崔玉橋，冷伍明，趙春彥，郭一鵬，董城

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排水釘工作機(jī)理的模型試驗(yàn)研究

崔玉橋1，冷伍明2, 3，趙春彥2, 3，郭一鵬2, 3，董城3, 4

(1. 山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250000；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；3. 高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075；4. 湖南省交通科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

目前大多數(shù)邊坡采用傳統(tǒng)PVC排水管，短時(shí)間服役后，常發(fā)生堵塞和土顆粒流失，導(dǎo)致排水失效。為研究一種長(zhǎng)期高效的新型排水系統(tǒng)——排水釘，在室內(nèi)開(kāi)展排水釘與傳統(tǒng)排水管的長(zhǎng)期排水試驗(yàn)，測(cè)試排水釘?shù)拿?xì)作用，分析2種排水系統(tǒng)的排水速度、綜合滲透系數(shù)、砂土顆粒級(jí)配的變化規(guī)律以及排水釘?shù)拿?xì)作用效果。研究結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)若干次干濕循環(huán)后，排水釘排水性能良好，而傳統(tǒng)排水管排水性能卻明顯降低；排水釘能促使其周邊砂土形成5~10 cm的天然反濾層；排水釘?土的耦合作用增強(qiáng)了砂土毛細(xì)作用。

排水釘；傳統(tǒng)排水管；長(zhǎng)期排水；天然反濾層；毛細(xì)作用

據(jù)統(tǒng)計(jì)，絕大多數(shù)路基邊坡的地質(zhì)災(zāi)害都與水的活動(dòng)密切相關(guān)[1?2]。強(qiáng)降雨后，大量雨水下滲，使土體抗剪強(qiáng)度明顯下降[3?4]，易發(fā)生滑坡、坍塌等災(zāi)害[5]。目前邊坡的主要排水方式為重力式排水，即水在重力作用下進(jìn)入PVC管等傳統(tǒng)排水管內(nèi)排出坡體。此類排水管利用孔洞收集飽和水，外包覆無(wú)紡?fù)凉げ?，利用碎石與級(jí)配砂層作為反濾層。反濾層質(zhì)量得不到保證，土顆粒易隨水進(jìn)入排水管內(nèi)，導(dǎo)致土顆粒流失及孔洞堵塞。實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，上述排水管，服役2~3年后極易產(chǎn)生堵塞甚至完全喪失排水功能[6]。因此，研發(fā)推廣一種高效排水、防止堵塞、保持水土的新型排水材料，將具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文所述新型排水材料——“排水釘”[7]通過(guò)鉆孔置入新建或既有路基邊坡中，具有全長(zhǎng)度、主動(dòng)排水，防止土顆粒流失，保障邊坡穩(wěn)定等特點(diǎn)，因其施工方法與土釘類似，筆者所在研究組將其命名為“排水釘”。排水釘是由排水釘節(jié)段及特制接頭組裝成的排水結(jié)構(gòu)(如圖1(a)所示)，其排水釘節(jié)段由PVC管外裹一層毛細(xì)透排水帶[9](如圖1(b))而成。其中，毛細(xì)透排水帶為排水釘?shù)闹饕潘Y(jié)構(gòu)，它在厚約2 mm的軟質(zhì)薄塑膠片上每隔1.5 mm開(kāi)設(shè)直徑1 mm的導(dǎo)水槽孔，導(dǎo)水槽孔外側(cè)沿縱向剖開(kāi)0.3 mm寬的毛細(xì)槽溝，形成斷面為“Ω”形的內(nèi)大外小的透排水通道。基于這種特殊的排水結(jié)構(gòu)，使排水釘具有獨(dú)特的排水機(jī)理。目前，排水釘已經(jīng)在路基、邊坡水害防治中得到一定的應(yīng)用(如圖2所示)，但國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有針對(duì)其工作機(jī)理的系統(tǒng)研究。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)毛細(xì)透排水帶作了部分研究，凌賢宗等[10]開(kāi)展了毛細(xì)透排水帶排水試驗(yàn)，檢驗(yàn)了其在不同滲透系數(shù)的土體中的反濾效果，比較了在不同布置形式下的排水能力和防淤堵性能；阮清波等[11]開(kāi)展了毛細(xì)透排水帶反濾性能試驗(yàn)，檢驗(yàn)其在不同土體中的最優(yōu)布置形式及反濾性能；陳霄等[12]測(cè)試了毛細(xì)透排水帶抗淤堵性能；徐滿杰等[13]采用5種不同級(jí)配和滲透系數(shù)的土樣開(kāi)展了排水試驗(yàn)，對(duì)采用毛細(xì)透排水帶治理土壩滲漏進(jìn)行了研究；陳航等[14]通過(guò)某整地工程，系統(tǒng)介紹了毛細(xì)透排水帶在滲透系數(shù)低、存在季節(jié)性強(qiáng)降水且易形成水患地區(qū)的應(yīng)用，全面分析了其應(yīng)用效果。綜上，國(guó)內(nèi)對(duì)毛細(xì)透排水帶排水特性的研究，局限于采用試驗(yàn)手段驗(yàn)證其排水能力、探討其抗淤堵以及設(shè)計(jì)應(yīng)用的層面。筆者所在研究組對(duì)排水釘?shù)呐潘阅?、適用條件及應(yīng)用設(shè)計(jì)參數(shù)已有了一定的研究成果[8, 15]。本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了排水釘?shù)墓ぷ鳈C(jī)理，形成的初步成果可為排水釘材料的理論研究及工程應(yīng)用產(chǎn)生一定的基礎(chǔ)和借鑒。

