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摘要：砂井被广泛应用为软土地基处理技术，且塑料排水板现已代替砂井，成为排水固结法中最为常见的竖向排水体。通过对塑料排水板结构的介绍，对其工作原理进行说明，讨论采用塑料排水板作为地基处理方式时需考虑的等效砂井直径。同时，对目前常用的传统塑料排水板存在的问题进行讨论：塑料排水板的淤堵问题及传统塑料排水板不利于工后沉降控制问题，基于此提出一定的解决方案，建议采用高性能防淤堵滤布及可降解材料芯板可在一定程度上减缓消除以上问题。
关键词：塑料排水板；塑料排水板结构；滤膜淤堵；工后沉降
中图分类号：TU472． 33 文献标识码: A
1.前言
我国软粘土分布广泛，由于其较差的工程特性，若在其上直接进行工程建筑，将面临结构物失稳及过大工后沉降问题[1]，以此需对其进行地基处理。
基于砂井排水作用可加速软土固结及其强度的增长，1934年美国加利福尼亚公路局第一次采用砂井作为竖向排水体对路基下软土进行地基处理[2]。因砂井处理软基具有工程造价低、处理效果明显等特点，使之成为被广泛应用的软土地基处理技术。之后，随着80时代纺织技术的发展，推动塑料排水板的产生发展。与传统砂井相比，塑料排水板的优势在于，排水速度较快，耐久性强，施工简易等，因此，塑料排水板现已代替砂井，成为排水固结法中最为常见的竖向排水体。
2.塑料排水板结构、原理及等效计算
塑料排水板，其主要由内部芯板及外部滤布组成：内部芯板作为塑料排水板的骨架，其截面凹凸形状为排水通道，同时支撑外部滤膜；其外部滤膜主要是可用来防止排水过程中的泥土堵塞排水通道，以保持排水通道的畅通。
塑料排水板的芯板，应满足塑料排水板使用过程中的力学要求及排水量要求。其中，力学要求主要包括抗拉强度、延伸率和弯曲性能。抗拉强度，主要是因为在施工过程中,塑料排水板受到土体侧摩阻力的影响，使其产生较大的拉力，同时也需要一定的延伸率；塑料排水板在施工中会产生一定的弯矩，且当土体发生竖向变形时，作为柔性排水通道的塑料排水板也将会产生一定量的弯折，为能保证排水通道的顺畅而不被折断，需要塑料排水板本身具有一定的弯曲性能。
塑料排水板的滤布，其主要作用在于防止在土体超静空隙水在排出过程中，微小粘土颗粒随孔隙水迁移至芯板内的排水通道,从而造成排水堵塞的情况发生。滤膜的等效孔径及渗透系数均为控制标准：滤膜的等效孔径是塑料排水板淤堵程度控制的主要控制指标；滤膜渗透系数不得低于被加固的土体的渗透系数，这样才能够有效地防止粘土颗粒迁移至排水通道中，保证塑料排水板安插后在一定时期内的通水量。
为实现上述功能，我国生产的塑料排水板多是复合型塑料排水板，内芯板由布满排水通道的高压聚乙烯或聚丙烯塑料骨架组成；在内芯板外套上有无纺土工布制成的滤水外膜。其施工工艺可概述为：采用塑料排水板打设机，使塑料排水板在机械力的作用下,深插入地基下的软土层。作为竖向的排水通道,在荷载作用下,使超静孔隙水慢慢排出,从而加速软土固化,提高地基的承载能力，同时使地基的大部分沉降发生在施工预压期，以来减少工后的沉降。
使用塑料排水板代替砂井，其主要体现在于塑料排水板的排水截面较砂井地基明显较小，但谢康和在砂井地基设计的研究中指出[3]，砂井地基应采用“细而密”的设计理念，即在保证一定通水量的前提下，应采用细长而密布的砂井对软土地基进行处理，塑料排水板满足排水量的要求，且其本身的小截面也可减少施工过程对土体的扰动，即塑料排水板在设计理论上满足相关要求。
但在具体的设计过程中，井径比作为主要的设计因素，作为井径比的计算因数，塑料排水板的等效直径是一个值得考虑的问题。塑料排水板的截面宽度约为90～100mm，其界面厚度约为3～7mm[4],计算时将其长方形截面换算为圆形截面,得到等效排水直径dw,之后进行井径比计算，并通过Barron或Hansbo轴对称固结理论[5]进行计算。
