（岩土工程专业论文）土工织物等效孔径测定方法的分析.pdf

摘要 土工织物由于其多样的性能，已被广泛的应用于各类工程。土工织物的等效 孔径是反映其渗滤性能的重要指标。原有的水利部行业标准土工合成材料测试 规程s l 2 3 5 1 9 9 9 已制订多年，孔径试验( 干筛法) 的使用中发现一些问题， 如粒料与织物反复摩擦产生的静电吸附现象，严重影响了试验所得结果的准确 性，需要改进完善。目前国内外现有标准中等效孔径的测定方法各不相同，这些 方法各有优缺点，所测得的结果也不尽相同。 本文在调研国内外多种等效孔径的测定方法基础上，对现有各标准中测试等 效孔径方法的优势、存在的问题、适用范围上进行了分析和总结，拟定最佳测试 方法。 选择干筛法后，针对原有测试方法中的静电和试样数量问题设计了相应比对 试验，对在不同试验环境和试样准备条件下的实验结果进行对比，提出了有效消 除干筛中静电作用的途径，给出了不同试样条件下数量准备的合理方法。 然后针对试验中颗粒材料、振筛时间和设备等规定结合现有的实验数据进行 对比，分析等效孔径测试方法改进的可行性与实际效果，为测试方法的修订提供 依据。 最后本文给出了对土工织物有效孔径测试方法( 干筛法) 的改进建议。 关键词：等效孔径土工织物干筛法无纺织物 a b s t r a c t g e o s y n t h e t i c sa r ew i d e l yu s e di nm a n yk i n d so fp r o j e c t sb e c a u s eo fi t sg o o d f e a t u r e st om e e td i f f e r e n te n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t s t h eo p e n i n gs i z eo fg e o t e x t i l ei s a l li m p o r t a n tf i l t r m i o np a r a m e t e r t h el a s tt r a d es t a n d a r d sa b o u t ( c o d ef o rt e s ta n d m e a s u r e m e n to fg e o s y n t h e t i c s s l 2 3 5 - 19 9 9o ft h em i n i s t r yo fw a t e rr e s o u r c e sh a s b e e nf o u n d e dm a n y y e a r s t h e r ea r es o m ed i s a d v a n t a g e si nu s i n gt h ed r ys i e v i n g m e t h o dt od e t e r m i n et h ee q u i v a l e n to p e n i n gs i z e ( e o s ) o fg e o t e x t i l e ss u c ha ss t a t i c e l e c t r i c i t yw h i c hw i l lg r e a t l ye f f e c tt h ea c c u r a c yo ft h et e s tr e s u l t t h em e t h o ds h o u l d b ei m p r o v e d e x i s t i n gs t a n d a r dt e s t i n gm e t h o d sa r ed i f f e r e n t , e a c ho ft h e mh a st h e i r o w n a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa n dd i f f e r e n ta p p r o a c h e sg i v e nd i f f e r e n tr e s u l t s b a s e do na ne x t e n s i v ei n v e s t i g a t i o no nt h ea p p r o a c h e so fd e t e r m i n gt h ee o s ， t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa n dt h ee x t e n to f a p p l i c a t i o no f e a c hm e t h o d sa l e c o m p a r e da n da n a l y z e d t h e nt h ep a p e rd r a wt h eo p t i m a lw a y c o m p a r i s o nt e s t sa b o u tt h ew a yt or e d u c es t a t i ce l e c t r i c i t ya n dt