隧道工程非织造土工布的水平排水特性探讨.pdf

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 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 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 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 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 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 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 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 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 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、 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 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。 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， 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。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 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 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 ) ， 也决定了水流在非织造布过水截面中直接 接触的纤维孔隙周长P 。由于纤维自身的粗糙度及其对水的 吸附、粘滞作用， P值也将会对非织造布的排水能力造成影 响： 当非织造布水平方向截面上的孔隙率n 相同时， 如果r 小 而 r 大， 则使得N P 增大， 会造成水流在非织造布内受到纤 维的粘滞作用也增加， 降低其水平方向的排水能力。 另外需要说明的是， 式( 1 ) 目前只是一个理论公式， 原因 在于目前对如何确定非织造布水平方向上截面内的参数r 及 r尚没 有较为 精确的 测试方法。 2 2 制造规格对模型的影响 非织造布因制造规格( 平面单位质量) 的不同， 纤维骨架 稀疏程度、 孔隙大小等也会随之发生变化。 已知非织造布孔隙 率 的计算公式为： n ： 1 一 一 ( 2 ) p 式中： 广一非织造物单位面积质量， g m z ； p 一非织造物原材料密度， 咖 ； 非织造物厚度， m 。 由式( 2 ) 可以推出式( 3 ) ： m = p ( 1 一 n ) h ( 3 ) 由式( 3 ) 可知， 当使用同一种原料( 此时p 为常值) 生产不 同 规格的非织造布时， 要想实现m的增大， 可以通过降低, 或者增加h ， 甚至可以同时调整以上2 个参数来达到目的。 这 2 个参数的变化，势必会使得非织造布多孔介质排水模型中 的 相关参数( r 、 ) 也发生变化， 同 样也会对其排水能力造成影 响。 2 - 3 法向压力对模型的影响 从目前的研究来看，对非织造布的排水性能造成影响的 因素有： 孔径大小( r ) 、 孔隙分布情况0 ) 及厚度 ) 。 影响这3 个因素的条件除了纤维性能、 制造工艺、 单位面积质量外，还 有一个很重要的条件法向压力的大小。原因是由于非织 造布结构膨松， 多孔易 变且 较厚，受 压后使织物中的 纤维发 生了 重新定位。 非织造布单位面积内 的纤维质量是不变的， 在 受到法向 压力的作用下，由 于它的内 部结构即 排水通道 孔径有了新的调整，因而其排水性能就会相应地产生变化 。 由参考文献 4 知， 非织造布的孔隙率随法向压力的增大 在内部纤维重新定位的调整下，向减小的方面转化。开始变 化较快， 后由一 个缓慢的 速率趋向 一个定值。 且有效孔径也 在压 力的 作用下不断 变小， 趋势同 样是开 始减小 快， 至一定压 力值时 近于稳定。 因 此， 在压缩过程中 模型的参数也是在不断 调整的， 直到一定 压力值时 各参数近于稳定。 3 非织造土工布水平排水试验 为对比 不同 规格非织造布在隧道环境中的水平排水性 能， 进行了模拟装置中的对比排水试验。 3 1 试验原料基本参数 采用的试件材 料为市 场购买的同 一厂家生产的 标称规格 分别为4 0 0 、 5 0 0 g m 的P E T无纺布。经过实际测量及计算 后， 得出这2 种无纺布的基本参数如表 1 所示。 表 1 2种无纺布的参数对比 注 ： 按式 ( 1 ) 计算 。 由表 1 可知，这2 种规格的无纺布实际上的平面单位质 量都要小于厂家的标称规格，在没有受到压缩的状态下5 0 0 咖 z 的无纺布单位宽度上的等效过水面积要大于4 0 0 m 的 无纺布。 