(a) 排水釘；(b) 排水釘結(jié)構(gòu)

(a) 未封口排水釘；(b) 排水釘外接頭

注：圖(b)為排水釘?shù)耐饨訌濐^，其與排水釘相連接，起保護(hù)排水釘及導(dǎo)流作用

1 排水釘工作機(jī)理的室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 排水釘與傳統(tǒng)排水管對(duì)比排水試驗(yàn)

為探討排水釘?shù)拈L(zhǎng)期排水性能，研究排水釘與土耦合作用下的工作機(jī)理，在室內(nèi)開(kāi)展了排水釘與傳統(tǒng)排水管的對(duì)比排水試驗(yàn)。測(cè)試了排水釘與傳統(tǒng)排水管經(jīng)長(zhǎng)期工作后的排水性能，分析了2種排水材料周圍土顆粒級(jí)配的變化。

1.1.1 試驗(yàn)裝置及材料

試驗(yàn)所用模型箱由有機(jī)玻璃膠結(jié)而成，其設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖3。

單位：cm

試驗(yàn)用排水釘規(guī)格：長(zhǎng)30 cm，直徑6.3 cm；傳統(tǒng)排水管由PVC管制成，在其上半部分以梅花狀間隔5 cm鉆一圓孔，直徑為1 cm，規(guī)格：長(zhǎng)30 cm，直徑6.3 cm，開(kāi)孔率7.5%。

試驗(yàn)用河砂的土顆粒級(jí)配曲線如圖4所示，其不均勻系數(shù)C=4.64，曲率系數(shù)C=0.46，表明砂樣級(jí)配不良。

圖4 砂土級(jí)配曲線

1.1.2 試驗(yàn)方案

試樣初始含水率為10%(±2%)，分6層夯實(shí)(控制相對(duì)密實(shí)度D=0.55)，每層夯實(shí)厚度為10 cm。制樣時(shí)首先在箱底鋪一層土工布，防止排水飽和階段土顆粒從底部水龍頭流失；第一層土樣制備完成后，安裝排水釘或傳統(tǒng)排水管，其中傳統(tǒng)排水管需用土工布包裹；接下來(lái)密封集水管與模型箱縫隙，確保排水通道唯一；隨后，分層夯實(shí)土樣并沿模型箱豎向中軸線布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)(如圖3所示)，均埋設(shè)孔壓計(jì)，土體水勢(shì)傳感器，土體水分傳感器，跟蹤土體的孔隙水壓力、基質(zhì)吸力和體積含水量。排水系統(tǒng)安裝和傳感器埋設(shè)實(shí)物如圖5所示。

(a) 排水釘；(b) 傳統(tǒng)排水管

注：圖(b)中傳統(tǒng)排水管與圖(a)排水釘安裝方式相同

試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，堵住集水管出水口，打開(kāi)箱底水龍頭，向試驗(yàn)箱內(nèi)加水，排出砂土中的空氣，使其達(dá)到飽和狀態(tài)。試驗(yàn)階段，關(guān)閉箱底水龍頭，打開(kāi)出水口，保持土樣頂面以上7 cm穩(wěn)定水頭，開(kāi)始常水頭排水試驗(yàn)，5 min后停止加水，進(jìn)行變水頭排水試驗(yàn)。試驗(yàn)分為3個(gè)階段，具體見(jiàn)表1。排水結(jié)束后，靜置試驗(yàn)箱使土樣變干，準(zhǔn)備下次試驗(yàn)。

