超软基加固过程中排水板滤膜等效孔径的研究-大学生创新性实验计划项目结题报告

1、天津大学国家大学生创新性实验计划项目结题报告超软基加固过程中排水板滤膜等效孔径的研究 指导教师： 严驰 项目组成员：许红师、胡炜、胡珅榕、桑耀阳目 录一、课题背景及简介21.1课题简介21.2小组成员21.3课题研究背景21.4人员分工情况3二、课题具体研究内容42.1 项目可行性分析 42.2研究目标 42.3研究方法和技术路线 42.4研究内容 4 2.4.1现场原位十字板实验4 2.4.2电镜扫描实验9 2.4.3不同土样的颗分曲线分析19 2.4.4固结实验24 2.4.5正常滤膜不同程度淤堵后的渗透系数试验29 2.4.6保土性分析31 2.4.7项目成果总结32三、实验感想33超软

2、基加固过程中排水板滤膜等效孔径的研究指导老师：严驰项目成员：许红师、胡炜、胡珅榕、桑耀阳摘要：通过现场工程试验和实验室模拟试验的分析对比，表明滤膜的淤堵是造成加固效果差的一个主要因素，而滤膜等效孔径的大小是个值得研究的问题。本项目通过现场原位十字板实验、电镜扫描实验、渗透实验、固结实验以及对排水板滤膜附近不同位置泥皮的颗粒分析实验的研究，发现排水板的滤膜孔径并不是越小越好。过小的滤膜孔径会堵塞排水通道，过大的滤膜孔径会导致土体的大量流失，所以在实际工程中应掌握好这个平衡，确定合理的滤膜孔径，从而获得更好的加固效果。关键词：排水板滤膜等效孔径、固结实验、颗粒分析实验一、 课题背景及简介 1.1课

3、题简介本课题原由2007级本科生燕翔负责，由于面临毕业等问题，于2011年10月变更为许红师组继续进行研究。本项目拟通过一系列室内室外实验的分析，对超软基加固过程中排水板滤膜等效孔径进行研究。1.2小组成员2009级水利水电工程：许红师、胡炜、桑耀阳2009级港口航道与海岸工程：胡珅榕1.3课题研究背景塑料排水板在处理饱和软粘土地基中，主要作为垂直排水通道，缩短渗径长度，加快土体排水固结，提高地基的承载力，加速地基的沉降变形，减少使用期之后沉降的发生。排水板作为垂直排水通道加固软土地基在我国已取得许多工程经验和研究成果。此外，排水板在地基工程中还具有抗震减灾、保护环境、加筋补强、水平排水以及护

4、坡等功效。在以往地基处理工程中，排水板的外层土工滤膜孔径过小，理论上认为孔径较小可以有效的防止土体流失，但实际效果不好，含细小土颗粒的水通过孔径后，会使一部分颗粒堵塞孔径，造成淤堵现象，阻碍水体渗透。最终导致土体加固效果差的现象。塑料排水板的滤膜等效孔径的大小将直接影响到地基加固效果。目前，现行塑料排水带地基设计规程规定：小于0.075mm的滤膜是合格的，大于则属于不符标准。而在大连、连云港、温州等地，土中粘粒含量较高时，按此规范采取的的地基加固措施，加固效果往往达不到设计要求，而需要二次加固。经过分析对比后，滤膜的淤堵可能是造成加固效果差的一个主要因素，为此，拟采用工程实地试验和室内模拟试验

5、的方法对此进行研究，以期从试验结果及理论分析中对这一工程中急待解决的问题，探寻解决的方法。1.4人员分工情况 许红师：作为负责人，联系和沟通指导老师、组内成员，查找并整理资料，组织试验，规划时间，设计试验，最终进行整体总结，写成论文； 胡 炜：查找并整理资料，参与实验，记录数据，论文编写； 胡珅榕：搜集资料，参与实验，数据处理与分析并绘制电子图表，论文编写； 桑耀阳：参与实验，搜集资料、制作答辩ppt。完成项目的过程中，指导老师严驰给予了很多的指导，并按期检查项目完成的情况，制定详细的进度安排。二、 课题具体研究内容2.1 项目可行性分析采用排水板改善饱和黏土固结速率已经在我国工程上有广泛的应

