隧道工程非织造土工布的水平排水特性探讨.pdf
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1、杆 建蟓 中 国 科 技 核 心 期 刊 隧道工程非织造士工布的 水平; i E 水转J:生 探讨 蒋雅君 , 杨其新 , 刘东民 , 盛草樱 ( 1 西南交通大学 交通隧道工程教育部重 点实验 室, 四川 成都6 1 0 0 3 1 ; 2 西南交通大学峨嵋校 区 土木工程系 , 四川 峨眉 山6 1 4 2 0 2 ; 3 西南交通大学 生命科学与工程 学院, 四川 成都6 1 0 0 3 1 ) 摘要 : 根据非织造土工布的结构特点、 隧道工程的环境条件, 基于非织造土工布水平方向的多孔介质模型与水平排水试验, 对 非织造土工布在水平方向上的排水特性进行了分析和探讨。 模型分析表明, 其
2、 2 个重要影响参数等效孔径 r 、 孔隙数 目J v 会受非织 造布的规格、 外界法向压力等因素的影响发生变化; 水平排水试验结果也表明, 虽然单位面积质量高的无纺布等效过水面积大, 但 由于其等效孔径小且孔隙数量多, 造成过水截面中的孔隙总周长大, 使其水平排水能力降低。 关键词: 非织造土工布; 水平排水性能; 多孔介质模型; 隧道工程 中图分类号: T U 5 7 + 9 文献标识码: A 文章编号: 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 3 ) O 1 0 0 5 7 0 5 Di s c u s s i o n o n l e v e l d r a i n a g e p
3、 r o p e r t y o f n o n wo v e n g e o t e x t i l e s i n t u n n e l e n g i n e e r i n g J I A N G Y a j u n , Y A NG Q i x i n , L I U D o n g m i n , S HE N G C a o y i n 6p ( 1 Ke y La b o r a t o r y o f Tr a n s p o r t a t i o n Tu n n e l En g i n e e rin g, Mi n i s t r y o f E du c a t
4、 i o n , S o u t h we s t J i a o t o n g Un i v e r s i t y , Ch e n g d u 61 0 0 31 , S i c h u a n , C h i n a : 2 D e p t o f C i v i l E n gi n e e r i n g , E m e i C a m p u s , S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y , E me i s h a n 6 1 4 2 0 2 , S i c h u a n , C h i n a : 3
5、S c h o o l o f L i f e S c i e n c e a n d E n gin e e ri n g , S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y , C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 , S i c h u a n , C h i n a ) Abs t r ac t : Th e l e v e l d r a i n a g 6 p r o p e rty o f n o n wo v e n g e o t e x t i l e s wa s a n a l y z e d a
6、 n d d i s c u s s e d b a s e d o n p o r o u s me d i u m mo d e l o f l e v e l d i r e c t i o n an d l e v e l d r a i n a g e e x p e rime n t s a c c o r d i ng t o t h e mi c r o s t r u e t ur e f e a t u r e s o f n o n wo v e n g e o t e x t i l e s and e n v i r o n me n t a l c o n d i
7、t i o n s o f t u n n e l e n g i n e e rin g Th e a n a l y s e s t o t h e p o r o u s me d i u m mo d e l s h o ws t h a t t wo i mp o r t ant p a r a me t e rs( e q u i v a l e n t a p e r - t u r e r r a n d n u mb e r o f p o r e s)o f t h e mo d e l w i l l a d j u s t t o s u i t t h e c h a
8、 n g e o f p l ane u n i t ma s s o f n o n w o v e n g e o t e x t i l e s a n d n o r m a l p r e s s ur e o n i t Th e l e v e l d r a i n a g e e x p e rime n t s a l s o s h o w t h a t alt h o u g h t h e n o n wo v e n g e o t e x t i l e s wi t h h i s h p l a n e u ni t ma s s h a s b i g g
9、 e r e q u i v a l e n t flo w a r e a, i t s l e v e l d r a i n a g e c a pa b i l i t y i s l o we r be c a u s e i t s e q u i v a l e n t c i r c u mf e r e n c e i s l o n g e r a c c o r d i n g t O t h e s ma l l e r e q u i v a l e n t a p e u r e a n ff mo i e n u mb e rs o f p o r e s o f
