土工合成材料的排水功能

1、排水功能一、排水作用水利工程中需要將土中水排走的情況很多，例如堤壩工程中降低浸潤(rùn)線位置，以減小滲 流力；擋墻背面排水，以消減水壓力，提高墻體穩(wěn)定性；土坡排水，減小孔隙壓力，防止土 坡失穩(wěn)；隧道和廊道排水，以減輕滲水壓力；軟土地基排水，以加速土固結(jié)，提高地基承載 力等等。傳統(tǒng)的排水材料多采用強(qiáng)透水粒狀材料，土工織物用作排水時(shí)兼起反濾作用，同時(shí)， 不致因土體固結(jié)變形而失效，它具有施工簡(jiǎn)便，縮短工期，節(jié)約工程費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。二、典型應(yīng)用(舉例)以下是堤壩工程中可以應(yīng)用土工合成材料作為排水設(shè)施的一些常用場(chǎng)合。堤壩體內(nèi)煙囪式排水及下游排水褥墊層。堤壩防滲土工膜下的排水、排氣墊層。設(shè)于水力沖填壩中的孔壓消散層

2、。土堤下游坡的排水層。擋墻及岸墻后的排水層。加速軟基固結(jié)的排水帶或排水板。凍脹區(qū)用于截?cái)嗝?xì)水上升，防止凍害；干旱區(qū)防止毛細(xì)水上升造成鹽堿化。三、設(shè)計(jì)要點(diǎn)土工合成材料用作排水體的設(shè)計(jì)方法與反濾層的基本相同。但由于在此項(xiàng)用途中，織物 應(yīng)有足夠的平面排水能力以導(dǎo)走來(lái)水，所以要進(jìn)行排水能力的校核。本節(jié)先介紹一般的排水 設(shè)計(jì)方法，而后再就幾種特殊情況，做些說(shuō)明。一般的排水設(shè)計(jì)所需的基本資料與反濾設(shè)計(jì)中要求的類似，應(yīng)提供土體的物理力學(xué)特性，如土的分類、土的顆粒分析曲 線、土的滲透系數(shù)等；有關(guān)地質(zhì)、水文資料；來(lái)水量(或根據(jù)條件估算)；土與水的化學(xué)成分 等。另外，應(yīng)提供待選土工織物的厚度S、等效孔徑O95、

3、水平滲透系數(shù)Kh、垂直滲透系數(shù)Ku等。以反濾準(zhǔn)則檢驗(yàn)待選土工織物用于排水的無(wú)紡?fù)凉た椢锸紫葢?yīng)符合反濾準(zhǔn)則，故待選材料應(yīng)先按第一節(jié)中的三項(xiàng)準(zhǔn)則 逐一加以檢驗(yàn)，如不合格，應(yīng)更換其他合格材料。排水能力校核這里我們先介紹一種反映土工織物透水性的指標(biāo)。土工織物排水是依靠其平面滲透性，按 照理論應(yīng)該以其水平滲透系數(shù)Kh來(lái)表示。但是，由于織物埋在土內(nèi)要受到一定的壓力，其 厚度0要變薄，垂直滲透性和水平滲透性都將減小，為了回避可變的厚度0，根據(jù)達(dá)西定理， 推導(dǎo)出反應(yīng)織物滲透性的另外兩個(gè)指標(biāo)：透水率導(dǎo)水率W =Ku /0 =q/AhA0 =Kh0 =q/i(2-8)(2-9)式中：q表示單位寬度的來(lái)水量；Ah為

4、土工織物上下兩側(cè)的水位差值；A為通過(guò)水流的面 積；i為水流通過(guò)織物時(shí)的水力梯度。某種土工織物用作排水時(shí)是否合適，需要先計(jì)算兩種導(dǎo)水率：一個(gè)是由需要排除的水量 q(亦即來(lái)水量)計(jì)算得要求的導(dǎo)水率0 r，另一個(gè)是根據(jù)所提供織物的指標(biāo)算出的織物可提供 的導(dǎo)水率0 a，按以上所述，它們可以按式(2-10)及式(2-11)計(jì)算：0 r=q/i(2-10)0 a=Kh0顯然，合格的土工合成材料應(yīng)該滿足下式：0 aNFs0 r(2-11)式中：Fs是安全系數(shù)，一般應(yīng)不小于3； q為來(lái)水量，可以借流網(wǎng)法或其他方法估算(可參考 有關(guān)資料)。式(2-11)如果得不到滿足，可以更換厚一些的織物，或改用排水量大的其他

5、排水土工合成材料。（二）煙囪式排水布置上游來(lái)水流到豎向排水體土工織物（圖2-4），將沿織物往下流，通過(guò)下游底部排水層導(dǎo) 向堤外。這種情況下的計(jì)算與上述（一）中所述的基本相同，即先按流網(wǎng)估算進(jìn)人煙囪式排水體 的來(lái)水量q,由此按式（2-9）算出。r（其中的i=sing ）；其次由提供的土工織物指標(biāo)，按式（2-10） 算出。a；再由式（2-11）檢驗(yàn)提供的織物是否合適。要注意的是流入織物的滲流量是由上而下累計(jì)增大的，如圖2-4（b），其底部流量最大，應(yīng) 該逐段驗(yàn)算。圖2-4煙囪式排水計(jì)算圖（a）堤壩橫斷面團(tuán)；（b）土工織物內(nèi)部滲流示意圖1土工織物；2浸潤(rùn)線（三）堤壩底部排水層軟基上堤壩底部鋪設(shè)土工織