6、用，但是还不完善。试验随现场的施工而进行的数据的采集，工程的顺利进行将保证实验的可完成性。找出在施工过程中排水板孔径和排水效率的关系。运用现场试验得到的数据对室内模型试验数据进行对照和修正。经过我们的实验研究，定可以完善及推动这一地基处理方法，并为塑料排水板检测规范的修订提供科学的依据。2.2研究目标通过现场工程试验和实验室模拟试验的分析对比，表明滤膜的淤堵是造成加固效果差的一个主要因素，本次研究旨在寻求排水板滤膜孔径大小和排水效率的最优组合，以期解决实际工程中由于土中粘粒含量高时，地基排水加固的效果达不到设计要求这一急待解决的问题。2.3研究方法和技术路线本项目采用现场试验与室内试验相结合的

7、方法，从现场加固效果以及室内实验多角度分析论证等效孔径较大的滤膜排水效果更好。2.4研究内容2.4.1现场原位十字板实验十字板剪切试验是目前测定真空预压地基土强度的一种很普遍的方法，由于现场土样含水率较大，强度较低，想要应用直剪或三轴剪切试验测定土体强度要求在不扰动土体结构的前提下取得土样，这显然是比较困难的。十字板原位剪切试验操作简单，适宜测定强度不大而又难以取得原状土样的的正常压密或者轻度超压密的饱和粘性土等土体的天然强度。十字板剪切仪的构造简单，操作方便。由测量扭力设备、钻杆和十字板头三部分组成，如图2.1所示。图2.1 十字板剪切仪构造图现场针对三种不同的塑料排水板真空预压加固区域，为

8、了检验不同排水板一期插板的加固效果，在一期与二期插板期间与港湾设计院合作在试验区进行原位十字板试验，每种排水板的加固区域随机选择6个点，共计18个位置的不同深度处分别做十字板剪切试验。图2.2为现场十字板试验照片。图2.2 现场十字板试验在计算十字板剪切强度时，需作如下假定:假定破坏面上得剪应力是均匀分布的，且破坏面为十字板在土体中旋转的圆柱型表面，土体破坏是突然破坏而不是逐渐破坏。满足以上条件时，可以按下面的公式计算十字板剪切强度。两端剪应力为均匀分布的矩形十字板： （2-1）两端剪应力为三角形分布的矩形十字板： （2-2）式中：T为扭矩，单位是kgcm;D为十字板的直径，单位为cm。工程实

9、际一般用式（2-1）计算，式（2-2）的计算值比式（2-1）大3.5%左右。由Henchy塑性理论可知，对于的土体，扭矩T是与十字板翼片数量n有关的，随n的减少而增大。法伦特由此推导出如下公式： （2-3）用n=3、6的两种十字板分别做剪切试验，联立代入上式可以求得和。假定十字板剪切试验的土体破坏面为十字板的旋转圆柱形表面，十字板转动方向为顺时针，水平力正交于轴杆所在垂直面。当满足上述假设条件时，由如下计算公式： （3-9）式中：c为内聚力。计算时采用D相同而H不同的两种十字板剪切仪做剪切试验，代入上式联系方程可以求解c、的值。(1)含水率观测在临港工业区真空预压试验的一期插板结束后，对三种塑

10、料排水板板外0-2cm处的土样进行选取，带回天津大学土力学试验室做含水率试验。结果见表2-1：表2-1 临港工业区含水率取土位置样本数量最大含水率%最小含水率%平均含水率%防淤堵板外0-0.5cm1241.24937.75739.15防淤堵板外0.5-1.0cm1242.71638.57640.05防淤堵板外1.0-2.0cm1245.09739.85642.11增压防淤堵板外0-0.5cm1239.13134.67236.78增压防淤堵板外0.5-1.0cm1241.02137.21939.12增压防淤堵板外1.0-2.0cm1243.07238.41540.71普通板外0-0.5cm124

