小断面土工织物脱水试验方法研究

小断面土工织物脱水试验方法研究

土木工程袋技术的应用已有数百年的历史。将水泥浆、砂或各种淤泥浆液体等充填入土工管袋中,在可控压力及变形作用下管袋脱水固结,最终形成特殊形式的土工管袋结构体,可用于修筑防浪堤、填筑坝体、加固堤防等,经济实惠、耐用、环保。在沿江、沿海及河口等区域,常采用就地泥沙充填管袋修筑技术,国内已积累了不少采用充填管袋修筑工程的成功经验。充填管袋技术需考虑选用制作管袋的土工织物和施工现场的充填材料两种重要因素。在项目可行性分析阶段,充分研究这两种因素的相互适应程度,攸关工程成败。目前,国内常采用现场充填小尺寸土工管袋的方式进行可行性论证。鉴此,本文引入一种室内试验——小断面土工织物脱水试验,可用于不同工程项目、不同的现场充填材料,试验选取合适的土工管袋织物,以更好为工程实践服务。1填充管袋，脱水固定及其影响因素(1)织物的功能管袋充填后,袋内悬浮液体即开始脱水。充填管袋脱水是采用土工织物分离充填液体颗粒与水分的技术,通常要求采用的土工织物具有如下功能:①充填悬浮液体中的水能最大限度地排出袋外;②尽可能多地将固体颗粒留在袋内。在此过程中,袋内固体颗粒固结(其固结机理是在充填管袋内的泥沙水份从袋布中渗出的同时,悬浮液体中的颗粒成分在自重及渗水压力的作用下逐渐固结密实,进而达到一定承载力)。充填管袋经充分脱水、袋内固体颗粒充分固结后,形成的结构形式即可作为工程材料使用。(2)充填管袋脱水充填管袋脱水固结过程中的影响因素众多,其中主要因素有充填液体中的固体颗粒级配、含水率及制作管袋的土工织物等。①固体颗粒越粗、级配越好的充填体,脱水固结越快;②初始含水率越高,脱水效率越好;③土工织物孔径越大,脱水越快,但充填固体颗粒流失越大;孔径越小,充填管袋内孔隙水压力越大,过大的压力超过织物抗拉力,将导致土工织物撕裂,管袋脱水失败。试验表明,在管袋脱水固结过程中,管袋织物的渗透性并非保持不变,而是随时间减小,原因是土工织物的渗透性受其孔径和充填液体的含水率等因素影响。2袋棱体坝体位于长江口的某蓄淡避咸水库工程,其水库大坝是以充砂管袋棱体作为围堰主体、用库区开挖土料填筑坝体修筑而成。在论证阶段初期,针对库区附近已有的可能充填材料,为选取与之相适应的土工织物管袋进行充填管袋现场脱水固结试验。(1)材料所在的土试验前,先选择充填材料。库区近岸处有粉土、稍远处有淤泥及淤泥质粉质粘土,且附近的江中沙洲有白茆砂,分别标注和计算每种材料所在大致位置及大约储存量;然后选取几种土工织物管袋,分别记下每种土工织物的单位质量、抗拉强度及等效孔径等指标,分组进行充填试验。现场充填管袋结构形式见图1。(2)管袋内的孔隙水压力和高度的测量土工织物管袋充填完成后,即开始脱水固结。预先埋入渗透压力仪和土压力仪,定时测量充填管袋内泥沙液体的孔隙水压力和总土压力(图2);同时记录管袋高度的变化。根据所得数据可粗略获得充填后某一时段内管袋内液体的固结度,由此判断充填管袋整体承载力,以便估算充填管袋修筑棱体是否满足施工填筑技术与工期要求。(3)聚丙烯编织布经现场试验与计算分析可得,此蓄淡避咸水库工程的管袋采用聚丙烯编织布缝制,编织布质量≥150g/m2,抗拉强度≥20kN/m,等效孔径O95为0.25mm;充填材料采用江中沙洲的白茆砂。试验结果可满足工程实际需要。3确定施工管袋因各施工项目现场的充填材料通常不同,所以在进行充填管袋技术可行性论证时,一般均会做现场管袋脱水固结试验,以便根据现场实际情况和工程项目进度安排,确定选取何种土工织物制成的管袋,以满足工程项目需要。但在试验过程中需做多组管袋充填试验,大体积管袋脱水固结时间较长,不仅需采用充填机械、施加压力设备、测量仪器等,且需较多的人力、物力、财力进行管袋充填、数据测量、分析计算等,因此亟待寻求一种较简洁的试验方法,且能达到相似效果。