h en u m b e ro f s p e c i m e nb ep r e p a r e da r ed e s i g n e d a f t e rc o m p a r i n gt h er e s u l t so ft e s t si nd i f f e r e n t c o n d i t i o n sa n dd i f f e r e n ts p e c i m e nq u a l i f i c a t i o nt h ep a p e rc o m eu pw i t har e a s o n a b l e w a y t oi m p r o v et h eo r i g i n a lt e s t i nc o n n e c t i o nw i t ht h em a t e r i a lo fb e a d s ，t i m i n ga n da p p a r a t u s ，t h ee x i s t i n g s t a t i s t i c sa r ea n a l y s e d ，w h i c hw i l lp r o v i d eab a s i so f t h er e v i s i o no f t h es t a n d a r d f i n a l l y , t h ei m p r o v i n gs u g g e s t i o n so fd r ys i e v i n gm e t h o dt od e t e r m i n et h ee o s o f g e o t e x t i l e sa r eb r o u g h t o u ti nt h ep a p e r k e yw o r d s ：e q u i v a l e n to p e n i n gs i z e ，g e o t e x t i l e s ，d r ys i e v i n gm e t h o d ， n o w o w e n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：前矽栖 签字同期：2 夕印年歹月2r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部i 或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字h 期：沙9 罗年占月2 同 导师签名： 签字同期：哆年多月弓同 第一章绪论 第一章绪论 随着我国经济的飞速发展，水利工程建设规模不断扩大，土工织物的应用也 越来越广泛，所以对其质量标准和技术要求也不断提高。其中，等效孔径的是土 工织物的一个重要的基本物理性质指标，是反映其水力特性和保土反滤特性的重 要参数，是影响其使用性能的重要因素。在水利工程的设计施工中，土工合成材 料占有很重要的位置。如果土工合成材料的等效孔径确定不准确，施工使用上达 不到设计要求，将会使土颗粒从织物孔径中过量流失，造成土骨架失稳，或者形 成淤堵达不到排水的效果，因而严重影响水工构筑物的使用功能，并有可能造成 坝体失稳，水土流失，造成灾害。 因此，为推动土工合成材料在工程建设中的应用、统一材料测试的技术要求、 寻找出适用于水利、铁路、公路、水运、建筑、环境等工程所用的土工合成材料 的测试技术，充分研究土工合成材料的等效孔径测试方法并结合我国国情和多年 土工试验经验重新修订土工合成材料测试规程中孔径试验方法有着非常重要的 意义。 1 1 应用现状 1 1 1 土工合成材料发展简史 世界上首次制成的合成纤维，是在1 9 1 3 年出现的聚氯乙烯商用合成纤维，但 应用有限。1 9 3 0 年，美国杜邦公司首次制成现代化的合成纤维“尼龙 。1 9 4 9 年英国卜内门( i c i ) 公司生产了低强度、粗聚乙烯纤维产品。1 9 5 4 年西德与美 国生产出高强度、细聚乙烯纤维丝。同年，意大利首次制成聚丙纤维。最早出现 的土工合成材料就是由上述合成纤维制成的“土工织物”( g e o t e x t i l e s ) l l j 。 土工织物的革命性发展始源于七十年代早期的筑路工程【2 。当时许多道路修 建在承载力低、含水量高的土基上。当时意识到，只要在无法行走的土基项部铺 一层土工织物，再在其上铺盖压实填土，即可修成可以通车的良好道路。于是全 世界兴起了积极研究。由于在筑路工程中取得了成就，后来土工织物便大范围地 被应用，用于取代水利工程与排水措施中的矿物颗粒反泸料。另外应用范围很广 的领域是铁路工程，在此它被用于防止道碴被土所混杂。还被用于隧道工程、水 库、渠道和屋顶做衬砌，保护它们不受损坏。从技术和经济观点来看，土工织物 第一章绪论 最有意义的一种用途，是用于沥青面层或在修复公路路面时采用浸沥青的土工织 物作为路面。 短短的几年中，收集到各种来自工程、工程研究、政府官方、大学和土工织 物制造商处理的信息，在1 9 7 7 年巴黎召开的“第一届国际土工织物会议 上已经 发表。