小斷面土工織物脫水試驗方法研究

小斷面土工織物脫水試驗方法研究

土木工程袋技術的應用已有數(shù)百年的歷史。將水泥漿、砂或各種淤泥漿液體等充填入土工管袋中,在可控壓力及變形作用下管袋脫水固結(jié),最終形成特殊形式的土工管袋結(jié)構(gòu)體,可用于修筑防浪堤、填筑壩體、加固堤防等,經(jīng)濟實惠、耐用、環(huán)保。在沿江、沿海及河口等區(qū)域,常采用就地泥沙充填管袋修筑技術,國內(nèi)已積累了不少采用充填管袋修筑工程的成功經(jīng)驗。充填管袋技術需考慮選用制作管袋的土工織物和施工現(xiàn)場的充填材料兩種重要因素。在項目可行性分析階段,充分研究這兩種因素的相互適應程度,攸關工程成敗。目前,國內(nèi)常采用現(xiàn)場充填小尺寸土工管袋的方式進行可行性論證。鑒此,本文引入一種室內(nèi)試驗——小斷面土工織物脫水試驗,可用于不同工程項目、不同的現(xiàn)場充填材料,試驗選取合適的土工管袋織物,以更好為工程實踐服務。1填充管袋，脫水固定及其影響因素(1)織物的功能管袋充填后,袋內(nèi)懸浮液體即開始脫水。充填管袋脫水是采用土工織物分離充填液體顆粒與水分的技術,通常要求采用的土工織物具有如下功能:①充填懸浮液體中的水能最大限度地排出袋外;②盡可能多地將固體顆粒留在袋內(nèi)。在此過程中,袋內(nèi)固體顆粒固結(jié)(其固結(jié)機理是在充填管袋內(nèi)的泥沙水份從袋布中滲出的同時,懸浮液體中的顆粒成分在自重及滲水壓力的作用下逐漸固結(jié)密實,進而達到一定承載力)。充填管袋經(jīng)充分脫水、袋內(nèi)固體顆粒充分固結(jié)后,形成的結(jié)構(gòu)形式即可作為工程材料使用。(2)充填管袋脫水充填管袋脫水固結(jié)過程中的影響因素眾多,其中主要因素有充填液體中的固體顆粒級配、含水率及制作管袋的土工織物等。①固體顆粒越粗、級配越好的充填體,脫水固結(jié)越快;②初始含水率越高,脫水效率越好;③土工織物孔徑越大,脫水越快,但充填固體顆粒流失越大;孔徑越小,充填管袋內(nèi)孔隙水壓力越大,過大的壓力超過織物抗拉力,將導致土工織物撕裂,管袋脫水失敗。試驗表明,在管袋脫水固結(jié)過程中,管袋織物的滲透性并非保持不變,而是隨時間減小,原因是土工織物的滲透性受其孔徑和充填液體的含水率等因素影響。2袋棱體壩體位于長江口的某蓄淡避咸水庫工程,其水庫大壩是以充砂管袋棱體作為圍堰主體、用庫區(qū)開挖土料填筑壩體修筑而成。在論證階段初期,針對庫區(qū)附近已有的可能充填材料,為選取與之相適應的土工織物管袋進行充填管袋現(xiàn)場脫水固結(jié)試驗。(1)材料所在的土試驗前,先選擇充填材料。庫區(qū)近岸處有粉土、稍遠處有淤泥及淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,且附近的江中沙洲有白茆砂,分別標注和計算每種材料所在大致位置及大約儲存量;然后選取幾種土工織物管袋,分別記下每種土工織物的單位質(zhì)量、抗拉強度及等效孔徑等指標,分組進行充填試驗?，F(xiàn)場充填管袋結(jié)構(gòu)形式見圖1。(2)管袋內(nèi)的孔隙水壓力和高度的測量土工織物管袋充填完成后,即開始脫水固結(jié)。預先埋入滲透壓力儀和土壓力儀,定時測量充填管袋內(nèi)泥沙液體的孔隙水壓力和總土壓力(圖2);同時記錄管袋高度的變化。根據(jù)所得數(shù)據(jù)可粗略獲得充填后某一時段內(nèi)管袋內(nèi)液體的固結(jié)度,由此判斷充填管袋整體承載力,以便估算充填管袋修筑棱體是否滿足施工填筑技術與工期要求。(3)聚丙烯編織布經(jīng)現(xiàn)場試驗與計算分析可得,此蓄淡避咸水庫工程的管袋采用聚丙烯編織布縫制,編織布質(zhì)量≥150g/m2,抗拉強度≥20kN/m,等效孔徑O95為0.25mm;充填材料采用江中沙洲的白茆砂。試驗結(jié)果可滿足工程實際需要。3確定施工管袋因各施工項目現(xiàn)場的充填材料通常不同,所以在進行充填管袋技術可行性論證時,一般均會做現(xiàn)場管袋脫水固結(jié)試驗,以便根據(jù)現(xiàn)場實際情況和工程項目進度安排,確定選取何種土工織物制成的管袋,以滿足工程項目需要。