6、物作為排水層的示意如圖2-5。飽和軟土地基在堤壩重力作 用下將排水固結(jié)，排出的水量通過(guò)土工織物向兩側(cè)流走。這種情況的排水計(jì)算較前述的稍復(fù)雜，因?yàn)樗婕巴恋墓探Y(jié)計(jì)算。這里不作詳細(xì)介紹， 僅寫(xiě)出以下公式作為參考。式（2-12）假設(shè)土工織物的最大承壓力為地基中最大水壓力的 10%15%，并根據(jù)單向固結(jié)理論推導(dǎo)得出：圖2-5 土堤底部排水示意圖（2-12）式中：B為堤壩底寬；Ksu是地基土的垂直向滲透系數(shù)；CU為土的固結(jié)系數(shù)，它是由地 基土的固結(jié)試驗(yàn)求得的反映固結(jié)快慢的一個(gè)指標(biāo)；t為筑堤的時(shí)間。同樣，可按式（2-11）檢驗(yàn)所采用的織物是否有足夠的導(dǎo)水能力。（四）塑料排水帶垂直排水設(shè)計(jì)在第一章中已簡(jiǎn)單

7、介紹了塑料排水帶的構(gòu)造，它是由塑料排水芯材外包非織造土工織物（濾 膜）構(gòu)成的一種土工復(fù)合排水材料，在軟土地基加固中應(yīng)用廣泛。這種材料是由早期的“排 水砂井”演變而來(lái)。利用砂井加速軟土地基固結(jié)的基本概念如下：假設(shè)有一處飽和軟土地基，如圖2-6（a），在 其表面施加外荷載（建筑物重量），土中會(huì)產(chǎn)生超過(guò)靜水壓力的孔隙水壓力，于是，土體中多 余水分逐漸從排水面（地表）排出，這種現(xiàn)象稱為排水固結(jié)。當(dāng)土層厚度H（假設(shè)其下為不透水 層）較大時(shí)，排水行程（即H）太長(zhǎng)，土層完成排水固結(jié)的時(shí)間也將增大。若粘土滲透性小，則 固結(jié)時(shí)間需要很長(zhǎng)，故建造在軟土上的建筑物將長(zhǎng)期處于持續(xù)下沉的狀態(tài)。為了加速固結(jié)， 可以在軟基

8、中設(shè)置垂直方向的砂井（砂井是用造孔機(jī)械在平面上按一定間距和布置方式（常 為正方形或梅花形分布）造孔（一般穿過(guò)軟土層），同時(shí)填入砂料，形成砂柱，如圖2-6（b）。砂 柱為軟土提供了排水面，排入砂柱的水向上進(jìn)入地面的砂墊層，再沿水平方向排走。根據(jù)固 結(jié)圖2-6利用砂井加速軟土地基排水固結(jié)1一排水；2砂井；3一砂墊層理論，排水固結(jié)的時(shí)間與排水距離的平方成反比。例如在圖2-6中，不設(shè)砂井時(shí)的最大排水 距離為H，設(shè)砂井后，相應(yīng)距離為de/2。式中的de約為砂井間距，則為達(dá)到一定的固結(jié)度 后者所需的時(shí)間t與前者時(shí)間T的關(guān)系為：t= （de/2） 2/H2T，所以只要調(diào)整de，即可使 固結(jié)所需的時(shí)間縮短到要

9、求的時(shí)間。事實(shí)上，所需時(shí)間比上式計(jì)算的還要短一些，因?yàn)樵谏?井水平排水的同時(shí)，還有土層自身的垂直向排水。砂井設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于按現(xiàn)有的土質(zhì)特性（固結(jié)系數(shù)CU等）、砂井的直徑和深度，現(xiàn)有的造 孔設(shè)備規(guī)格（孔徑和造孔深度），以及許可的固結(jié)時(shí)間，通過(guò)三維固結(jié)理論來(lái)估算砂井的分布 間距。很明顯，間距愈小，固結(jié)將愈快，但為了使地基土不因砂井造孔而過(guò)分地?cái)_動(dòng)，砂井 的間距不宜過(guò)小，一般為23m。塑料排水帶加速地基固結(jié)的概念與砂井的完全相同，只是以截面為矩形的排水帶代替了 截面為圓形的砂井，排水帶計(jì)算仍然采用砂井理論中的固結(jié)理論，所以需要將排水帶截面的 周長(zhǎng)（寬度和厚度分別為b和0 ）轉(zhuǎn)化為等效砂井直徑d，顯然

10、d=（2/n ） （b十0 ）。這樣排 水帶就可以完全按直徑為d的砂井設(shè)計(jì)。在塑料排水帶插帶過(guò)程或砂井施工過(guò)程中，不可避免會(huì)引起地基土的擾動(dòng)，并因此在排 水帶或砂井周圍形成一相對(duì)不透水的土層，這種因?qū)Φ鼗翑_動(dòng)引起透水性降低的作用，稱 為涂抹作用。同時(shí)，塑料排水帶或砂井的導(dǎo)水能力需要在一定的水頭差作用下才能起作用， 以排出從地基土流人的水量，這種砂井導(dǎo)水能力的有限性可稱之為井阻?？紤]涂抹和井阻作 用的計(jì)算方法很多，有的方法可估算擾動(dòng)土層的范圍和滲透系數(shù)，以及塑料排水帶的滲透系 數(shù)，然而，這些量的確定仍然是困難的。這里不再介紹有關(guān)的計(jì)算方法，僅引用建筑地基 處理技術(shù)規(guī)范中的規(guī)定：對(duì)長(zhǎng)徑比較大和井料滲透系數(shù)小的袋裝砂井或塑料排水帶，應(yīng)考 慮井阻作用，當(dāng)采用擠土方式施工時(shí)，尚應(yīng)