第一届会议的反响，推动了市场的急剧发展，于是制造出了具有各种各样 力学、水力学和物理特性的土工织物的新品种i 引。 这些新产品的巨大经济潜力促进了全世界日益增长的研究活动，土工织物的 市场不断扩大，加之应用上有开拓，随后又生产出了有专门用途的名目繁多的与 土工织物有关的新产品，例如土工格栅、复合材料和特种排水板等。 目前，土工合成材料已发展为土木工程的所有合成纤维及其织造物的统称。 它是以人工合成的聚合物如塑料、化纤、合成橡胶等为原料制成的各种类型的产 品。是一种新型的岩土工程材料。土工合成材料可分为土工织物、土工膜、复合 型土工合成材料和特种土工合成材料等类型。具有排水、反滤、防渗、加筋、防 护、隔离等六大功能，为岩土工程提供了一种崭新的较为理想的材料，并由此而 带来一种实施简便和经济有效的技术途径。 土工合成材料的问世至今还不到五十年，然而，整个岩土工程却因之而发生 了巨大的、革命性的变化，许多岩土工程领域中的新概念也应运而生。现在，土 工合成材料已经由其重量轻、施工简单、运输方便、价格低廉、料源丰富等特点， 于近三四十年在全世界范围内，在诸如水利、水运、水电、公路、铁路、海港、 建筑、采矿及军工领域中得到了迅速的发展和广泛的应用，并取得了巨大的经济 效益与社会效益。 1 1 2 土工织物的功能 土工织物( g e o t e x t i l e ，g e o f a b r i c ) 是用合成纤维纺织或经胶结、热压针刺等无 纺工艺制成的土木工程用卷材，也称土工纤维或土工薄膜。土工织物是一种透水 材料，根据不同的制作方法分成有纺、针织、复合、无纺土工织物四种。有纺土 工织物一般是由相互正交的经丝和纬丝织成，或将两组纤维丝置于热滚之间加压 用所谓压粘法制成。针织土工织物是由一系列的单丝按照一定的联锁方式编织而 成，这种织物实际上很少使用。组合土工织物是由两种或两种以上的土工织物组 合而成。最为常用的是无纺土工织物，它是使用机械的、化学的、热力的或者其 它的方法，使纤维网固结在一起而形成的纤维结构材料1 7 1 。 在不同的应用范围内土工织物的运用方式可由其功能确定。其运用方法可由 其六种功能予以定性隔离、反滤、排水、加筋、保护及防渗。在工程实践中， 土工布可同时起到一种或多种作用，而且每种功能之间可以相互作用，它的功能 2 第一章绪论 综合起来可以归纳为以下六种基本作用【3 】【10 1 。 1 隔离 隔离是防止相邻的异质土壤和填充料的相互混合，在水利工程中常将土工布 用于把两种不同粒径的土、砂、石料，或把土、砂、石料与地基或其他建筑材料 隔离开来，以免相互混杂，失去各种材料和结构的完整性，或发生土粒流失现象。 土工织物和土工膜都可以起隔离作用。 图l - l土工织物的隔离作用 2 反滤 反滤是使流体通过的同时，保持住受液力作用的土壤和其他颗粒。在水利工 程中，为了防止流土、管涌破坏，常需设置由砂石料所组成的反滤层，而土工布 完全可以取代这种常规的砂石料反滤层，起到防止土壤颗粒被渗水冲失的反滤作 用。 图1 2土工织物的反滤作用 把针刺土工布置于土体表面或相邻土层之间，可以有效的阻止土颗粒通过， 从而防止由于土颗粒的过量流失而造成土体的破坏。同时允许土中的水或气体穿 过织物自由排出，以免由于孔隙水压力的升高而造成土体的失稳等不利后果。把 土工织物置于挟有泥沙的流水之中，可以起截留泥沙的作用。反滤是土工织物的 一项主要作用土工织物功能：运行期间提供永久的力学的与水力学的过滤稳定 性。 为了使土工织物起到反滤作用，则要对土工织物提出一定的设计要求，确定 设计准则。设计时，除了要求符合反滤条件的准则外，还应考虑到隔离、平面排 水和加筋作用的要求，以便确保反滤层的稳定、连续和正常工作，达到预期的效 果。选用反滤材料应满足的要求有：保土性( 防止被保护土流失，引起渗透变形) 、 j 一一 o 一 一一 _1 第一章绪论 透水性( 保证渗透水通畅派出) 、防堵性( 保证不致被细土粒淤堵失效) 。 按照保土性要求，土工织物的孔径不能太大；而根据透水性和防堵性，则要 求土工织物的孔隙又不能太小。可见，这些要求是互相矛盾的。设计者就是要根 据被保护土的特性，选用一种合适孔隙的土工织物。 3 排水 排出液体及气体介质，即土的排水与排气。有些土工合成材料有着良好的三 维透水性，可以在土体中形成排水通道，把土中的水分汇集起来，沿着材料的平 面沿水平向排出体外，且不会堵塞，构成水平排水层。较厚的针刺非织造土工布 和某些具有较多孔隙的复合土工合成材料都可以起排水作用土工织物功能：在土 工织物平面内提供排水及排气。 一)d 。i 图1 - 3土工织物的排水作用 土工织物的导水能力可以通过水平渗透仪测定。影响织物平面渗透特性的因 素很多，如聚合材料的可润湿性、添加剂的种类、织物的结构、孔隙的大小等； 此外织物平面上的法向压力大小、水流方向、水位差、水中含气量，以及测试仪 器类型等等，都对测试结果有一定的影响。 4 加筋 由于土工布具有较高的抗拉强度，又有较好的柔性，当它埋在土体之中时， 可以分布土的应力、增加土体的模量、传递拉应力、限制土体侧向位移；还可以 增加土体和其他材料之间的摩擦阻力，提高土体及有关构筑物的稳定性。