但在試驗過程中需做多組管袋充填試驗,大體積管袋脫水固結(jié)時間較長,不僅需采用充填機械、施加壓力設備、測量儀器等,且需較多的人力、物力、財力進行管袋充填、數(shù)據(jù)測量、分析計算等,因此亟待尋求一種較簡潔的試驗方法,且能達到相似效果。3.1試驗模型和試驗裝置小斷面脫水試驗結(jié)構(gòu)是根據(jù)國內(nèi)大多數(shù)充填管袋形狀簡化設計而來。我國充填管袋大多采用扁平的近似梯形斷面結(jié)構(gòu),管袋的厚度尺寸遠小于長寬尺寸(圖3),因此在試驗裝置設計中近似截取扁平管袋的一個小方塊斷面做試驗。小斷面脫水試驗結(jié)構(gòu)見圖4。據(jù)文獻,在做類似過濾試驗中選取的過濾模型的直徑介于50~127mm,故在小斷面脫水試驗結(jié)構(gòu)中過濾艙直徑選取10cm。另考慮到扁平充填管袋厚度較薄,結(jié)合國內(nèi)使用過的管袋結(jié)構(gòu)形式,選取過濾艙的高度為70cm,充填液體材料厚度為60cm。試驗裝置主要由上托盤、過濾艙、下托盤和收集室四部分組成。上、下托盤分別與過濾艙密封相連。在上托盤中,設置了壓力輸入孔和壓力表兩個孔,以模擬管袋充填過程中管袋內(nèi)的壓力變化。過濾艙儲存充填液體,過濾液體透過土工織物析出,充填液體中的固體顆粒留在過濾艙中。多孔網(wǎng)狀支持板置于土工織物與下托盤間,用于試驗中確保土工織物平整。收集室置于下托盤下面,收集過濾液體(即濾出液)。3.2加壓力試驗方案選取工程項目現(xiàn)場具代表性的充填液體注入過濾艙中,通過壓力輸入口給過濾艙中施加壓力進行試驗。充填液體注入后即開始脫水,過濾艙中液體開始固結(jié),濾出液體流入收集室中,直至過濾現(xiàn)象很輕微時方停止試驗。收集相關數(shù)據(jù),分析過濾艙內(nèi)和收集室內(nèi)液體構(gòu)成特性,供試驗結(jié)果分析。3.3評價指標的確定充分考慮工程項目現(xiàn)場充填材料的特性,對所有可能的充填材料及備選的土工織物管袋交叉組合并進行試驗。如選擇一種充填材料,在不同的壓力過濾試驗中分析對管袋織物過濾和脫水可能的影響因素。本試驗中可考慮的主要影響因素包括充填壓力、充填材料初始含水率、固體顆粒級配及土工織物孔徑等。決定項目選擇土工管袋技術成敗的關鍵在于確保選取的土工管袋在保留盡可能多的充填材料固體顆粒的同時,在最短時間內(nèi)脫水固結(jié)。引進兩個重要參數(shù)(過濾效率FE和脫水效率DE)可判斷充填管袋脫水試驗效果。過濾效率用于衡量土工織物管袋在最大排水的情況下保留充填液體中固體顆粒的能力,定義為濾出液中固體顆粒含量與試驗前過濾艙中充填液體樣本中固體顆粒含量的一種比例關系:FE=[(TS-TSS)/TS]×100(1)式中,TS為試驗前充填液體中固體顆粒含量,mg/L;TSS為試驗后濾出液體中固體顆粒含量,mg/L。脫水效率用于衡量土工織物管袋在流失較少固體顆粒情況下允許水分通過的能力,定義為試驗后留在過濾艙中的固體顆粒含量與試驗前的顆粒含量的一種比例關系為:DE=[(PSF-PSI)/PSI]×100(2)式中,PSF為試驗后充填液體中平均固體顆粒含量,%;PSI為試驗前充填液體樣本中固體顆粒含量,%。3.4土工織物過濾、脫水效率特定條件Muthukumaran等選用粉煤灰和港口沉積物做了類似的脫水試驗,選用的土工織物有效孔徑分別為0.090、0.225、0.425、0.600mm。表1為粉煤灰和港口沉積物的特征參數(shù)。通過土工織物多種組合試驗,可得過濾、脫水效率,如表2所示。就本試驗的特定條件,分析可得如下結(jié)論:①不同的初始含水率、土工織物孔徑及脫水材料條件下,過濾效率受其影響較小;但當土工織物孔徑>0.425mm時,過濾效率大幅減小。②不同的初始含水率、土工織物孔徑及脫水材料條件下,初始含水率低時脫水效率亦很低,但隨初始含水率的增加,脫水效率亦迅速增大。③當某一特定初始含水率取某一數(shù)值時,過濾效率和脫水效率必相等;結(jié)合①,可認為此時的初始含水率為臨界含水率,相應的過濾、脫水效率為最優(yōu)效率。④選取的土工織物孔徑不宜大于0.425mm。4小斷面土工織物試驗裝置及方法總結(jié)a.利用小型土工管袋進行現(xiàn)場充填試驗的效果較好,但需較多人力、物力、財力,且費時。而采用小斷面土工織物脫水試驗方法室內(nèi)試驗,簡單方便、省時省力、結(jié)果易于分析,行之有效,具有較大的發(fā)展空間。b.小斷面土工織物試驗裝置易安裝、成本低、環(huán)保,但由于現(xiàn)場試驗影響因素復雜,試驗可能