土工合成材料的排水功能

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排水功能　　一、排水作用　水利工程中需要将土中水排走的情况很多，例如堤坝工程中降低浸润线位置，以减小渗流力；挡墙背面排水，以消减水压力，提高墙体稳定性；土坡排水，减小孔隙压力，防止土坡失稳；隧道和廊道排水，以减轻渗水压力；软土地基排水，以加速土固结，提高地基承载力等等。传统的排水材料多采用强透水粒状材料，土工织物用作排水时兼起反滤作用，同时，不致因土体固结变形而失效，它具有施工简便，缩短工期，节约工程费用等优点。　二、典型应用(举例)　以下是堤坝工程中可以应用土工合成材料作为排水设施的一些常用场合。(1)堤坝体内烟囱式排水及下游排水褥垫层。　　(2)堤坝防渗土工膜下的排水、排气垫层。(3)设于水力冲填坝中的孔压消散层。　(4)土堤下游坡的排水层。(5)挡墙及岸墙后的排水层。　(6)加速软基固结的排水带或排水板。　(7)冻胀区用于截断毛细水上升，防止冻害；干旱区防止毛细水上升造成盐碱化。三、设计要点　　土工合成材料用作排水体的设计方法与反滤层的基本相同。但由于在此项用途中，织物应有足够的平面排水能力以导走来水，所以要进行排水能力的校核。本节先介绍一般的排水设计方法，而后再就几种特殊情况，做些说明。　　(一)一般的排水设计　1.所需的基本资料　与反滤设计中要求的类似，应提供土体的物理力学特性，如土的分类、土的颗粒分析曲线、土的渗透系数等；有关地质、水文资料；来水量(或根据条件估算)；土与水的化学成分等。　另外，应提供待选土工织物的厚度δ、等效孔径O95、水平渗透系数Kh、垂直渗透系数 Kυ等。2.以反滤准则检验待选土工织物　用于排水的无纺土工织物首先应符合反滤准则，故待选材料应先按第一节中的三项准则逐一加以检验，如不合格，应更换其他合格材料。　3.排水能力校核这里我们先介绍一种反映土工织物透水性的指标。土工织物排水是依靠其平面渗透性，按照理论应该以其水平渗透系数Kh来表示。但是，由于织物埋在土内要受到一定的压力，其厚度δ要变薄，垂直渗透性和水平渗透性都将减小，为了回避可变的厚度δ，根据达西定理，推导出反应织物渗透性的另外两个指标：透水率导水率ψ=Kυ/δ=q/△hAθ=Khδ=q/i(2-8)(2-9)式中：q表示单位宽度的来水量；△h为土工织物上下两侧的水位差值；A为通过水流的面积；i为水流通过织物时的水力梯度。某种土工织物用作排水时是否合适，需要先计算两种导水率：一个是由需要排除的水量q(亦即来水量)计算得要求的导水率θr，另一个是根据所提供织物的指标算出的织物可提供的导水率θa，按以上所述，它们可以按式(2-10)及式(2-11)计算：θr=q/i}(2-10)θa=Khδ显然，合格的土工合成材料应该满足下式：θa≥Fsθr(2-11)式中：Fs是安全系数，一般应不小于3；q为来水量，可以借流网法或其他方法估算(可参考有关资料)。式(2-11)如果得不到满足，可以更换厚一些的织物，或改用排水量大的其他排水土工合成材 料。　　(二)烟囱式排水布置　　上游来水流到竖向排水体土工织物(图2-4)，将沿织物往下流，通过下游底部排水层导向堤外。　　这种情况下的计算与上述（一）中所述的基本相同，即先按流网估算进人烟囱式排水体的来水量q，由此按式(2-9)算出θr(其中的i＝sinβ)；其次由提供的土工织物指标，按式(2-10)算出θa；再由式(2-11)检验提供的织物是否合适。要注意的是流入织物的渗流量是由上而下累计增大的，如图2-4(b)，其底部流量最大，应该逐段验算。图2-4烟囱式排水计算图(a)堤坝横断面团；(b)土工织物内部渗流示意图l—土工织物；2—浸润线(三)堤坝底部排水层　软基上堤坝底部铺设土工织物作为排水层的示意如图2-5。饱和软土地基在堤坝重力作用下将排水固结，排出的水量通过土工织物向两侧流走。　