土工织 物、土工隔栅、土工加筋带、土工网及一些特种或复合型的土工合成材料，都具 有加筋功能。土工织物功能一在土工织物与土之间提供结合，以增加土的抗剪 强度。 5 保护 防止合成薄膜被刺穿及磨损所采用的力学上的保护。土工织物功能：为防止 合成材料封闭系统( 土工膜) 在施工及竣工后发生机械损坏提供永久性的保护。 6 防渗 防渗作用是防止水和有毒废物的渗漏，在水利工程中主要用于水坝、灌溉渠 4 第一章绪论 道和水池的迎水侧和垃圾填埋场。采用高分子聚合物制成的土工膜和复合土工合 成材料，可以防止液体的渗漏、气体的挥发，保护环境或建筑物的安全。 图1 - 4土工织物的防渗作用 1 1 3 土工织物在工程中的应用 水利水电是土工合成材料应用最广泛、用量最大的、应用品种最多的部门。 土工织物是工合成材料其中的一种型式，用土工织物或土工复合材料替代或部分 替代传统砂石料的反滤和排水，是反滤、排水就够的一次革新，它改变了传统反 滤和排水结构的设计和施工面貌。因为前者不仅具有后者的全部功能，而且还具 有以下优点：能够在工厂制造，性能参数易于调整，更能满足工程所提出的所有 反滤、排水要求；具有整体性和足够的强度，有一定的抵御破坏( 如波浪淘刷等) 的能力；重量轻、相对体积小、施工简单、运输方便、施工速度快、易于质量保 证；新型反滤、具有较高的抗拉强度、透水性好、并有良好的柔性和整体性，造 价低廉、施工简便、易于保证量，不但可以起到反滤排水和隔离作用，还可以起 到加筋、加固和保温等作用。主要用于土石坝、堤防、水闸、护岸、河道整治及 农田水利等工程建筑物和软弱地基的加固、反滤、加筋、防渗等方面1 2 儿驯。 1 9 7 0 年，在法国的瓦尔克罗斯( v a l c r o s ) 坝1 5 的上游块石护坡下以下游坝址 排水体周边铺设土工织物作反滤层。这是世界上首次将土工织物应用于土坝工程 上。3 0 余年来，该土工织物反滤层运行良好，起到了反滤层应有的作用。 马来西亚武吉美拉坝。马来西亚排灌计划加高武吉美计划加高武吉美拉坝， 该坝主要用来灌溉槟榔屿州西北沿海地区的大片种植园，在现有水位条件下大坝 的运行是正常的，但十余年来，该当坝下游坝下一直有少量渗漏，因此，在考虑 提高水位以前，决定先增设坝址压重和防止管涌的反滤层，而且工程部门决定采 用土工织物。具体是将坝趾和地石整平并清除大块石，然后，直接将土工织物铺 第一章绪论 设在地面上，并覆盖砾石滤层，再在砾石排水层上铺另一层土工织物，以确保排 水层不受杂物影响，最后在土工织物上铺红壤土，以形成坝趾压重体。该项工程 于1 9 7 6 年顺利完工并得到了理想的效果。 加拿大海兰谷尾矿坝。该坝是土工织物的应用上是一个较好的实例：不列颠 哥伦比亚省矿业有限公司，在一个5 0 m 高的海兰谷尾矿坝坝基上使用了土工织 物，其目的是保护排水垫层的顶部和底部，排水垫层的作用是把垂直排水砂井( 这 些垂直排水砂井是设置在冰川湖软粘土上的坝基上) 中的孔隙水汇集起来，并再 排泄出去。首先，清除植物杂草，并将土工织物铺在整个坝基裸露的土面上，这 是为了使铺设在土上的排水填料免遭散失。其次穿过砾石垫层、织物和地基土层 设置深度为1 0 m 以上的大量垂直排水砂井，以减少孔隙水压力并加快坝体施工期 间的固结，最后，在排水垫层的顶部铺设一层土工织物以保护排水层不受一般填 料杂物的影响。采用上述处理方法，节省了一大笔清除坝基劣质土及以优质土料 替换的费用。因此，土工织物在坝工建设中有着广泛的应用前景。 法国阿尔克伊泽尔工程。法国阿尔克伊泽工程总库容为l ，0 0 0 万m 3 ，该 水库库址原为古冰川，现覆盖深达3 0 m 的细粒粘土和炭。为克服与这一困难地 层及库区地基处理有关的问题，而采用土工织物，如图1 5 。应用土工织物有效 地减少对水库岸坡的冲刷，保护了排水、排水系统稳定和库区的道路，诸多实例 足以证实土工织物在坝工建设中的应用、有着极其广泛的前景。 不落水垫层下 抛石后面 路面下心墙与垂直滤层之间 坝址排水滤层上面 坝址排水滤层下面0 排水沟周围 图卜5土工织物的应用位置 翰嘎利水库土坝护坡【6 】：该水库位于霍林河左岸，最大库容9 2 5 0 万m 3 ，最大 坝高1 8m ，坝长1 0 0 0m ，是我国较高的一座砂坝。本区特点是风沙大，风季节长， 最大风速2 0m s ，夏季炎热，冬季严寒，最低气温- 3 0 以下，冰锥冻胀，风浪 淘刷对大坝护坡破坏较为严重。翰嘎利水库大坝，砂质允许坡降小，在饱和状态 下易于液化，抗冲性能低。因此，大坝护坡的完整坚固是大坝安全的关键。1 9 8 4 年在护坡翻修中，修了l0 0 0m 2 土工织物滤层试验段，试验段护坡滤层比非试验 6 第一章绪论 段护坡滤层减少2 层，厚度减少3 5 c m ，工期节省1 2 左右。对织物护坡进行了坝面 变形、冰压力、风浪、大坝浸润线、水位、气温等观测。经过多年运行，织物试 验段以外的坝坡多处发现明显破坏，但水工织物试验段仍较完好，未曾发现位移 变形现象。 黑龙江胜利水库土坝护坡【3 7 1 ：该库位于黑龙江省青岗县，最大库容4 0 2 0 m 3 ， 坝高1 0 6 m ，土坝护坡为砂砾料滤层，沥青渣油混凝土板护面。