3 2 试验装置 用2 层混凝土板对隧道衬砌中布置了非织造布排水层的 情况进行模拟， 试验原理符合S I T 2 3 5 -1 9 9 9 ( ； 工合成材料 测试规程 ， 只是对 试验 装置 做了 一些简化与改进。 试验板的平面布置如图4 所示，虚线位置为布置无纺布 条的 位置， 板中 线位置1 - 1 剖面如图5 所示。 2 种规格的无纺 布条取样尺寸相同， 均为长4 5 c m ， 宽5 c m的长条。 ( ) _ 一 手动泵接口； A 、 B 一出水口； d 一螺栓孔 图 4 试 验板 平面布置 为考察无纺布在相对封闭状态下的排水性能，防水层采 N E W B UI L D l NG MAT E R l AL S 5 9 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 用跟混凝土 基面具有一定粘结效果的 喷膜防 水层， 将无纺布 封闭在上层混凝土板上。 之后将双层混凝土板对齐合拢， 并拧 紧四角的螺栓，以模拟隧道衬砌对防水层、排水层的挤压状 态。 试验中施加水压的手动泵为上海恒舟机械设备有限公司 生产的S B 一 6 - 3 型， 施加的最大水压可达到6 - 3 M P a 。 手动泵的 接I： 1 与试验板中央0点位置处的无缝钢管进水管相接。 图 5 试验板 中线位置剖面 3 3 试验过程 根据隧道工程中地下水的实际情况，试验拟考察较大水 压下无纺布的排水性能，因此以0 0 5 M P a 为初始排水水压， 每级加压增加幅度也为O 0 5 M P a ， 试验最高水压为直到手动 泵无法持续施加稳定的水压为止。 手动加压保持 每次 水压不变， 用秒表计时， 并 分别用量筒 量测一定时间内A 、 B出 水口 处的排水量。 试验中 水压差从 0 0 5 M P a 加到0 2 5 M P a ， 共5 级水压。 3 4 试验结果 根据试验记录数据，可以直接计算出这2 种规格无纺布 在不同水压差下的单位时间排水量， 并根据计算公式5 1计算出 不同水压差时的水平渗透系数 ， 结果如表2 所示。 表 2 无纺布水平排水参数 根据表2 可以得到2 种规格无纺布在等宽条件下，随渗 透水压增加的单位时间排水量及水平渗透系数的变化曲线， 见图6 、 图7 。 6 0 新型建筑材料 2 0 3 1 图 6 单位时间排水量曲线 图 7 水平渗透系数 曲线 从表2 及图6 、 图7 可以得出以下结论： ( 1 ) 在边界相对封闭且受到一定法向压力的状态下， 4 0 0 m 2 的无纺布的水平排水能力始终大于5 0 0 g m 2 的无纺布 这与一般认识上的无纺布平面单位质量越大其排水能力越强 的观点恰恰相反，也与在没有压缩时2 种规格无纺布等效过 水面积大小的比较结果相反。 ( 2 ) 在水压增加的过程中， 无纺布的排水能力也随之增 大， 且在一定水压差范围内呈近线性的变化规律， 这个趋势无 论是在4 0 0 g m 还是5 0 0 g m 的无纺布上反映都一致。 ( 3 ) 排水层对水压的卸载作用非常明显， 虽然手动泵所能 施加的最大额定水压为6 3 M P a ， 但在试验中实际所能加上的 最大稳定水压却只能达到0 2 5 M P a 。可以推知， 在该试验装 置中如果扩大铺设无纺布排水层的面积与排水通路的话， 对 水压的卸载能力将得到更明显的体现。 3 5 部分结果分析 笔者在此结合图3 所提出的多孔介质模型来对部分试验 结果进行分析。 ( 1 ) 如式( 3 ) 所示， 在生产过程中 要增大无纺布的ra 可以 通过调整n 、 来实现。通过对试验中所用到的2 种规格的无 纺布的观察及实测，发现5 0 0 g m 的无纺布不但降低了n 也 增加了h ， 同时由于纤维网骨架加密， 等效孔径也随之减小。 因此就会导致出 现如图8 所示的结果，即虽然在5 0 0 g m 无 纺 布中5 水 稍大， 但由 于r 减小的同 时增 加， 因 此实际上N P 也 大大增加， 这样 对水流的 粘滞效应也比4 0 0 g m 的无纺布 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 大得多， 其水平排水能力自 然就会下降。 一 黼 f b ) 5 0 0 g m 图 8 2种无纺布的模型对 比 ( 2 ) 受到法向压力时， 非织造布受压而发生孔隙率的变 化，认为这主要体现在等效孔径r 的减小上，而则变化不 大。在一定压力下无纺布厚度的变化趋势也已经趋于平缓， 孔隙率亦然【句 。这样的压缩虽然均会减小这2 种规格无纺布 的 排水能力， 但相比 较而言在同 等压缩条件下， 5 0 0 g m无纺 布由于其N P仍然大于4 0 0 g m z 的， 因此其排水能力仍然小 于4 0 0 g m 的无纺布。 ( 3 ) 在边界相对封闭且外界位移限制已经基本稳定的情 况下， 无纺布排水层所占有的空间也保持一定。 尽管水压在增 加， 但由于水流仍然主要是在非织造布内部流动， 认为水压对 无纺 布的 后期 压缩作用不大， 此时无纺布的模型参 数基本也 不再调整， 反映在无纺布的水平渗透系数基本保持稳定上， 因 此在排水试验中无纺布单位时间的排水量基本呈现随等差水 压而线性增加的规律。 