3.1试验模型和试验装置小断面脱水试验结构是根据国内大多数充填管袋形状简化设计而来。我国充填管袋大多采用扁平的近似梯形断面结构,管袋的厚度尺寸远小于长宽尺寸(图3),因此在试验装置设计中近似截取扁平管袋的一个小方块断面做试验。小断面脱水试验结构见图4。据文献,在做类似过滤试验中选取的过滤模型的直径介于50~127mm,故在小断面脱水试验结构中过滤舱直径选取10cm。另考虑到扁平充填管袋厚度较薄,结合国内使用过的管袋结构形式,选取过滤舱的高度为70cm,充填液体材料厚度为60cm。试验装置主要由上托盘、过滤舱、下托盘和收集室四部分组成。上、下托盘分别与过滤舱密封相连。在上托盘中,设置了压力输入孔和压力表两个孔,以模拟管袋充填过程中管袋内的压力变化。过滤舱储存充填液体,过滤液体透过土工织物析出,充填液体中的固体颗粒留在过滤舱中。多孔网状支持板置于土工织物与下托盘间,用于试验中确保土工织物平整。收集室置于下托盘下面,收集过滤液体(即滤出液)。3.2加压力试验方案选取工程项目现场具代表性的充填液体注入过滤舱中,通过压力输入口给过滤舱中施加压力进行试验。充填液体注入后即开始脱水,过滤舱中液体开始固结,滤出液体流入收集室中,直至过滤现象很轻微时方停止试验。收集相关数据,分析过滤舱内和收集室内液体构成特性,供试验结果分析。3.3评价指标的确定充分考虑工程项目现场充填材料的特性,对所有可能的充填材料及备选的土工织物管袋交叉组合并进行试验。如选择一种充填材料,在不同的压力过滤试验中分析对管袋织物过滤和脱水可能的影响因素。本试验中可考虑的主要影响因素包括充填压力、充填材料初始含水率、固体颗粒级配及土工织物孔径等。决定项目选择土工管袋技术成败的关键在于确保选取的土工管袋在保留尽可能多的充填材料固体颗粒的同时,在最短时间内脱水固结。引进两个重要参数(过滤效率FE和脱水效率DE)可判断充填管袋脱水试验效果。过滤效率用于衡量土工织物管袋在最大排水的情况下保留充填液体中固体颗粒的能力,定义为滤出液中固体颗粒含量与试验前过滤舱中充填液体样本中固体颗粒含量的一种比例关系:FE=[(TS-TSS)/TS]×100(1)式中,TS为试验前充填液体中固体颗粒含量,mg/L;TSS为试验后滤出液体中固体颗粒含量,mg/L。脱水效率用于衡量土工织物管袋在流失较少固体颗粒情况下允许水分通过的能力,定义为试验后留在过滤舱中的固体颗粒含量与试验前的颗粒含量的一种比例关系为:DE=[(PSF-PSI)/PSI]×100(2)式中,PSF为试验后充填液体中平均固体颗粒含量,%;PSI为试验前充填液体样本中固体颗粒含量,%。3.4土工织物过滤、脱水效率特定条件Muthukumaran等选用粉煤灰和港口沉积物做了类似的脱水试验,选用的土工织物有效孔径分别为0.090、0.225、0.425、0.600mm。表1为粉煤灰和港口沉积物的特征参数。通过土工织物多种组合试验,可得过滤、脱水效率,如表2所示。就本试验的特定条件,分析可得如下结论:①不同的初始含水率、土工织物孔径及脱水材料条件下,过滤效率受其影响较小;但当土工织物孔径>0.425mm时,过滤效率大幅减小。②不同的初始含水率、土工织物孔径及脱水材料条件下,初始含水率低时脱水效率亦很低,但随初始含水率的增加,脱水效率亦迅速增大。③当某一特定初始含水率取某一数值时,过滤效率和脱水效率必相等;结合①,可认为此时的初始含水率为临界含水率,相应的过滤、脱水效率为最优效率。④选取的土工织物孔径不宜大于0.425mm。4小断面土工织物试验装置及方法总结a.利用小型土工管袋进行现场充填试验的效果较好,但需较多人力、物力、财力,且费时。而采用小断面土工织物脱水试验方法室内试验,简单方便、省时省力、结果易于分析,行之有效,具有较大的发展空间。b.小断面土工织物试验装置易安装、成本低、环保,但由于现场试验影响因素复杂,试验可能