本区冬季气温低， 是我国高寒地区。冬季由于坝体冻胀，渣油混凝土板出现纵横交错的裂缝，裂缝 间距3 - 4 m ，缝隙宽5 1 0 m m ，春季风浪淘刷致使护坡遭到严重的破坏，土体出 露，坝面出现坍塌。在护坡翻修中用水工织物滤层代替砂砾料滤层，根据等效孔 径、渗透系数和渗透梯比等试验资料，设计分别选定无纺织物一层及编织型织物 二层来做试验段。采用土工织物滤层，每平方米护坡节省造价6 2 元。从1 9 8 4 年1 2 月至今对护坡进行了观测，观测结果表明，冬季最大冻胀量达2 2 c m ，坝体均无 破坏现象。 绥滨县松花江防洪堤位于江下游左岸绥滨县境内，全长9 3 1 公里，堤防标准 较低，砂基、砂堤段较多，堤的迎水面和背水面天然铺盖破坏较普遍，个别堤段 堤下渗漏较严重。1 9 9 8 年松花江大水，绥滨堤防有1 0 8 公里薄弱段险象环生。由 于高水位长期浸泡，堤身严重散浸、溃浓、管涌、脱坡相继出现。传统的抢护措 施主要是用砂砾石进行反滤排水来保证大堤渗流安全，可该地又不产砂砾石，防 汛十分火急。于是，技术人员采用了无纺土工织物进行堤后反滤排水的方案，经 过现场观察反滤效果非常显著，各处险情相继排除，从而保证了堤身的安全。 近几年土工合成材料在长江航道整治工程中已被广泛的应用。由于土工合成 材料质轻、耐久、易于搬运和存储、旌工简便、适应性强等诸多优点，在长江航 道整治工程中采用土工织物做成大面积的软体排、砂枕等，大大提高了施工进度， 且工程造价低，对防止长江护岸、堤防的冲刷具有良好的保护作用，已成为长江 航道整治不可替代的材料。通过近几年航道整治中对土工合成材料的应用，尤其 是长江下游东流水道、长江中游陆溪口水道1 4 5 j 以及罗湖洲水道航道m j 整治工程 中的应用越来越体现出土工合成材料的优越性。 1 2 原有标准的测定方法和存在问题 土工织物的透水性能和保持土粒的性能都与其孔隙通道的大小和数量有关。 土工织物孔隙的大小通常以孔径( 符号o ) 代表，单位：m n l 。土工织物的孔径 是很不均匀的，不但不同规格的产品其孔径各不相同，而且同一种织物中也存在 着大小不等的孔隙通道。同时，孔隙的大小随织物承受的压力而变化，因而孔径 7 第一章绪论 只是一个人为规定的反映织物通道大小的代表性指标。现已提出的一些表示孔径 的方法有：有效孔径o ( e f f e c t i v ep o r es i z e ) ，其含义是有效地反映织物的滤层 性质，亦即阻止土颗粒通过的粒径。1 9 7 2 年c a l h a u n 提出等效孔径( e q u i v a l e n t o p e n i n gs i z e ) ，简称e o s ，或称表观孔径a o s ( a p p a r e n to p e n i n gs i z e ) ，其含义 相当于织物的表观最大孔径，也是能通过的土颗粒的最大粒径f 9 】。不同的标准对 e o s 的规定有所差别，例如美国a s t m 取0 9 5 为a o s 1 6 】，即用已知粒径的玻璃 珠在土工织物上过筛，如果只有5 质量的颗粒通过织物，则该粒径即为0 9 5 。 目前水利部规范采用等效孔径这一概念。 土工合成材料测试规程( s l t2 3 5 - - 1 9 9 9 ) 中的对等效孔径的定义【4 】【l l 】： 以土工织物为筛布对颗粒料进行筛析，当一种颗粒料的过筛率( 通过织物的颗粒 料质量与颗粒料总质量之比) 为5 时，则该颗粒粒径定为土工织物的等效孔径。 1 2 1 测试方法 原有土工合成材料测试规程s l 2 3 5 1 9 9 9 中关于土工织物等效孔径的测 试方法为干筛法。 干筛法是使用织物式样作为筛布，将预先率定出粒径的石英砂放在筛布上振 筛，称量通过筛布的砂的质量，计算出截留在织物内部和上部砂的质量占砂粒的 质量占砂粒总投放量的百分比( 筛余率) 。取不同粒径的石英砂进行试验，测得 相应的筛余率，绘制出筛余率与粒径( 对数坐标) 的关系曲线，如图1 - 6 所示。 再根据曲线判断孔径的分部情况，曲线上纵坐标9 5 的点对应的横坐标即为0 9 5 。 未 锝 联 罐 o 尹0 * f j f f f j ， j 0 0 0 4 嗍o 1 00 2 0 孔径( m r ) 图卜6孔径分布曲线 第一章绪论 1 2 2 存在问题 原有的土工合成材料测试规程s l 2 3 5 1 9 9 9 ，作为水利部行业标准于1 9 9 9 颁布实施。该标准在实验室质量管理过程中起重要作用。目前各实验室根据该标 准的检测方法对土工合成材料进行质量检测。它统一和规范了检测方法，并能够 保证检测数据的准确与一致性，具有显著的社会与工程效益。 但该标准制订多年，孔径试验( 干筛法) 的使用中发现一些问题，如粒料与 织物反复摩擦产生的静电吸附现象，严重影响了试验所得结果的准确性。另外对 于试样数量、振筛机的型号影响、环境湿度等未做出明确规定，需要进行修订： 同时由于新的检测技术使用，对老的检测方法及步骤需加以改进完善；随着工程 建设的不断发展，新材料的不断出现，需要增加一些工程中开始应用的性能指标 的检测方法。 