蔡瑛

摘 要：對(duì)于溫州沿海圍墾廣泛分布的灘涂淤泥而言，由于排水板淤堵問(wèn)題等一直使得常規(guī)的真空預(yù)壓地基處理方式不能有效地應(yīng)用于高含水量灘涂淤泥土地基。文章從塑料排水板防淤堵角度出發(fā)，通過(guò)梯度比試驗(yàn)對(duì)普通塑料排水板和整體式排水板的防淤堵效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：含水量；塑料排水板；淤堵；梯度比

中圖分類號(hào)：TU443 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）20-0084-03

1 概述

真空預(yù)壓排水固結(jié)法是沿海地區(qū)進(jìn)行軟基處理的一種有效形式，在這種方法中起主要作用的是塑料排水板，如何使得塑料排水板濾膜保持較好的滲透性能，防止淤堵現(xiàn)象的發(fā)生，是軟基處理能否成功的關(guān)鍵。采用梯度比方法進(jìn)行的室內(nèi)試驗(yàn)是塑料排水板濾膜淤堵性能的測(cè)試與評(píng)價(jià)方法之一，又稱梯度比試驗(yàn)或室內(nèi)淤堵試驗(yàn)。梯度比是具有代表性的淤堵評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，由Calhoun在1972年提出，并被美國(guó)陸軍師團(tuán)（1977）采納修訂為梯度比準(zhǔn)則。由于梯度比試驗(yàn)試驗(yàn)周期相對(duì)較短，操作簡(jiǎn)單，且以室內(nèi)試驗(yàn)為依據(jù)，其結(jié)果較為貼近理想狀態(tài)，因此目前被廣泛應(yīng)用于土工織物淤堵特性測(cè)試中，我國(guó)的《SL/T 235-1999 土工合成材料測(cè)試規(guī)程》[1]和美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）的土工合成材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)《D5101-01： Standard Test Method for Measuring the Soil-Geotextile System Clogging Potential by the Gradient Ratio》[2]中均有相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。

為了使淤堵試驗(yàn)更適合于土工織物在各種環(huán)境條件下的淤堵性能測(cè)試和防淤堵機(jī)理更明朗，多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了很多研究。

Narejo D B等[3]設(shè)計(jì)了動(dòng)荷載作用下的梯度比試驗(yàn)裝置，通過(guò)脈沖水流裝置模擬動(dòng)荷載作用，從而分析動(dòng)荷載作用下土工織物的反濾特性。

Fannin等[4]為了更好地反映土體與排水板濾膜的相互作用，提出了重新設(shè)定梯度比的定義，并將梯度比試驗(yàn)裝置中土-濾膜反濾系統(tǒng)的測(cè)壓孔與出水測(cè)壓孔之間的距離定為8mm。而Gardoni則將其距離定為3mm，對(duì)應(yīng)的梯度比值也做了相應(yīng)的修改。

俞亞南和張儀萍[5]介紹杭州西湖疏浚底泥堆場(chǎng)處理工程中， 曾采用在底泥中埋設(shè)排水濾管， 通過(guò)在濾管中反復(fù)抽氣和吸氣， 以期沖洗淤堵濾層達(dá)到加快排水固結(jié)的效果， 但是由于淤堵問(wèn)題，效果不明顯。

2 實(shí)驗(yàn)原理及計(jì)算公式

2.1 試驗(yàn)原理

梯度比實(shí)驗(yàn)的實(shí)質(zhì)是對(duì)比土工織物與土體構(gòu)成反濾體系中的水頭損失與被保護(hù)土體中的水頭損失，以便分析水體流經(jīng)路徑上的水頭損失及其變化情況，從而進(jìn)一步分析反濾體系的構(gòu)成及淤堵情況。

梯度比試驗(yàn)中對(duì)梯度比概念的定義為：

通過(guò)梯度比便可以來(lái)評(píng)價(jià)土和濾膜構(gòu)成的反濾體系是否發(fā)生了淤堵。水力梯度指的是在含水層中沿水流方向每單位距離的水頭下降值，亦可以理解為水流通過(guò)單位長(zhǎng)度滲流路徑為克服摩擦阻力損失的機(jī)械能，或?yàn)榭朔Σ亮Χ顾砸欢魉倭鲃?dòng)的驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)水力梯度便可以評(píng)價(jià)水在土（濾膜和土構(gòu)成的反濾體系）中的能的損失程度。因此，在試驗(yàn)土樣均勻的條件下，梯度比的值等于1時(shí)說(shuō)明了該反濾體系完全沒(méi)有淤堵，而隨著梯度比的值的增大，土和濾膜構(gòu)成的反濾體系淤堵程度越嚴(yán)重。

2.2 計(jì)算公式

3 室內(nèi)試驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1 試驗(yàn)土樣和濾膜

試驗(yàn)所用土樣取自溫州甌飛一期水閘工程灘涂區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)，取樣深度為地面以下0.5m～1.0m，取回的土樣裝入模型桶內(nèi)。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999）通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)得模型桶內(nèi)不同深度的灘涂淤泥的基本物理性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