11、4.13636.94740.97普通板外0.5-1.0cm1246.32538.21343.08普通板外1.0-2.0cm1246.34235.08742.40（2）十字板强度表2-2 现场十字板剪切强度取土位置样本数量十字板剪切强度均值（kPa）1.0m1.5m2.0m2.5m3.0m3.5m防淤堵区610.314.31315.415.017.015.8增压区610.312.512.615.2普通区610.35.95.16.89.810.8防淤堵区比普通区强度增加值08.41310.38.27.25.0防淤堵区比普通区强度增加百分比0142.6%202.0%120.6%73.5%46.3%从

12、表2-1和表2-2可以看出，增压防淤堵板和防淤堵板的不同位置处含水率有一定差距，越靠近排水板的土样含水率越低，说明靠近排水板的地基土孔隙水排出较多，增压防淤堵板和防淤堵板区域土体的含水率较低，在取样时可以明显的感觉到这两个区域的土体强度较高，行走比较容易，而普通板虽然在含水率的试验数据上与前两者差距不大，但在现场可以明显看出其加固效果不太理想，与防淤堵板和增压板有很大差距，含水率较多，土体比较软且行走困难。从现场十字板剪切强度试验数据来看，防淤堵板加固后的土体强度明显高于普通板的土体强度，有时甚至能达到增加200%的加固效果。以上实验数据基本能够反映出现场的实际情况。本实验定性的分析了不同排水

13、板类型对土样产生的影响程度的差异。其中防淤堵板和增压防淤堵板的加固效果较好，由于其滤膜孔径较大，虽然会在初期造成一定量土体的流失，却不容易形成排水通道的堵塞，在滤膜的反滤作用下土体的单位时间流失量会逐渐减小，在排水板内部形成良好的排水通道，孔隙水压力消散速度快、沉降较大并且稳定快。相反，普通板具有较小的孔径，希望能够尽可能地减少土体流失，但通过现场实际观测发现过小的孔径容易造成排水通道的堵塞，土体流失虽得到控制，但没有顺畅的排水通道，孔隙水难以排出，孔隙水压力不能消散，从而大大影响了地基加固效果。2.4.2电镜扫描实验一、实验样品采集为了检验临港工业区真空预压区域不同类型塑料排水板的地基加固效

14、果，确定塑料排水板滤膜孔径大小与土体流失、固结沉降的关系，对临港工业区二期工程部分真空预压区的地基土进行了现场取样。取样时间是一期插板与二期插板的间隔，由于一期插板的插板深度比较浅，以及地基土的含水率仍比较高，难以在不扰动土体的情况下取得较深的原装土样，所以控制取样深度00.5m之间的土体。现场真空预压区共采用了三种不同类型的塑料排水板，分别为普通板、防淤堵板和增压防淤堵板。对三种塑料排水板所在的加固区域分别随机选定2个12平方米的矩形面积，每个矩形面积下插有4条塑料排水板，选取每条塑料排水板两侧O0.5cm 、0.51.Ocm和1.02.Ocm的矩形土块，共计3组，9种土样，用于观察不同位置

15、处的土体微观结构差异和颗粒大小分析。二、微观结构与矿物成分在观察土体微观结构的技术中，电子显微镜能更直观和准确地揭示土体的颗粒排列和孔隙大小，是目前应用比较广泛的一种微观结构观察方法。电子显微镜研究土体结构时，对样品的制备有很高的要求，如何复制样品的表面以及在不扰动土体微观结构的情况下制作超薄片是电子显微镜所面临的主要困难，也是影响电子显微镜观察效果的主要因素。扫描电镜(SEM)具有比较深的视野，大约为光学显微镜的300倍，放大倍数的外围广，可以从20倍放大到倍且能实现连续放大，是直接研究样品表面的一种普遍而有效的方法。对临港工业区的部分土样采用扫描电镜法观察土样的微观结构，扫描电镜试验是在天