1 3 本文的工作的目标、内容和方法 1 3 1 研究目标 近年来由于土工合成材料的品种及应用取得了较大发展，因土工织物反滤涉 及到织物特性、被保护土特性、水流特性及作用力等多因素影响，如何把土工织 物“用好、用对、用精”，原有规范中土工织物等效孔径的确定方法还存在一些 问题。已有的试验方法有进一步充实和修订的必要。 本文的研究目标是结合我国国情以多年土工试验比较成熟的经验，参考国际 先进标准，进行试验验证，重新制定和补充土工织物等效孔径试验方法。对原有 方法中补充和修订的内容提供有效依据。 。 修订后的等效孔径测试方法将使土工合成材料的试验方法更加完善和合理， 各实验室可根据该检测方法进行质量检测、统一和规范检测方法，保证检测数据 的准确与一致性。除水利部系统外，其它系统也可参照使用。修订后的测试方法 逐步趋于标准化、统一化，向国际标准靠拢。使土工合成材料能够在实际工程应 用中取得更好的社会、经济和生态环境效益。 1 3 2 内容与方法 在水利工程中应用土工合成材料在我国水利工程建设中有很强的实用性和 优越性。为了满足实际工程中设计理论及质量检测的需要，本文的主要研究范围 为土工织物等效孔径测试方法的研究，对原有标准中测试方法的修订、改进及对 9 第一章绪论 材料和测试设备、试验条件等列统一规范化建议的探讨。主要工作和研究内容有： ( 1 ) 调研 目前国内标准和国外标准及各国行业标准中等效孔径的测试方法。主要参考 土工试验方法标准g b 厂r 5 0 1 2 3 1 9 9 9 、水利部行业标准土工试验规程s l 2 3 7 1 9 9 9 、 土的工程分类标准g b t 5 0 1 4 5 2 0 0 7 、水利部行业标准土工合成材料 测试规程s l t 2 3 5 1 9 9 9 、水利部行业标准 土工试验专用仪器校验方法s l 1 1 0 - - - 1 1 8 9 5 、水利部行业标准土工合成材料综合测试仪校验方法s l 4 0 3 , , 一 4 11 - 2 0 0 7 、 公路工程土工合成材料试验规程( j t ge 5 0 2 0 0 6 ) 、美国标准( a s t m ) 国际标准( i s o ) 及以其为依据的国家标准( g b ) 、德国标准( d i n ) 、台湾标准 ( c n s ) 、美国公路局( f h w a ) 的土工织物工程手册等。 ( 2 ) 分析总结 分析现有各标准中测试等效孔径方法的依据。如( - i - _ 工合成材料测试手册 ( 南京水利科学研究院，1 9 9 1 ) 、土工实验室测定技术( 窦宜、盛树馨、马梅 英，1 9 8 7 ) 、土工实验室测定技术( 窦宜、盛树馨、马梅英，1 9 8 7 ) 、1 1 工试 验技术手册( 南京水利科学研究院土工研究所，2 0 0 3 ) 及各有关土工织物等效 孔径的国内外各类学术期刊文献资料等。现有各标准中测试等效孔径方法的优 势、存在的问题进行总结，拟定最佳测试方法。 ( 3 ) 设计实验 选择合理测试方法后，针对原有测试方法中的问题设计相应比对试验，分析 试验结果，以寻求合理改进方法。 ( 4 ) 试验结果分析 对实验结果进行比对，分析等效孔径测试方法改进的可行性与实际效果，为 测试方法的修订提供依据。 ( 5 ) 给出土工织物等效孔径测试方法的改进建议 为保证测试数据的准确与一致性，对于原标准中干筛法不合理的试验步骤加 以改进，对于因仪器设备升级导致检测步骤不适用的重新修订。同时对实际检测 中出现的新的性能指标的检测方法及步骤，加以明确及补充制定。 l o 第二章测定土工织物等效孔径的方法 第二章测定土工织物等效孔径的方法 织物的孔径反映了织物的透水性能与保持土颗粒的能力，是一个重要的特性 指标。目前土工织物孔径的测定方法有直接法和间接法两大类。直接法包括显微 镜法、图像分析法等；早期应用于土木工程中的织物均为纺织织物，这类织物是 由经、纬两个方向的纱线按照一定的组织交织成的。因此从理论上讲，这类织物 的孔径是均匀分布的，而且织物的厚度较薄，孔径的形状比较规则，一般为矩形 孔。所以，这类织物的孔径一般使用标准化的显微镜测量，即直接测量法。测量 时我们以矩形孔中较小的那一尺寸作为孔径的尺寸，然后在单对数坐标纸上可以 画出一条孔径分布曲线，横坐标为孔径尺寸的大小，纵坐标为小于等于某一孔径 尺寸的孔径的百分数。随着非织造织物的开发生产，其在土木工程中的应用也越 来越广泛，大有取代纺织织物之势。非织造织物是由纤维或长丝经随机排列成网， 然后加固而成的。它的结构复杂，厚型的非织造织物，通常具有三维立体结构， 孔的大小差异较大，孔的形状也不规则【2 5 3 2 】。以前的直接测量法已不适用，故 又出现了间接测量法。间接法有干筛法、湿筛法、水动力法、水银压入法、吸引 法和渗透法等m j 。 2 1 图像分析法 图像分析法实际上是从早期的直接测读法发展而来的。直接测度法是一种直 观的测量方法，它采用显微镜直接测读织物各孔径经纬纤维之间的缝宽，或利用 光线把织物孔洞放大到屏幕上进行测量，进而计算孔径的面积，并换算成等面积 圆的直径作为孔径。统计孔径的分布情况，绘出孔径累积频率曲线，并确定特征 孔径0 9 5 的值【2 引。