本次實(shí)驗(yàn)中，濾膜采用無(wú)紡長(zhǎng)絲化纖的普通塑料排水板的濾膜和無(wú)紡短絲化纖的整體式塑料排水板的濾膜，具體參數(shù)如表2所示。

3.2 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)所采用的梯度比試驗(yàn)裝置，如圖1所示。

本次試驗(yàn)的常水頭出水與進(jìn)水裝置如圖2所示。

本次試驗(yàn)所采用的梯度比試驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖3所示。

3.3 試驗(yàn)方案

本次梯度比試驗(yàn)采用整體式塑料排水板濾膜與普通塑料排水板濾膜兩種不同試樣分別在水力梯度為i=1、i=5、i=7.5、i=10的條件下進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)不同的濾膜試樣和水力梯度，共進(jìn)行8組試驗(yàn)。

每組試驗(yàn)中需讀測(cè)項(xiàng)目為：測(cè)壓管1#、測(cè)壓管2#、測(cè)壓管3#、測(cè)壓管4#、測(cè)壓管5#和測(cè)壓管6#的測(cè)壓水頭值。

每組試驗(yàn)的讀測(cè)時(shí)間間隔為：0.5h、1h、2h、4h、6h、12h、24h。若未達(dá)到試驗(yàn)停止標(biāo)準(zhǔn)，則繼續(xù)每隔24h進(jìn)行讀測(cè)，直至滿足要求。

試驗(yàn)后，根據(jù)讀測(cè)的時(shí)間與測(cè)壓管的水頭值讀數(shù)，采用梯度比計(jì)算公式，計(jì)算并作出相應(yīng)的GR-t曲線，并進(jìn)行研究與分析。

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作

（1）試驗(yàn)前先裁取普通塑料排水板濾膜圓形試樣和整體式塑料排水板濾膜圓形試樣各1張，直徑均為100mm。

（2）將測(cè)壓管和實(shí)驗(yàn)儀器連接的地方用濾膜及細(xì)鐵絲網(wǎng)包住，再用防水膠帶纏繞。

（3）安裝常水頭進(jìn)水和出水裝置，并調(diào)節(jié)高度。

（4）將塑料排水板濾膜圓形試樣放入圓筒玻璃容器內(nèi)。

（5）將淤泥放入圓筒形玻璃容器內(nèi)（濾膜上方），要求靜置穩(wěn)定后土樣高度為100mm。

（6）蓋上容器蓋并進(jìn)行密封，關(guān)閉進(jìn)水裝置的水閥，打開(kāi)玻璃容器上方的排氣閥。

（7）從出水口處緩緩進(jìn)水，直至容器內(nèi)充滿水，并將所有氣泡排出后，關(guān)閉排氣閥。

（8）完成后將試樣靜置2～3天，待土樣沉淀穩(wěn)定后，按照本節(jié)中的設(shè)計(jì)和安排開(kāi)始試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)值。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

5.1 普通塑料排水板濾膜淤堵特性測(cè)試結(jié)果

使用普通塑料排水板濾膜，分別在水力梯度為i=1、i=5、i=7.5、i=10的條件下連續(xù)進(jìn)行了4組梯度比試驗(yàn)，每組測(cè)試時(shí)間計(jì)350小時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的時(shí)間和各測(cè)壓管的水頭讀數(shù)，采用梯度比公式計(jì)算得到各水力梯度下的梯度比，試驗(yàn)GR-t曲線結(jié)果如圖4所示。

由曲線結(jié)果可知：水力梯度i=1時(shí)，梯度比GR值在初期緩慢增長(zhǎng)，在280小時(shí)處達(dá)到了峰值1.7后便呈逐漸緩慢下降趨勢(shì)，無(wú)淤堵情況發(fā)生。

水力梯度i=5時(shí)，梯度比GR值在35小時(shí)處達(dá)到了峰值3.9，之后呈逐漸下降趨勢(shì)，穩(wěn)定時(shí)梯度比GR值為2.8?？梢?jiàn)濾膜與淤泥構(gòu)成的反濾體系工作正常，無(wú)淤堵情況發(fā)生。

水力梯度i=7.5時(shí)，梯度比GR值以較高的速率不斷增長(zhǎng)，且趨于穩(wěn)定，最終測(cè)得結(jié)果為GR=11.5，淤堵情況較為嚴(yán)重。

水力梯度i=10時(shí)，梯度比GR值變化較大，試驗(yàn)初期便以極高的速率增長(zhǎng)，并在45.5小時(shí)處達(dá)到了峰值21.2，此后梯度比值雖然有所下降，但最終又呈上升的趨勢(shì)，趨于穩(wěn)定，最終測(cè)得的梯度比GR值為14.2，淤堵現(xiàn)象非常嚴(yán)重。