16、津大学精密仪器学院的电镜扫描试验室进行的。对临港工业区的9种土样中每种土样随机选取并制成3个样品，共计27组送到电镜扫描室，由试验室老师对样品进行必要的处理和养护，再对样品进行扫描试验，最后得到每个样品不同放大倍数时的图像，分别是 x100、x2OO、x5OO、x1000、x2000、x5000、x10000。通过相同样品不同放大倍数图像的对比以及不同样品相同倍数图像的对比，观察土体的微观结构和不同土体之间微观结构的差别。此外，在电镜试验室对27个样品进行了能谱分析，用以确定土体中矿物元素含量以及不同类型的样品之间矿物成分差别的大小。三、临港工业区地基土的微观结构及矿物成分分析对临港工业区真空

17、预压一期插板与二期插板之间选取的共9种土样，借助天津大学精密仪器学院的电镜分析中心，对防淤堵塑料排水板、普通塑料排水板、增压防淤堵塑料排水板各自板外的。00.5cm、0.51.0cm、1.02.0cm区间内的土样进行电镜扫描、X射线衍射和能谱分析，得到了各种土样的能谱曲线、X射线衍射曲线以及不同倍数的电镜扫描图像。电镜扫描的优势是倍数变化范围非常大，而且能够进行连续观测，本次试验的土样得到了 x100、x200、x500、xl000、x2000、x5000、xl0000倍数的电镜扫描图像。最终选取 x1000、 x5000、 x10000倍数下的扫描图像进行对比分析，总结出相同塑料排水板板外的

18、不同位置处以及不同排水板类型的相同位置处的土体微观结构变化规律。1.相同板型板外不同位置处土体微观结构的电镜扫描图像（1）电镜扫描x1000图像防淤堵塑料排水板 图2-3防淤堵板外00.5cm 图2-4防淤堵板外0.51.0cm图2-5防淤堵板外1.02.0cm增压防淤堵塑料排水板图2-6增压防淤堵板外 00.5cm 图2-7增压防淤堵板外 0.51.0cm 图2-8增压防淤堵板外 1.02.0cm普通塑料排水板图2-9普通板外 00.5cm 图2-10普通板外 0.51.0cm 图2-11普通板外1.02.0cm（2）电镜扫描x5000图像防淤堵塑料排水板图2-12防淤堵板外00.5cm 图

19、2-13防淤堵板外0.51.0cm 图2-14防淤堵板外1.02.0cm增压防淤堵塑料排水板图2-15增压防淤堵板外00.5cm 图2-16增压防淤堵板外 0.51.0cm图2-17增压防淤堵板外 1.02.0cm普通塑料排水板图2-18普通板外 00.5cm 图2-19普通板外 0.51.0cm 图2-20普通板外 1.02.0cm（3）电镜扫描x10000图像防淤堵塑料排水板图2-21防淤堵板外00.5cm 图2-22防淤堵板外0.51.0cm 图2-23防淤堵板外1.02.0cm增压防淤堵塑料排水板图2-24增压防淤堵板外 00.5cm 图2-25增压防淤堵板外 0.51.0cm 图2-

20、26增压防淤堵板外 1.02.0cm普通塑料排水板图2-27普通板外 00.5cm 图2-28普通板外 0.51.0cm图2-29普通板外 1.02.0cm通过对相同类型的塑料排水板板外不同位置处土体微观结构的不同倍数的对比观察，虽然不是很明显但还是可以看出土体微观结构的变化规律，其中防淤堵板和增压防淤堵板的孔隙与距离排水板的位置有关，越靠近塑料排水板的土体的孔隙也越大，而普通板在板外不同位置处的土体孔隙差别不是很明显，比较符合工程现场的宏观表现，在一期插板初期，防淤堵板和增压防淤堵板加固区域排除的孔隙水比较浑浊，携带有一定量的粘土颗粒，而普通板加固区域排除的水相对清澈，因为防淤堵板和增压防淤