4 探讨 ( 1 ) 非织造布水平方向截面的多孔介质模型尚处于半定 量化阶段， 需要进一步深入认识。 决定模型模拟精确度的2 个 重要参数为等效孔径r 及孔隙数量 ，这 2 个参数决定了非 织造布水平排水能力的重要因素等效： 过水面积S ( n S或 7 r r 2 ) 及水流接触的纤维周长( P或2 7 r r ) 。随着图像捕 。 捉及处理、 统计、 分形技 术的 发展171 ， 非 织造布的 微观结构也将 得到 进一步的 认识， 只要相关技术 达到 一定的成 熟程度， 也必 将能精确地量化以上模型参数。 一 ( 2 ) 在隧道工程中使 用的非 织造布不但具有排水功能， 也 能 起到对防 水层的 缓冲、 保护功能。 从实际的 使用效果来看， 过低规格的 非织造布由 于其厚度偏低， 抗拉强度低， 容易 在施 工过程中 被撕破而影响其使 用效 果， 因此， 相关行业规范中 都 要求非织造布的规格不能过低。但也如本文的试验结果所显 示的， 非织造布不一定就是规格越高其排水能力越好， 还要结 合其实际的排 水能 力进行综 合比 选。 ( 3 ) 非织造布对水压的卸载作用是比 较明显的， 结合软式 透水管使用或排水层后空腔存在连通路径时，其排水能力增 强， 对水压的卸载作用也会更佳。 但隧道工程中 排水层对水压 的具 体卸 载程度， 仍然需要展开 进一 步研究。 参考文献： 1 马建伟 ， 郭秉 臣， 陈韶娟 非织造 布技术概 论【 M】 北京 ： 中国纺织 出版社 ， 2 0 0 4 【 2 】 郭秉臣 非织造布学 M 北京： 中国纺织出版社， 2 0 0 2 3 3 吕康成， 崔凌秋， 王大为， 等 隧道衬砌混凝土施工过程中防水层 受力测试 J 公路 ， 2 0 0 0( 5 ) ： 4 6 - 4 8 4 任之 忠， 李学军 土工织物透 水性能的研究 J 西北水资源与水工 程 ， 1 9 9 7 ， 8 ( 4 ) ： 2 4 2 7 【 5 】 S L T 2 3 5 - 1 9 9 9 ， 土工合成材料测试规程【 S 6 魏取福， 贺福敏 非织造土工布压缩性及导水性的研究 J 】 纺织学 报 ， 1 9 9 6 ， 1 7 ( 5 ) ： 4 7 4 9 【 7 1 杨旭红， 李栋高 非织造材料孔隙结构的定量表述 J 1 _产业用纺织 品， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 1 0 1 5 A ( 上接第 5页) 【 4 】4 彭小芹， 马铭彬 土木工程材 料【 M】 重庆 ： 重庆 大学出版社 ， 2 0 0 6 ： 4 0 41 【 5 】 E l k e G r u y a e r t ， P h i l i p V a n d e n He e d e ， Ma t h i a s Ma e s ， e t o 1 I n v e s t i g a t i o n o f t h e i n f l u e n c e o f b l a s t - f u r na c e s l a g o n t h e r e s i s t a n c e o f c o n e r e t e a g a i n s t o r g a n i c a c i d、 o r s d l p h a t e a t t a c k by me a n s o f a c c e l e r a t e d d e g r a d a t i o n t e s t s忉 C e me n t and C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0l 2， 4 2： 】 7 3 -1 8 5 6 】 杨凯 酸性水腐蚀下混凝土性能 的劣化与防护技术研究【 D 】 武汉 ： 武汉理工大学 ， 2 0 1 1 【 7 Ma k h l o u fi Z， K a d r i E H， B o u h i c h a M， e t a 1 R e s i s t a n c e o f l i me s t o n e mo r t a wi t h q u a t e rna r y b i n de r s t o s u l f u r i c a c i d s o l u t i o n J 】 C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 1 2 ， 2 6 ： 4 9 7 - 5 0 4 8 】 Z h o u Q， Hi l l J ， B y a r s T E A， e t o i T h e r o l e o f p H i n t h a u m a s i t e s u l f a t e a t t a c k J 】 C e me n t and C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 6 ， 3 6 ： 1 6 0 一 A N E W B UI L DI NG MA T E R I AL S 6 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m