表1 砂土中排水試驗(yàn)流程

注：該試驗(yàn)流程為1次排水試驗(yàn)流程，試驗(yàn)水頭基準(zhǔn)面為排水材料中心位置；1為試樣頂面無(wú)明水的時(shí)刻；2為無(wú)流水時(shí)刻

試驗(yàn)過(guò)程中，單位時(shí)間流量通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)排水量稱重法確定，孔隙水壓力、基質(zhì)吸力和體積含水量數(shù)據(jù)利用傳感器配套數(shù)據(jù)采集器采集。

為研究排水釘和傳統(tǒng)排水管的長(zhǎng)期排水性能，使2種排水材料分別經(jīng)歷若干次上述干燥-飽和排水循環(huán)(下文簡(jiǎn)稱“干濕循環(huán)”)后測(cè)試其排水速度。具體試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)表2。

表2 長(zhǎng)期排水試驗(yàn)過(guò)程

長(zhǎng)期排水試驗(yàn)結(jié)束后，分別取距排水釘和傳統(tǒng)排水管2，5，10和20 cm處土樣進(jìn)行篩分，分析長(zhǎng)期排水工作后2種排水材料對(duì)土體顆粒級(jí)配的影響。

1.2 排水釘毛細(xì)作用的驗(yàn)證試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)材料

為便于試驗(yàn)操作，本試驗(yàn)采用排水釘?shù)闹饕潘Y(jié)構(gòu)——毛細(xì)透排水帶進(jìn)行，排水帶規(guī)格：長(zhǎng)×寬=10 cm×10 cm。同時(shí)，為有效驗(yàn)證排水釘?shù)拿?xì)作用，使毛細(xì)作用現(xiàn)象明顯，該試驗(yàn)采用孔隙較小的細(xì)砂，故取本文1.1節(jié)試驗(yàn)用砂過(guò)2 mm篩后作為試驗(yàn)土樣。

1.2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在長(zhǎng)方形塑料水槽(長(zhǎng)×寬×高=27 cm× 20 cm×10 cm)內(nèi)進(jìn)行，土樣分4層夯實(shí)(控制相對(duì)密實(shí)度D=0.55)，每層厚度為2 cm。其中，底層砂土為濕砂(含水率=15%)，以上各層均用干砂。

如圖6所示，a試驗(yàn)水槽土樣內(nèi)插入2片毛細(xì)透排水帶，為方便試驗(yàn)操作，排水帶自底部起豎直插入；作為對(duì)照組，b試驗(yàn)水槽不插毛細(xì)透排水帶。將2組試驗(yàn)水槽靜置直至表層砂土濕潤(rùn)后，自水槽底起向上每隔2 cm取土測(cè)試含水率。

(a) 有排水帶；(b) 無(wú)排水帶

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 排水性能分析

通過(guò)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)流量確定2種排水材料的排水速度計(jì)算公式[16]為

式中：為排水速度，cm/s；為單位時(shí)間內(nèi)的滲流量，cm3/s；為埋設(shè)排水材料后的滲流截面積，即排水材料與土的接觸面積(其中排水釘1=632.97 mm2，傳統(tǒng)排水管2=668.39 mm2)。

為了評(píng)價(jià)排水材料?土耦合作用下砂土滲透性的強(qiáng)弱，研究排水材料的排水性能，取常水頭下綜合滲透系數(shù)進(jìn)行分析，其計(jì)算公式[16]為

式中：為綜合滲透系數(shù)，cm/s；為土樣高度，cm；即排水帶中心位置到土樣頂面的高度；為水頭差，cm，即排水帶中心位置到水面的高度。

2.1.1 排水速度

經(jīng)過(guò)若干次干濕循環(huán)后，2種排水材料的排水速度如圖7所示。

由圖7(a)得出，排水釘長(zhǎng)期排水試驗(yàn)的流速變化不大，其中累積干濕循環(huán)第23和38次時(shí)較第0和16次時(shí)的流速有小幅降低，但第55和64次干濕循環(huán)時(shí)的排水速度與試驗(yàn)初始時(shí)基本持平。而傳統(tǒng)排水管，排水速度隨干濕循環(huán)次數(shù)逐次降低(如圖7(b)所示)，且下降幅度較大。