21、堵板的滤膜比普通板的滤膜孔径要大，容易造成土体的流失。2.不同板型板外相同位置处土体微观结构的电镜扫描图像（1）板外00.5cm的x10000电镜扫描图像图2-30防淤堵板 图2-31 增压防淤堵板图2-32普通板（2）板外0.51.0cm的x10000电镜扫描图像图2-图2-34增压防淤堵板33防淤堵板 图2-35普通板（3）板外1.02.0cm的x10000电镜扫描图像图2-37增压防淤堵板图2-36防淤堵板 图2-38普通板四、塑料排水板滤膜电镜及气泡法孔径试验临港工业区真空预压区所选用排水滤膜有两种，为了观察两种滤膜的孔径大小和构造形式，分别进行电镜扫描试验，得到100、200、100

22、0、2000倍的扫描图像。图2-39防淤堵滤膜x200扫描图像图2-40普通滤膜x200扫描图像图2-42普通滤膜x500扫描图像图2-41防淤堵滤膜x500扫描图像从上图中可以看出防淤堵滤膜的合成纤维编织较疏较散，纤维呈弯曲状且相互交叠形成的孔隙较大较圆滑，便于孔隙水的排出，但同时会造成一定量的土颗粒随孔隙水一起排出，而普通滤膜的合成纤维较直且编织密集，厚度较大，形成的孔隙较小较窄，虽减小了土颗粒的流失，却容易造成孔隙的堵塞，反而影响地基加固效果。按照图中提供的比例尺，目测防淤堵滤膜的孔径为0.020.08mm，普通滤膜的孔径基本都小于0.02mm。为了能更准确的确定两种类型排水板的孔径大小

23、，在北京和临港工业区分别作了气泡法试验，北京的结果中防淤堵板滤膜的等效粒径 O95=0.101mm,O90=0.120mm，普通板滤膜的等效孔径中O95=0.053mm，O90=0.065mm；临港工业区的结果中防淤堵板滤膜的等效孔径O95=0.101mm，普通板滤膜的等效粒径O95=0.045mm。可见，两个地方的试验结果相近，数据较可靠，防淤堵板滤膜的孔径明显大于普通板滤膜，大约为后者的两倍。从上图可以看出，在距离排水板最近的0.5cm范围内的土体，随着排水板类型的不同，空隙呈现比较大的差别，其中防淤堵板的孔隙最大，其次是增压防淤堵板，孔隙最小的是普通板。这种情况的出现也是因为防淤堵板和增

24、压防淤堵板滤膜的孔径较大造成一定量的土体的流失，导致孔隙相对较大，防淤堵板与增压防淤堵板的滤膜孔径是一样的，但是放淤堵板的插板时间较早，相应的土体流失量也较多。2.4.3不同土样的颗分曲线分析颗分曲线分析的临港工业区土样与电镜扫描的土样相同，包括防淤堵塑料排水板、普通塑料排水板、增压防淤堵塑料排水板各自板外的0-0.5cm、0.5-1.0cm、1.0-2.0cm区间内共9种土样，在天津大学土力学试验室分三组进行颗分试验，共得到27条颗分曲线，通过对比相同排水板的不同位置以及不同排水板的相同位置处的颗分曲线，研究不同排水板的渗流过程所造成的土体流失以及对土体颗粒组成的影响。一、相同类型塑料排水板

25、不同位置处的颗分曲线(1)防淤堵塑料排水板图2-43 防淤堵板不同位置处的颗分曲线(2)增压防淤堵塑料排水板图2-44 增压防淤堵板不同位置处的颗分曲线(3)普通塑料排水板图2-45 普通板不同位置处的颗分曲线从图2-43-图2-45可以看出，普通板的3条颗分曲线上下交错，没有一定的规律可循；与普通板相比防淤堵板和增压防淤堵板颗分曲线关系较为明确，0-0.5cm颗分曲线位于下面，0.5-1.0cm颗分曲线位于中间，1.0-2.0cm颗分曲线位于上面，说明这两种板小于某粒径的土体百分含量中，0-0.5cm土体最低，0.5-1.0cm居中，1.0-2.0cm最高。说明增压板与防淤堵板在排出土体孔隙