这种情况的排水计算较前述的稍复杂，因为它要涉及土的固结计算。这里不作详细介绍，仅写出以下公式作为参考。式(2-12)假设土工织物的最大承压力为地基中最大水压力的10％～15％，并根据单向固结理论推导得出：图2-5土堤底部排水示意图(2-12)式中：B为堤坝底宽；Ksυ是地基土的垂直向渗透系数；Cυ为土的固结系数，它是由地基土的固结试验求得的反映固结快慢的一个指标；t为筑堤的时间。　同样，可按式(2-11)检验所采用的织物是否有足够的导水能力。(四)塑料排水带垂直排水设计在第一章中已简单介绍了塑料排水带的构造，它是由塑料排水芯材外包非织造土工织物(滤膜)构成的一种土工复合排水材料，在软土地基加固中应用广泛。这种材料是由早期的“排水砂井”演变而来。 利用砂井加速软土地基固结的基本概念如下：假设有一处饱和软土地基，如图2-6(a)，在其表面施加外荷载(建筑物重量)，土中会产生超过静水压力的孔隙水压力，于是，土体中多余水分逐渐从排水面(地表)排出，这种现象称为排水固结。当土层厚度H(假设其下为不透水层)较大时，排水行程(即H)太长，土层完成排水固结的时间也将增大。若粘土渗透性小，则固结时间需要很长，故建造在软土上的建筑物将长期处于持续下沉的状态。为了加速固结，可以在软基中设置垂直方向的砂井(砂井是用造孔机械在平面上按一定间距和布置方式(常为正方形或梅花形分布)造孔(一般穿过软土层)，同时填入砂料，形成砂柱，如图2-6(b)。砂柱为软土提供了排水面，排入砂柱的水向上进入地面的砂垫层，再沿水平方向排走。根据固结图2-6利用砂井加速软土地基排水固结l—排水；2—砂井；3—砂垫层理论，排水固结的时间与排水距离的平方成反比。例如在图2-6中，不设砂井时的最大排水距离为H，设砂井后，相应距离为de/2。式中的de约为砂井间距，则为达到一定的固结度后者所需的时间t与前者时间T的关系为：t＝[（de/2）2/H2]T，所以只要调整de，即可使固结所需的时间缩短到要求的时间。事实上，所需时间比上式计算的还要短一些，因为在砂井水平排水的同时，还有土层自身的垂直向排水。砂井设计的要点在于按现有的土质特性(固结系数Cυ等)、砂井的直径和深度，现有的造孔设备规格(孔径和造孔深度)，以及许可的固结时间，通过三维固结理论来估算砂井的分布间距。很明显，间距愈小，固结将愈快，但为了使地基土不因砂井造孔而过分地扰动，砂井的间距不宜过小，一般为2～3m。　塑料排水带加速地基固结的概念与砂井的完全相同，只是以截面为矩形的排水带代替了截面为圆形的砂井，排水带计算仍然采用砂井理论中的固结理论，所以需要将排水带截面的周长(宽度和厚度分别为b和δ)转化为等效砂井直径d，显然d＝（2/π）(b十δ)。这样排水带就可以完全按直径为d的砂井设计。　在塑料排水带插带过程或砂井施工过程中，不可避免会引起地基土的扰动，并因此在排水带或砂井周围形成一相对不透水的土层，这种因对地基土扰动引起透水性降低的作用，称为涂抹作用。同时，塑料排水带或砂井的导水能力需要在一定的水头差作用下才能起作用，以排出从地基土流人的水量，这种砂井导水能力的有限性可称之为井阻。考虑涂抹和井阻作用的计算方法很多，有的方法可估算扰动土层的范围和渗透系数，以及塑料排水带的渗透系数，然而，这些量的确定仍然是困难的。这里不再介绍有关的计算方法，仅引用《建筑地基处理技术规范》中的规定：对长径比较大和井料渗透系数小的袋装砂井或塑料排水带，应考虑井阻作用，当采用挤土方式施工时，尚应考虑土的涂抹和扰动影响。考虑的方法是将理想条件下计算得到的平均固结度乘以0.80～0.95的折减系数。　用以上介绍的方法进行软土地基的排水固结计算一般已能满足工程设计的要求。在设计中还可针对实际情况进一步考虑其他因素(如分级加载，井深不穿过软土层，或地基土强度等)的影响，这里不再作进一步介绍，如有需要可参考有关文献。