2.1.2 常水頭下綜合滲透系數(shù)的變化

經(jīng)過(guò)若干次干濕循環(huán)后，2種排水材料在常水頭下的綜合滲透系數(shù)變化如圖8所示。

(a) 排水釘；(b) 傳統(tǒng)排水管

圖8 常水頭排水時(shí)綜合滲透系數(shù)的變化

常水頭下，排水釘?shù)木C合滲透系數(shù)隨長(zhǎng)期試驗(yàn)的進(jìn)行無(wú)明顯變化，相比第一次試驗(yàn)，其后歷次排水試驗(yàn)的綜合滲透系數(shù)波動(dòng)最大時(shí)僅為5%，排水性能較穩(wěn)定；而經(jīng)歷了51次干濕循環(huán)后，傳統(tǒng)排水管的綜合滲透系數(shù)較試驗(yàn)初降低了35.6%，排水性能明顯降低，與排水釘基本持平。

綜上，由圖7~8可知，經(jīng)過(guò)多次干濕循環(huán)后，排水釘保持高效的排水性能，無(wú)明顯變化。由于2種排水材料工作機(jī)理的差異，試驗(yàn)初期傳統(tǒng)排水管的排水速度、綜合滲透系數(shù)大于排水釘，但其排水能力隨試驗(yàn)的進(jìn)行降低明顯，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)即與排水釘相當(dāng)，且呈持續(xù)下降的趨勢(shì)。

2.2 反濾作用分析

2.1節(jié)從排水性能方面對(duì)比分析了2種排水材料，本節(jié)依據(jù)反濾準(zhǔn)則[17?18]分析試驗(yàn)后兩者的土顆粒級(jí)配變化，進(jìn)一步揭示排水釘?shù)墓ぷ鳈C(jī)理，土顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖9。

(a) 排水釘；(b) 傳統(tǒng)排水管

如圖9(a)所示，距排水釘2 cm和5 cm處土顆粒級(jí)配比試驗(yàn)前的原狀土樣有較大變化，其中0.5 mm以下土顆粒較原狀土樣減少；距排水釘10 cm和20 cm處土顆粒級(jí)配基本無(wú)變化。這表明排水釘附近土樣的細(xì)顆粒有一定流失，流失界限大約在距排水釘5~10 cm范圍內(nèi)。這恰與排水釘?shù)呐潘F(xiàn)象相吻合，即第1次排水試驗(yàn)時(shí)，流出的水迅速由渾濁變清澈，之后歷次試驗(yàn)排出的水均為清水，且卸樣時(shí)排水釘?shù)膶?dǎo)水槽孔沒(méi)有被土顆粒堵塞。說(shuō)明由于排水釘?shù)摹唉浮睒?gòu)造，使少量排水釘附近的細(xì)小土顆粒隨水進(jìn)入導(dǎo)水槽孔，流出土體，較大土顆粒則被阻擋于毛細(xì)槽溝外。正是排水釘?shù)倪@種作用，催化其附近土樣形成了天然反濾層，阻止了土顆粒的進(jìn)一步流失。其反濾層形成示意圖見(jiàn)圖10。

圖10 排水釘作用下砂土反濾層形成示意圖[8]

排水試驗(yàn)結(jié)束后傳統(tǒng)排水管的土顆粒級(jí)配曲線如圖9(b)所示，距排水管2，5和10 cm處土顆粒級(jí)配對(duì)比試驗(yàn)前的原狀土樣有明顯的變化，其中1 mm以下細(xì)土顆粒流失嚴(yán)重；20 cm處土顆粒級(jí)配基本無(wú)變化。傳統(tǒng)排水管每次排水試驗(yàn)流出的水均出現(xiàn)渾濁；卸樣時(shí)發(fā)現(xiàn)，排水管所包裹土工布的孔隙已被細(xì)小土顆粒填塞(如圖11所示)。其原因是傳統(tǒng)排水管附近土層并沒(méi)有形成有效的反濾層，在長(zhǎng)期排水過(guò)程中一直存在細(xì)土顆粒的流失；且細(xì)土顆粒填塞土工布，堵塞孔道，使排水效率降低。

圖11 卸樣后包裹傳統(tǒng)排水管的土工布

排水釘參與路基邊坡排水時(shí)，催化其周邊土體形成了穩(wěn)定的天然反濾層，阻擋土顆粒隨水流動(dòng)進(jìn)入導(dǎo)水槽孔，避免堵塞排水通道，保證了排水釘?shù)拈L(zhǎng)期排水性能；而傳統(tǒng)排水管無(wú)法使土體形成有效的天然反濾層，需在排水管周邊設(shè)置人工反濾層，工序復(fù)雜，造價(jià)高，在行車密度大、維修天窗時(shí)間短的既有線鐵路或重要公路的路基邊坡中難以實(shí)現(xiàn)。因而，筆者認(rèn)為排水釘更適宜于路基邊坡的長(zhǎng)期排水工作，尤其是既有路基邊坡的排水修復(fù) 工程。