26、水的过程中造成了较小粒径土体的流失，且越靠近排水板所流失的较小粒径的土颗粒也越多，使得粒径较大的土颗粒百分含量增加，粒径较小的土颗粒百分含量降低，颗分曲线向下移动。防淤堵板板外0-0.5cm处比0.5-1.0cm处在粒径小于0.05mm范围内的流失量多1%-4%，板外0.5-1.0cm处比1.0-2.0cm处在粒径小于0.05mm范围内的流失量多1%-3%;增压防淤堵板板外0-0.5cm处比0.5-1.0cm处在粒径小于0.05mm范围内的流失量多1%-5%，板外0.5-1.0cm处比1.0-2.0cm处在粒径小于0.05mm范围内的流失量多1%-6%;普通板板外0-0.5cm处比0.5-1.

27、0cm处在粒径小于0.05mm范围内的流失量多1%-2%，板外0.5-1.0cm处比1.0-2.0cm处在粒径小于0.05mm范围内的流失量多1%-3%。二、不同类型塑料排水板相同位置处的颗分曲线(1)塑料排水板板外0-0.5cm图2-46 不同类型排水板外0-0.5cm处颗分曲线(2)塑料排水板板外0.5-1.0cm图2-47 不同类型排水板外0.5-1.0cm处颗分曲线(3)塑料排水板板外1.0-2.0cm图2-48 不同类型排水板外1.0-2.0cm处颗分曲线通过对图2-46-图2-48的对比观察与分析，可以看出在距离塑料排水板0-0.5cm以及0.5-1.0cm处，不同排水板类型的颗分

28、曲线关系比较明确，而板外1.0-2.0cm处的颗分曲线关系比较混乱，上下伏动。在板外0-1.0cm范围内的土体，增压防淤堵板的颗分曲线最低，防淤堵板居中，普通板最高。即小于某一粒径的土颗粒百分含量中，增压防淤堵板最高，普通板最低。说明板外0-0.5cm与0.5-1.0cm范围内在排出土体孔隙水的过程中流失了一定量的较小粒径土体，且较小粒径土颗粒的流失量为增压板防淤堵板普通板。而在板外1.0-2.0cm范围内，不同排水板类型所造成的土颗粒流失相差不大。符合电镜扫描微观结构图像对不同排水板类型的相同位置出的微观分析。在板外0-0.5cm处，增压防淤堵板比防淤堵板在粒径小于0.05mm范围内的流失量

29、多1%-5%，防淤堵板比普通板在粒径小于0.05mm范围内的流失量多1%-3%;在板外0.5-1.0cm处，增压防淤堵板比防淤堵板在粒径小于0.05mm范围内的流失量多1%-4%，防淤堵板比普通板在粒径小于0.05mm范围内的流失量多1%-2%;在板外1.0-2.0cm处，增压防淤堵板比防淤堵板在粒径小于0.05mm范围内的流失量多不到1%，防淤堵板比普通板在粒径小于0.05mm范围内的流失量多1%-2%，总体持平。2.4.4固结实验一、试验用品准备滤膜准备：试样滤膜单位面积质量g / m2厚度mm渗透系数cm/ sO95mm试样11430.41.7310-2防淤堵板外土体孔隙普通板外土体孔隙。 4.通过对三种土样用两种滤膜进行固结实验可知，随着粘粒含量增高，土体固结系数降低，固结速率放慢，且孔径较大的滤膜固结效果更好。5. 通过渗透实验可知随着土体粘粒含量的增多，滤膜的渗透系数逐渐减少，滤膜淤堵增加，说明粘粒含量影响排水板的排水效果。6.通过对防淤堵板、增压防淤堵板、普通板土体流失量的分析，可知防淤堵板、增压防淤堵板的土体流失量大于普通板，但相对于有效排水范围土体总体积来说，流失量只是很少的一部分，综合保土性、