斗狀。

3　試驗結果分析

對每組試驗中3個平行模型桶的數據取平均值，得到相應類型排水板濾膜的試驗結果，分析如下。

3.1真空壓力分析

各組試驗的膜下真空度隨時間變化如圖6。由圖可知，試驗開始后膜下真空度迅速上升，10 min內達到90 kPa；隨后緩慢增加，最大增幅不足5 kPa，200 min后達到最大值，并維持穩定直到試驗結束。3組試驗膜下真空度最大值略有差別，增強膜組膜下真空度最大，另外兩組真空度曲線交叉，數值相近。

圖6　膜下真空度-加固時間關系曲線Fig.6 VacuuMdegree curvesover tiMe

試驗初始階段，2臺抽氣速率為4 L/s的真空泵同時工作，而4個儲氣罐的總容積為135 L，模型桶及尼龍管中空氣體積較小，所以真空泵可以短時間內將多余空氣抽出，膜下真空度迅速上升；雖然試驗前用PVC塑料布對模型桶盡量做好密封，但是各組試驗中不可避免的存在局部微小漏氣點，導致各組試驗膜下最大真空度存在差異，但是最大差值低于3 kPa，可以忽略其對真空預壓結果的影響。

3.2沉降量分析

真空加固過程中，每組試驗3個區域的沉降情況如圖7所示。由圖可知，隨加固時間的延續沉降量不斷增加，試驗初始階段沉降速度較快，

前300 min內各模型桶中沉降量已達總沉降量的30％ ～50％，隨后，沉降速度逐漸減小，試驗最后480 min內各組土體沉降量僅為總沉降量的7％ ～ 11％；每組試驗沉降量沿徑向向外不斷減小，各測點最終沉降量見表3。由表3可知，雖然每組試驗的中心、過渡段及邊緣3個區域徑向間距相等，但是中心區域與過渡段的沉降差值為5 mm左右，而過渡段與邊緣沉降差超過10 mm，試驗結束后各模型桶內泥面呈凸面向下漏斗狀。

圖7　沉降量-加固時間關系曲線Fig.7 SettleMent curvesover tiMe

表3　各組試驗土體最終沉降量Table 3 SettleMent value ofeach points　mm

真空加固初始階段，土顆粒間孔隙較大，排水板濾膜滲透性好，孔隙水滲流通道暢通，在真空作用下土體易發生排水固結，因此試驗初期沉降量發展較快。隨著加固時間的延長，土體不斷排水固結，孔隙體積逐漸減小，孔隙水在土體內的滲流阻力增加，同時排水板濾膜經過一段時間的滲流后，其孔隙通道易被細小土顆粒填塞，發生不同程度的淤堵，滲透性下降，導致土體排水固結困難，沉降速度變慢；在徑向上，距離豎向排水體越近的土體，固結時孔隙水滲流路徑越短，滲流阻力也越小，因此，模型桶中距離排水體最近的中心區域土體排水固結效果好，沿徑向向外排水固結程度逐漸減弱；土體排水固結從中心向四周逐漸展開，中心區域土體先發生排水固結，隨后過渡段及邊緣土體開始固結，因此，邊緣區域土體固結時，其孔隙水的排出不僅滲流路徑長，而且由于前面區域土體已經發生固結甚至固結度發展較大，導致滲流通道減小，孔隙水排出阻力增加，固結困難，因此邊緣區域與過渡段和中心區域沉降差較大。