2.3 排水釘?shù)拿?xì)作用

本節(jié)揭示了毛細(xì)透排水帶對(duì)砂土毛細(xì)作用的影響。由于砂土自身的毛細(xì)作用[19?20]，有無(wú)排水帶作用時(shí)的表層砂土均出現(xiàn)濕潤(rùn)現(xiàn)象，如圖12所示。

圖12 毛細(xì)作用測(cè)試試驗(yàn)現(xiàn)象

但由于毛細(xì)透排水帶的作用，2種試驗(yàn)條件下不同埋深的砂土含水率存在明顯差異，如圖13 所示。

圖13 有無(wú)排水帶作用的砂土含水率

水槽內(nèi)不同深度砂土的含水率見(jiàn)圖13，自水槽底(即0 cm處)向上砂土含水率逐漸降低；有排水帶作用比無(wú)排水帶時(shí)，水槽底部土層含水率低約1%，上部土層砂土含水率高約1%，2條曲線相交于土層的中間位置(約4 cm處)。這表明毛細(xì)透排水帶加強(qiáng)了砂土的毛細(xì)作用，更有效地將水槽底部砂層中的毛細(xì)水輸送至上部，降低了底部砂土的含水率。通過(guò)計(jì)算，毛細(xì)透排水帶的細(xì)小毛細(xì)槽溝能夠產(chǎn)生45.6 Pa[21]的毛細(xì)力，將對(duì)排水釘附近的孔隙水產(chǎn)生毛細(xì)作用，進(jìn)一步對(duì)土體內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，促使較遠(yuǎn)處的孔隙水向排水釘遷移，在一定程度上促進(jìn)排水，尤其對(duì)降低非飽和土體含水率，維持邊坡穩(wěn)定性有積極作用。

3 結(jié)論

1) 經(jīng)多次干濕循環(huán)后，排水釘?shù)母咝潘阅芑颈３植蛔?，而相同條件下的傳統(tǒng)排水管，其排水性能明顯降低。

2) 排水釘能夠促使距其5~10 cm范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生穩(wěn)定的天然反濾層，而傳統(tǒng)排水管的這一功能并不顯著，且易導(dǎo)致起過(guò)濾作用的土工布淤堵，阻塞排水管。

3) 排水釘?砂土的耦合作用增強(qiáng)了砂土的毛細(xì)作用，促進(jìn)孔隙水向排水釘遷移，有利于降低土體含水率。

試驗(yàn)成果表明排水釘這種新型排水結(jié)構(gòu)具有排水效率較高、長(zhǎng)期性能好的特點(diǎn)，可克服傳統(tǒng)排水管的缺點(diǎn)，是可用于路基邊坡水害處治的一種新方法。

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Model test and study on the working mechanism of drainage nail

CUI Yuqiao1, LENG Wuming2, 3, ZHAO Chunyan2, 3, GUO Yipeng2, 3, DONG Cheng3, 4

(1. Shandong Provincial Communications Planning and Design Institute, Jinan 250000, China 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 3. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China; 4. Hu nan Communication Research Institution, Changsha 410075, China)

At present, most of the traditional PVC drainage pipes don’t work after a short period of use because of clogging and soil-particles lost. To study a long-term and efficient new drainage system, drainage nail, a long-term drainage test of drainage nail and traditional drainage pipe was carried out, and the capillary action of drainage nail was tested. In this paper, the drainage velocity, comprehensive permeability coefficient, the variation rule of sand particle gradation and the capillary effect of drainage nail were analyzed. The results show that the drainage performance of drainage nail is good after several dry-wet cycles, and traditional drainage pipe’s drainage capacity decreases significantly. The drainage nail can make the surrounding sand form 5~10 cm natural anti-filtration layer. The capillary effect of sand is strengthened by the coupling of the drainage nail and soil.

drainage nail; traditional drains; long-term drainage; natural anti-filtration layer; capillarity

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.11.010

TU441.4

A

1672 ? 7029(2018)11 ? 2796 ? 08

2017?09?29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51678572，51408613)；中南大學(xué)研究生自主探索創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2017zzts529)；湖南省科技人才專項(xiàng)?湖湘青年英才計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016RS3037)

趙春彥(1980?)，男，河南唐河人，副教授，博士，從事巖土工程方向的研究；E?mail：zcy339@163.com

(編輯 涂鵬)