5.2 整體式塑料排水板濾膜淤堵特性測(cè)試結(jié)果

以整體式塑料排水板濾膜作為過(guò)濾材料，分別在水力梯度為i=1、i=5、i=7.5、i=10的條件下進(jìn)行了4組梯度比試驗(yàn)，每組測(cè)試時(shí)間計(jì)770.9小時(shí)，讀測(cè)停止標(biāo)準(zhǔn)同樣依據(jù)上述規(guī)定執(zhí)行。

據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的時(shí)間和各測(cè)壓管的水頭讀數(shù)，采用梯度比公式計(jì)算得到各水力梯度下的梯度比，試驗(yàn)結(jié)果如圖5中GR-t曲線所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知：水力梯度i=1時(shí)，梯度比GR值緩慢增長(zhǎng)并在119小時(shí)處達(dá)到峰值5.44，之后趨于穩(wěn)定，由此可見(jiàn)淤泥與濾膜組成的反濾體系失效，淤堵現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

水力梯度i=5時(shí)，經(jīng)過(guò)了265.3小時(shí)的試驗(yàn)，梯度比GR值先下降至最低值1.556（3.5小時(shí)處）后，以較高的速率遞增，趨于穩(wěn)定，最終測(cè)得數(shù)據(jù)為22.35，淤堵現(xiàn)象極其嚴(yán)重。

水力梯度i=7.5時(shí)，梯度比GR值呈下降-上升-下降趨勢(shì)，最終測(cè)得GR值為5.563。

水力梯度i=10時(shí)，梯度比GR值總體穩(wěn)定，在529.9小時(shí)處達(dá)到峰值7.889，隨后不斷降低，并趨于穩(wěn)定，最終測(cè)得GR值為6.6，仍有淤堵現(xiàn)象。

5.3 兩種塑料排水板濾膜淤堵特性對(duì)比分析

由于兩種塑料排水板濾膜在不同水力梯度下的淤堵試驗(yàn)均為連續(xù)測(cè)試，因此根據(jù)測(cè)試結(jié)果，作出兩種塑料排水板濾膜的梯度比試驗(yàn)連續(xù)GR-t曲線并進(jìn)行分析，如圖6所示。

（1）按梯度比測(cè)試時(shí)段分析

由試驗(yàn)結(jié)果可知：試驗(yàn)初始階段，兩種塑料排水板濾膜梯度比GR值均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。兩種塑料排水板濾膜梯度比曲線在t=687處相交，因此試驗(yàn)開(kāi)始至687小時(shí)范圍內(nèi)，普通塑料排水板濾膜的防於堵能力優(yōu)于整體式塑料排水板濾膜，而在687小時(shí)以后，普通塑料排水板濾膜的防於堵能力劣于整體式塑料排水板濾膜。

（2）按水力梯度條件分析

在相對(duì)較低的水力梯度環(huán)境下（i=1、i=5），普通塑料排水板濾膜與淤泥構(gòu)成的反濾體系工作良好，在每一級(jí)的水力梯度下，GR值最終均趨于穩(wěn)定，無(wú)淤堵情況發(fā)生，在相對(duì)較高的水力梯度環(huán)境下（i=7.5、i=10），整體式塑料排水板濾膜與淤泥構(gòu)成的反濾體系逐漸發(fā)揮作用，所測(cè)得的梯度比GR值從峰值14降低至7，且最終趨于穩(wěn)定，雖然仍有淤堵情況發(fā)生，但相比在低水力梯度的環(huán)境下已大為改善，且此時(shí)整體式塑料排水板濾膜的反濾整體式情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于普通塑料排水板濾膜。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）試驗(yàn)中采用的灘涂淤泥，其特點(diǎn)是土顆粒細(xì)小，組成成分均勻，顆粒間粘度高，滲透性較小，因此在試驗(yàn)過(guò)程中不管使用哪種濾膜，試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)且均出現(xiàn)了較嚴(yán)重的淤堵。

（2）在較低的水力梯度（i=1、i=5）的條件下，普通塑料排水板濾膜與灘涂淤泥構(gòu)成的反濾體系工作正常，無(wú)淤堵現(xiàn)象發(fā)生；而整體式塑料排水板濾膜與灘涂淤泥構(gòu)成的反濾體系失效，淤堵較為嚴(yán)重，但隨著水力梯度的增大，整體式塑料排水板濾膜的反濾整體式效果有了改善，普通塑料排水板濾膜開(kāi)始出現(xiàn)淤堵趨勢(shì)。

（3）在較高的水力梯度（i=7.5、i=10）的條件下，普通塑料排水板濾膜與灘涂淤泥構(gòu)成的反濾體系失效，淤堵現(xiàn)象極其嚴(yán)重，水力梯度越高，淤堵越顯著；反濾體系隨著水力梯度的增大，大大改善了原本在低水力梯度環(huán)境下的淤堵現(xiàn)象。

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