對比3組試驗沉降曲線可知，防淤堵膜、增強膜在3個區域的沉降量均比普通膜大；增強膜在中心及過渡段沉降量大于防淤堵膜，而在邊緣區域低于防淤堵膜。

試驗用土樣黏粒含量高，土體排水固結時，細小顆粒隨孔隙水一起運動，到達排水板濾膜處，部分顆粒可以隨水流穿過濾膜而排出，但仍有部分土顆粒滯留在濾膜孔隙內部或者嵌入在濾膜表面孔隙中，造成排水板濾膜淤堵，滲透性降低，影響土體排水固結。防淤堵膜和增強膜的等效孔徑比普通膜大，細小土顆粒容易通過，不發生明顯淤堵；增強膜纖維強度較防淤堵膜大，當受到周圍壓力作用時，纖維抵抗變形能力強，而強度較低的防淤堵膜纖維容易在周圍壓力作用下糾纏抱合得更厲害，改變了原來孔隙特征，滲透性降低，因此，雖然防淤堵膜自然狀態下等效孔徑大于增強膜，但是在壓力作用下，其滲透性降低較大，中心及過渡段固結沉降量小于增強膜；增強膜滲透性較大且穩定性好，其周圍土體排水固結迅速，當該濾膜邊緣區域土體排水固結時，由于其前方區域土體已經完成較大固結，孔隙通道大大減小，孔隙水排出困難，因此，邊緣區域固結沉降較防淤堵膜小。

3.3出水量分析

圖8為固結過程中各組試驗模型桶出水量隨時間變化關系，由圖可知，試驗初期出水量較大，150 min出水量達到最終出水量的40％左右，隨時間延長，出水速度逐漸變慢，水量呈階梯型增加，最后水量基本維持不變；加固過程中，防淤堵膜和增強膜出水量明顯高于普通膜，最終出水量差值在200 mL左右；防淤堵膜與增強膜在500 min前曲線交叉，出水量接近，500 min后，增強膜水量明顯高于防淤堵膜，最終出水量差值為135 mL。

試驗初期，土體孔隙體積大，孔隙水滲流通道暢通，固結速度快，出水量較大；隨固結的發展，孔隙體積減小，孔隙水滲流阻力增大，水量

需要一段時間積累才能排出模型桶，水量呈階梯型增加；防淤堵膜和增強膜孔徑較大，抗淤堵能力強，孔隙水排出較快；增強膜抵抗壓力變形能力高于防淤堵膜，因此在500 min后出水速度明顯高于防淤堵膜，試驗后期，兩種膜出水量差值呈減小趨勢，最終出水量差值僅為135 mL，這與上文闡述的增強膜邊緣區域固結效果低于防淤堵膜有直接關系。

圖8　出水量-加固時間關系曲線Fig.8 Water yield curvesover tiMe

3.4孔隙水壓力分析

圖9為各類型排水板濾膜加固軟基過程中模型桶內距離其不同位置處土體孔隙水壓力變化曲線。由圖可知，試驗開始后3種濾膜外0 cm位置處孔壓迅速降低到較大負壓值，隨后回升，回升過程中有跳躍式下降時刻；其他3個位置處孔壓在試驗初期下降較快，500 min孔壓降低值達到最大降幅的40％ ～60％，孔壓降低速度隨時間逐漸變慢，最后孔壓趨于穩定；沿徑向，從中心到邊緣孔壓降低幅度逐漸變小。

圖9　膜外孔壓-加固時間關系曲線Fig.9 Pore pressure curvesofMeMbrane

試驗初期，排水板濾膜滲透性好，滲透系數明顯高于土體，真空迅速傳遞到0 cm處，孔壓計讀數下降較快，試驗一段時間后，排水板濾膜逐漸被淤堵，滲透性不斷降低，0 cm位置孔壓持續回升，針對孔壓在某些時刻跳躍式下降的現象，筆者認為細小土粒穿過濾膜或者滯留在濾膜內部都是動態發展的過程，當孔壓計所對應濾膜區域中細小顆粒流出濾膜或者運動到濾膜其他區域，真空度會突然傳遞到孔壓計位置，導致孔壓跳躍式下降；試驗初期，土體尚未發生真空固結，孔隙較大，真空在土體內傳遞阻力小，其他3個位置處孔壓下降較快，隨著真空固結的發生，土體變得密實，真空傳遞越來越困難，孔壓下降速度逐漸變慢；距離真空源即豎向排水體越遠位置，真空度傳遞需要克服的土體阻力越大，損失越多，因此，沿徑向向外，孔壓降幅逐漸減小。