由于人工测读分辨率低、工作量大，因此该法仅适用于孔径尺 寸较大，空隙形状较规则的有纺织物，对于无纺织物，由于其孔隙弯曲多变，故 不宜采用。另外人工测读的范围较小( 一般取2 5 4 2 5 4 m m 2 的试样) ，故代表 性差。 现代的显微和计算机技术，使这种直接测读法发展为图像分析法，大大提高 了测量效率和精度。图像分析法的工作原理如图2 1 所示【4 7 1 。光通过镜面照射到 土工织物上，光线共土工织物的孔隙穿过，并被相机捕捉，形成光斑图像，图像 信号通过图形接口输入计算机，并显示在屏幕上。图形分析程序对屏幕上的光斑 第二章测定土工织物等效孔径的方法 豺烈无翁土工织物 镜 图2 1图像分析法工作原理 做统计分析即可得出织物的孔径分布曲线，并确定出等效孔径0 9 5 的值。 在进行统计分析时，通过像素的个数就可以很容易地计算出相应的面积，速 度快、精度高。 虽然受仪器视屏尺寸的限制，图像分析法一次所能测读的试样面积不大，但 由于其测定速度很快，因此可以对较大的试样进行分片测量，这样就可以增大测 读范围，从而提高代表性。 由此可见，与人工直接测读法相比，图像分析法具有测定速度快、分辨率高、 代表性好的优点，与其它测定方法相比，图像分析法还是具有不损伤、不污染试 样的优点，相同的试样还可以用在其它测试中，提高了测试结果的统一性。 2 2 数学模型法 数学模型法可以与其他的孔径测定方法，尤其是图像分析法，密切结合起来： 试验方法提供实测信息，数学模型对数据进行整理分析，从而得到合理可靠的结 果。以下就分形几何以及概率理论在土工织物孔径分布的确定中的运用做一下简 要介绍【2 4 】【3 8 】： ( 1 ) 分形几何的运用 分形几何是用于描述那些无法用欧几里德几何描述的不规则的破碎结构。它 的主要特征就是认为一些不规则形体具有分形结构，它们的维度不是整数，而是 分数。 分形几何学的一个简单而有代表性的例子是h v o nk o c h 提出的不断增长的 1 2 第二章定十i 舫等教a 径的a 法 海岸线模型，叉名柳克岛，该模型从一个等边三角形开始，在各个边中间以边长 的1 3 向外扩展新的等边三角形如图2 - 2 ，该过程无穷反复，即形成了柯克岛。 根据柯克岛形成的过程可知：n 叫 维度。一意券= 器一z e - s 关于分形几何学的详细介绍可参考有关文献田i 。 y - f h u a n ge ta l ( 】9 9 4 ) 运用分形理论对电子显微射线技术所获得的织物照 片进行计算机程序分析，分析结果表明，在对数坐标中，孔隙半径r 与大于r 的 频率之问有良好的线性关系，这说明工织物的孔径分布也具有分形结构。图 2 - 3 、图2 - 4 分别是织物的电子显微射线照片和计算机程序模拟的分形结构。根 据分析的结果，对于所使用的针刺无纺织物( 4 0 0 9 m 2 ) ，d = 20 5 ；加固针刺织物 7 0 0 9 l 一) d = i8 1 。 图2 - 3十工织物电子显微镜照片 了鳓。学一鑫 啦成形盼 i 岛 范阿 22 圉 4 第二章捌定i 缎物等效孔径的方法 圈2 - 4计算机模拟土工织物分型结构 ( 2 ) 概率理论的运用 根据人们对土工织物结构的认识，可以提出如下三个基本概念： 孔洞( c o n s t r l c d o n ) ：孔洞是由三个或更多的彼此接近的纤维所组成的，但这 些纤维并不要求一定在同一平面上。孔洞的尺寸定义为恰好能够通过该孔洞的最 大球体的直径。 渗滤路径( 氍l 嘣 o n 汹) ：某一颢粒通过织物所经过的孔洞的总和称为一条渗 溏路径。渗滤路径是曲折的但总的来说近似垂直于织物平面。颗粒是否被截留 或截留于植物中的哪个位置，取决于其所经过的渗滤路径。当颗粒遇到比它小的 孔洞时，若不转向其它孔洞，即会被截留。 通道瓶颈( o p e n i n g ) ：在每条渗滤路径中，总有一个最小的孔洞，这个孔洞的 大小决定了该条通道所能通过的最大颗粒，这个孔洞称为控制孔洞，对于一条给 定的通道，控制孔洞即成为其瓶颈，即通道瓶颈为沿该渗滤路径所能穿过的最大 颗粒尺寸。 在以上孔洞和瓶颈定义的基础上，jl i g i r o u de ta l ( 1 9 9 8 ) 认为完整的孔径分布 信息系统包括两条曲线：孔洞分布曲线( c o n s t r i s t i o ns i z ed i s t r i b u s t i o nc l l i v e ) 和 瓶颈分布曲线( o p e n i n gs i z e d i s t r i b u t i o nc u i 3 e ) 。孔洞分布曲线实际上可以看作是 无限薄织物的孔径分布曲线，而瓶颈分布曲线则是有一定厚度的织物的孔径分布 曲线。园此孔洞分布曲线反映的是织物材科及组成结构的特性与空隙率n ，纤 维直径d r 有关，而与织物厚度无关；与之相反，瓶颈分布曲线则与织物厚度有 关，它反映的是作为一个特定实体的织物的性质。通过筛析法所测得的织物孔径 分布曲线都属于瓶颈分布曲线，而目前对孔洞分布曲线的研究较少。 孔洞分布曲线和瓶颈分布曲线之间的关系可通过概率分析得出。为此首先提 出了两个假设：织物可以看作由m 层组成，每层厚度t = d n 颗粒通过织物， 也就是通过了m 个孔洞。