10、 t h e l e v e l fl o w s e c t i o n Ke y wo r d s : n o n w o v e n g e o t e x t i l e s ; l e v e l d r ain a g e p r o p e r t y ; p o r o u s m e d i u m m o d e l ; t u n n e l e n gin e e ri n g 目前, 非织造布( N o n w o v e n , 俗称无纺布) 在土木工程中 的应用已经越来越广泛,隧道工程也利用非织造土工布自 身 的 疏松结构与双面透水 性能, 常用于防水板后起到排水
11、、 缓冲 等作用。 本文基于非织造布自 身的结构特点, 结合隧道防排水 基金项 目: 国家 自然科学基金青年科学基 金项 目( 5 1 1 0 8 3 8 5 ) ; 中央高校基本科研业务费专项资金资助( S WJ T U 1 1 Z T 3 3 ) 收稿 日期 : 2 0 1 2 1 0 0 8 作者简介: 蒋雅君, 男, 1 9 8 0年生, 广西桂林人, 博士, 副教授, 主要研 究方向为隧道与地下工程防排水技术、 既有隧道病害检测及处治、 地 下工程 防灾减灾等 。 地址 : 四川成都 二环路北一段 1 1 1 号西南交通大 学土木 学院地下工程系 , E ma i l : y a j
12、 u n j i a n g 1 2 6 c o m。 工程的环境条件, 对非织造土工布的水平排水特性做一些分 析与探讨。提出了采用实验室力学参数进行充填设计的合理 安全系数与可靠性指标。 1 研究背景 1 1 非织造布的微观结构 目前适用于非织造布生产的化学原料主要有丙纶( P P ) 、 涤纶( P E T ) 、 锦纶( P A ) 、 维纶( P V A ) 等, 相对密度约为 0 9 1 3 8 ” 。 从总体上讲, 非织造布都是纤维网形成的布状材料, 这 些纤维在纤维网中以不同的形式 存在, 有的 纤维之间基本是 平行存在, 有的纤维之间是二维杂乱排列, 也有的是三维杂乱 排列。
13、纤维 之间的 联结 又有不同的 方式, 如纤 维与纤维之间 可 NE W B OI L DI NG MA T E R I AL S 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 蒋雅君, 等: 隧道工程非织造13 - 布的水平排水特性探讨 以以 机械外力的形式互相纠结在一起, 也可以 通过粘合剂粘 合在一起, 还可以利用热粘合的方式粘合在一起等等。 非织造 布的基本微观结构如图1 所示翻 。 图 1 非织造布的微观结构 1 2 非织造布的排水机理 非织造布是纤维网络状结构材料, 其孔隙率很大, 如目 前 在隧道工程中用量较多的针刺无纺织布的孔隙率可达 9 0 以上,
14、同时其孔径可以达到较大数值, 所以土工织物具有很强 的透水能力。 在非织造土工布中形成了许多相互连通的孔隙, 水在压差的作用下会透过这些孔隙而流动,产生排水与过滤 的作用, 这就是非织造布的基本排水机理。 由于在水平和垂直方向都存在一定的连通孔隙,因此非 织造布在水平和垂直方向上都具有排水及过滤能力。在隧道 中即利用这种双向透水能力,在防水板后铺设非织造布对侵 入初衬后的地下水进行引排。由于地下水的主要流动路径还 是在非织造布内部,因此非织造布的水平排水能力是重要的 性能指标。 1 - 3 隧道防排水的工程环境 非织 造布 通常 使用在隧道衬砌中的防 水层后, 起到 初步 的排水、 缓冲作用。
15、由于隧道具有自 身的工程条件, 因此非织 造土工布排水层所处的 环境又有其特点: ( 1 ) 防、 排水层处于隧道初衬与二衬之间( 如图2 所示) , 在后期的二衬浇注及围岩应力调整过程中,必然要受到持续 一 段时间过程的挤压,挤压力在达到一定峰值后即会趋于稳 定口 】 。法向压力虽然对非织造布的水平渗透系数影响不大, 但 由于厚度减小较快,因此会对非织造布排水层的水平导水系 数造成较大的 影响, 降 低排水能力嗍 。 ( 2 ) 非织造布排水层铺设的基面多凹凸不平, 因此会在其 后形成一定的局部空腔,这在一定程度上会增加排水层的排 水空间。如图2 所示, 一般喷混凝土初衬基面不太平整, 因此
16、 防排 水层也 不会密贴在初衬 基面 上, 但在衬砌之间挤 压力的 作用下, 这些空腔不一定会全部连通, 因此从安全的角度来 5 8 新型建筑材料 2 0 1 3 1 防排水层 图 2 排水层位置及其 后空腔示意 说, 这也多作为一 种理论上的排水空间 储备来加以 考虑。 ( 3 ) 非织造布后往往每间隔一定距离就会铺设环向与纵 向软式 透水管, 局 部范围内 的渗水都将 汇集到排水管中排走。 在透水管布设位置处的渗水, 将直接渗入到水管中, 而透水管 位置附近的渗水则通过防水层的隔离与非织造布的引排作 用, 沿着非织造布渗入到透水管中排走。 2 非织造土工布的水平排水模型 2 1 多孔介质排
17、水模型的建立 随着图像处理技术的发展,目 前对非织造布的微观结构 也有了一定认识,笔者据此提出非织造布的多孔介质模型来 解释其水平排水机理:由于非织造布在水平方向上的任意截 面空间均由纤维不透水体骨架及其间的孔隙组成, 可以将这 些孔隙根据其平均孔径大小( 可以视为水平方向上的等效孔 径) 简化视为圆孔形状, 均匀分布在截面空间内, 而其余部分 则为不透水的纤维骨架。该模型如图3 所示。 非织造布边 界 J -J 图 3 非织造布水平排水的多孔介质模型 经过该 模型的 简化, 可以 得出非 织造布在水平方向上的 等效过水面积为: S永 : - 5 一 S = b h - S纤 = r 1 T
18、r 2 = n s ( 1 ) 式中: S , S 水 、 S 纤 非织造布水平方向截面的总面积、 等效 过水面 积、 纤维骨 架所占 面积; 6 、 非织造布水平方向截面的宽度、 厚度; j 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 蒋雅君, 等: 隧道工程非织造土工布的水平排水特性探讨 _ 非织造布水平方向截面内等效圆形孔隙的个数; 广 一 等效圆形孔隙半 径; n 非织造布水平方向截面上的孔隙率。 该 模型的重 要参数为r , N , 其模拟的 精确 程度也与 这2 个 参数密切相关。 这2 个参数不但决定了非织造布的n ( 由此可 以也计算出S 水 ) , 也决定
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