圖10為3種排水板濾膜外相同位置處孔壓變化曲線，由圖10可知，0 cm位置處，防淤堵膜孔壓極短時間內下降到-88 kPa，隨后在該值附近波動，340 min左右孔壓值開始回升，且回升速度由慢變快；增強膜孔壓極短時間內降到-72 kPa，后繼續下降，460 min達到最低值-86 kPa，后孔壓值開始回升，回升曲線相比防淤堵膜較平緩；普通膜孔壓在短時間內僅下降到-37 kPa，之后下降速度緩慢，380 min后孔壓整體呈現回升趨勢。5 cm和10 cm位置3種膜外孔壓變化規律較明顯，防淤堵膜和增強膜外孔壓明顯低于普通膜，500 min前防淤堵膜孔壓低于增強膜，之后兩膜外孔壓接近，后隨時間發展，增強膜孔壓明顯低于防淤堵膜，從5～10 cM3種膜孔壓差值逐漸變小，到15 cm位置3條孔壓曲線相互交織，已經沒有明顯規律。

圖10　不同濾膜外各位置孔壓變化曲線Fig.10 Pore pressure curvesatdifferentposition away froMeach MeMbrane

防淤堵膜與增強膜等效孔徑較普通膜大很多，滲透性好，因此試驗開始短時間內0 cm位置處孔壓即可下降到負值接近真空度值，并且防淤堵膜滲透性優于增壓膜，孔壓降低值較增強膜大；隨著加固的進行，兩種濾膜發生不同程度的淤堵，滲透性開始降低，孔壓回升，防淤堵膜孔壓回升較快，說明其淤堵發生的程度較嚴重，而增壓膜纖維抵抗受力變形能力強，抗淤堵能力優于防淤堵膜，孔壓回升相對緩慢。普通膜孔徑小滲透性差，短時間內已經發生淤堵，孔壓下降困難，并且較早開始回升。由于濾膜的淤堵導致真空度在豎向排水體處已經發生局部損失，濾膜淤堵程度的不同導致真空度損失也存在差異，對于土體而言，中心處真空壓力的不同，直接影響周圍土體孔壓降低幅度，防淤堵膜及增強膜孔徑大，抗淤堵能力始終高于普通膜，真空度在濾膜處損失小，因此土體各位置處孔壓下降幅度較普通膜大；防淤堵膜初始狀態等效孔徑大于增強膜，因此500 min前，5 cm、10 cm兩個位置處孔壓降低值大于增強膜，隨加固時間延長，濾膜發生淤堵，增強膜纖維抵抗壓力變形能力強，發生淤堵程度較防淤堵膜輕，因此500 min后，5 cm、10 cm處孔壓降低幅度較大；土體某位置處孔壓降低是由真空負壓所引起，而真空度的傳遞受濾膜處局部損失和土體內沿程損失兩種因素影響，在土體內部傳遞距離越遠沿程損失帶來的影響就越大，3種濾膜外距離中心越遠的位置處，土體孔壓降低差異受真空度在濾膜處局部損失的影響就越弱，因此3種濾膜在相同位置處孔壓差值沿徑向向外逐漸減小。

3.5加固效果評價

為評價不同類型排水板濾膜對土體真空加固效果的影響及同種濾膜外徑向加固效果差異，對試驗前后模型桶內距離豎向排水體不同區域土體的含水率及微型十字板剪切強度進行測試，結果見表4。

表4　土體加固前后含水率及十字板剪切強度變化Table 4 Water contentsand vane strength before and after the experiMent

由表4可知，土體初始含水率為55％，試驗前，微型十字板無讀數，加固后含水率明顯降低，十字板強度顯著提高，且距離豎向排水體越近含水率降低越多，微型十字板強度提高越大，說明與豎向排水體距離越近的土體加固效果越好；加固后，防淤堵膜與增強膜在各區域含水率均比普通膜低，微型十字板強度都高于普通膜；在0～5 cm和5～10 cm兩個區域，增強膜的含水率低于防淤堵膜，十字板剪切強度高于防淤堵膜，即增強膜加固效果優于防淤堵膜，而在最外圍的10～15 cm區域，增強膜加固效果則低于防淤堵膜。