通过每个孔洞均看作是独立事件其中t n - t l ，l 为织物厚度，d f 为纤维直径。恰好落在纤维骨架上的颗粒会改变方向，去寻求 第二章测定土工织物等效孔径的方法 一个近处的孔洞，因此颗粒能否穿过织物仅依赖于颗粒与通道瓶颈之间的大小关 系。 孔洞大小和瓶颈大小的累积频率分别用p c 、p o 表示，基于假设，p c 可看 作颗粒在每层遇到小于其粒径d 的孔洞的概率，也就是颗粒通不过该层的概率。 由假设可得：颗粒可通过织物的概率为( 1 一p c ) m ，p o 而可看作颗粒通不过织 物的概率，所以p o = l 一( 1 一p c ) n l 。 通过p 。与d 之间的关系以及p o 与p 。之间的关系，即可得到p 。与d 的函数关 系式。p 。- - - f ( n ，d f , d ) ，孔洞分布曲线是以n ，d r 为参数的p 。 d 曲线；p o = f ( n ，d r , t 叠，d ) ， 瓶颈分布曲线是以n ，d r , t 。为参数的p o - - d 曲线。 该理论的局限性主要有以下了两个方面：该理论暗含了织物的孔隙结构 不变的假定，而实际上在渗透过程中，孔隙结构是会发生改变的，在颗粒自重以 及渗透力作用下，颗粒可能穿过小于其粒径的孔洞。p 。与d 之间的函数关系有 待于进一步研究。 2 3 干筛法 用干筛法作为测定土工合成材料等效孔径方法的标准很多，如国内的土工 布及其有关产品有效孔径的测定干筛法( g b 厂r1 4 7 9 9 - - 2 0 0 5 ) 、土工合成材料 测试规程s l t2 3 5 1 9 9 9 、 公路工程土工合成材料试验规程( 丌ge 5 0 2 0 0 6 ) 、 美国土工织物表观孔径的测定方法a s t md 4 7 5 1 、台湾c n s 地工织物表观 开孔径试验法等。各标准的试验原理和所用仪器基本类似，所用的过筛材料及 其颗粒级配和在试验方法中试样选取数量上有所差别。 2 3 1 原理 利用已知粒径的标准砂或玻璃珠，通过筛分来确定织物孔径的大小。先将标 准砂( 或玻璃珠) 按照粒径的大小分成若干组。然后将土工织物的试样固定在标 准筛框上，当做筛布。把各种粒径的标准砂分组放在筛布上，进行筛分。根据通 过试样的砂粒重量，测算o 值。 2 3 2s l f f2 3 5 1 9 9 9 干筛法 ( 一) 试验设备及用具 1 标准试验筛：直径2 0 0 r a m 。 2 振筛机：具有水平摇动和垂直振动( 或拍击) 装置应符合g b 9 9 0 9 p 8 8 振筛机 薷二章月定i 织糖等教孔径的方洼 的规定 圈2 5拍击式振筛机 3 天平：称量2 0 垤，感量00 1 9 。 4 振筛用的颗粒材料：将洗净烘干的颗粒材料用筛析法进于亍分级制各，按标准试 验筛孔径分级如下：00 6 3 00 7 5 r a m ，o0 7 5 o 0 9 0 r a m ，o0 9 0 0 1 0 6 r a m ，01 0 6 01 2 5 m m 0 1 2 5 01 5 0 r a m ，0 】5 0 o1 8 0 r a m ，01 8 0 o 2 5 0 t u r n 0 2 5 0 0 3 5 0 r a m 等。( 级配共为8 级，最小粒径00 6 3 皿) 5 其他用品：秒表、细软刷子。 ( 二) 试样准备 l 按本规程规定裁剪试样，其直径应大于筛子直径。 2 应取5 块试样，如果试样为针刺土工织物，振筛后，著嵌入织物的颗粒不易清 出时，织物试样不能重复使用，这时，试样数为5 x n ( n 为选取的粒径级数) 。 ( 三) 操作步骤 1 将试样放在筛网上，并固定好。 2 称量颗粒材料5 0 9 ，均匀撒布在试样表面。 3 将装好试样的筛子、接收盘与筛盖夹紧装入振筛机上，开动机器，振筛i o 分 钟。 4 停机后，称量通过试样的颗粒材料重量，然后轻轻振拍筛框或用刷子轻轻拭 拂清除表面及嵌入试样的颗粒。如此对同一级颗粒进行5 次平均试验。 5 用另一级颗粒材科在同一块试样上重复以上2 - 4 步骤。测定孔径分布曲线应 取得不少于3 一级连续分级颗粒的过筛率，并要求试验点均匀分布。若仅测定等 效孔径0 9 5 ，则有两组的筛余率在9 5 左右即可。 ( 四) 计算及绘图 第二章测定土工织物等效孔径的方法 1 按下式计算某级颗粒的筛余率鼬： r i = m t - m i 1 0 0 ( 2 - 0 m t 式中m 卜筛析时颗粒投放量，g 。 m i 筛析后底盘中颗粒重量( 过筛量) ，g 。 2 按下式计算5 次平行试验筛余率的平均值x ： x = r i 5 ( 2 2 ) _ - 3 用各级颗粒的平均筛余率与相应各级颗粒的平均粒径在半对数纸上绘孔径分 布曲线，见图2 6 。 1 8 0 袋 1 i l 熊 撂4 0 o ， 0 9 s ， j f f j ， r j 0 0 0 4 o 0 6o - o go j l oo 2 0 孔径( 衄) 图2 - 6 孔径分布曲线 2 3 3a s t mi ) 4 7 5 1 和c n s 地工织物表观开孔径试验法 此两个标准的测试方法