各類型排水板濾膜加固效果及膜外各區域變化規律與前文分析內容相符。距離豎向排水體近的土體固結時孔隙水排出滲徑短，真空度傳遞迅速，易于排水固結，加固效果好；防淤堵膜與增強膜等效孔徑大，抗淤堵能力強，加固效果優于普通膜；增強膜纖維抵抗變形能力強，抗淤堵性能高于防淤堵膜，因此大部分區域加固效果好，但對于邊緣區域土體，由于其前方土體發生較大固結，因此孔隙水排出困難，加固效果低于防淤堵膜。

3.6保土性能評價

為考察各類型排水板濾膜加固后不同區域土顆粒流失情況，對試驗后距離排水板較近區域內土體進行顆粒分析。

圖11為同種濾膜外不同區域顆粒分布曲線。由圖可知，防淤堵膜和增壓膜外顆分曲線規律明顯，除0～0.5 cm與0.5～1 cm兩區域顆分曲線在左側有短暫交叉外，整體上0～0.5 cm顆分曲線最低，0.5～1 cm顆分曲線處在中間，1～2 cm顆分曲線最高。曲線越低表明小于某粒徑土顆粒含量越少，即小于該粒徑土顆粒流失越多，兩曲線左側交叉說明較大粒徑顆粒含量接近。普通膜顆分曲線無明顯規律，0～0.5 cm曲線左側較高，中間區段最低，說明大粒徑顆粒含量較高，低于中間粒徑的較小顆粒流失較多。防淤堵膜外相鄰兩個區域粒徑小于0.005mm土顆粒流失量差值大于3％；增強膜外相鄰兩個區域粒徑小于0.005mm土顆粒流失量差值在2％左右；普通膜外相鄰兩個區域粒徑小于0.005mm土顆粒流失量差值小于1％。

圖11　膜外土體顆分曲線Fig.11 Soilparticlessize grading curve ofMeMbrane

圖12為膜外相同區域，不同類型排水板濾膜顆分曲線對比，由圖可知，3種濾膜在膜外0～0.5 cm范圍內顆分曲線差別最明顯，0.5～1 cm區域次之，1～2 cm區域差別很小。0～0.5 cm區域防淤堵膜曲線位置最低，說明該種濾膜在此區域土體流失最嚴重，比較粒徑小于0.005 mm土顆粒流失量，防淤堵膜比增強膜多流失2.07％，比普通膜多流失5.36％；增強膜與普通膜顆分曲線左側相交，右側增強膜較低，說明0～0.5 cm區域增強膜外較小顆粒流失量比普通膜多，而較大顆粒含量相近。0.5～1 cm區域顆分曲線分布規律與前一區域相似，只是土粒流失差值變小，比較粒徑小于0.005 mm顆粒流失量，防淤堵膜比增強膜多流失1％，比普通膜多流失2.98％；1～2 cm區域顆分曲線無明顯差別，各粒徑顆粒含量相近。

4　結語

對比分析3種類型排水板濾膜真空預壓模型試驗數據，得到如下結論：

1）利用真空加固軟基，土體的排水固結受排水板濾膜滲透性和土粒孔隙通道暢通程度影響。排水板濾膜滲透性良好，土粒孔隙暢通，滲徑較短時土體易于排水固結。

2）距離豎向排水體較遠處土體固結時，其前方土體已發生較高程度固結，滲流通道不暢通，

固結效果差。故真空預壓中應適當控制加荷速度。

圖12　膜外不同范圍內不同濾膜顆分曲線Fig.12 Soilparticles sizegrading at differentarea away froMeach MeMbrane

3）等效孔徑較大的防淤堵膜和增強膜抗淤堵能力明顯高于普通膜，加固軟基效果較好。

4）增強膜纖維力學強度高，在周圍壓力作用下，抵抗變形能力強，濾膜孔隙不易收縮，加固效果比孔徑更大的防淤堵膜還好。

5）在加固過程中，豎向排水體附近土顆粒發生流失，且距離排水體越近土粒流失量越大；防淤堵膜土粒流失最嚴重，增強膜次之，普通膜保土性最好。

6）雖然防淤堵膜和增強膜的保土性不如普通膜，但土粒流失量并不大。建議工程中，在滿足保土性要求的前提下，盡量選擇外包濾膜孔徑較大、纖維強度較高塑料排水板。

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