目前众多学者基于不同的假定获得了不同的等效排水直径dw 的计算式:
其中, w为塑料排水板的宽度; t 为塑料排水板的厚度;α为等效系数，Hansbo取1.0 ,松尾新一郎[6]取0.6～0.9。
3.传统塑料排水板存在问题及解决方案
目前塑料排水板虽得到广泛应用，但在实际工程应用之中，塑料排水板仍存有一定的问题。
首先是塑料排水板的淤堵问题，正如前文所述，塑料排水板控制淤堵的主要指标是滤布的等效孔径。滤布孔径过大，会使粘性细小颗粒随孔隙水迁移至排水板芯板内的排水通道，堵塞竖向排水通道，使软土中的水不能排出；滤布孔径过小，会使粘性细小颗粒随孔隙水迁移至滤布附近堆积形成致密黏土层，堵塞孔隙水进入芯板排水通道的孔径。就目前而言，滤布的等效孔径一般为0.075mm，此规格滤布包囊的塑料排水板在打设后，在预压一段时间内，排水效果较好；但随孔隙水的排水，粘性颗粒进行迁移，在滤膜外堆积或进行芯板排水通道，塑料排水板的通水能力明显变小。对于粘性含量极高的地基中，塑料排水板在打设后，滤布外层会出现明显泥层，阻碍孔隙水进入排水板芯板。
基于此，理想解决思路为按待处理土体的颗分曲线进行滤膜孔径设计，但此方案不利于对滤布的大规模生产，其生产成本比较高。目前，高性能防淤堵的滤布因其较大的等效孔径，在防止滤膜淤堵具有较为明显的效果而被逐渐采用。
其次，是塑料排水板长期排水的工程影响。塑料排水板作为排水固结法中的竖向排水通道，在预压期内可以通过排出软土中的孔隙水，增加土中的有效应力，进而增强土体的抗剪强度，相对减少土体工后的沉降量。采用聚乙烯或聚丙烯等采用制作的塑料排水板，在预压期过后，其排水效果将加速沉降的产生，不利于工后沉降的控制。
对此，可降解材料的使用，可以阻止塑料排水板在预压期后的排水作用：采用可降解材料的滤布或芯板，可在预压期后自行降解，结合粘性颗粒及其自身材料堵塞排水通道，消除塑料排水板促进工后沉降的产出与发展。
4.小结
通过对塑料排水板结构的介绍，对其工作原理进行说明，讨论采用塑料排水板作为地基处理方式时需考虑的等效砂井直径。同时，对目前常用的传统塑料排水板存在的问题进行讨论，并提出一定的解决方案。
参考文献
[1]龚晓南.地基处理手册(第3版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.
[2]Johnson,S.J.(1970). Foundation precompression with vertical sand drains, JSMFD, ASCE, Vol96, 145-175.
[3]谢康和.砂井地墓固结理论数值分析与优化设计[D].杭州：浙江大学。
[4]Rujikiatkamjorn C. , Indraratna B. Three2Dimensional Numerical Modeling of Soft Soil Consolidation Improved by PrefabricatedVertical Drains[J ]. Ground Modification and Seismic Mitigation ,2006 (3) :1612168.
[5]Hansbo S. Consolidation of clay by band2shaped prefabricated drains[J ] . Ground Eng,1979 ,12 (5) :16225.
[6]松尾新一郎.土质加固方法手册[M].孙明漳,梁清彦,译.北京:中国铁道出版社,1983.
论文作者:宋洋
论文发表刊物:《基层建设》2017年5期
论文发表时间:2017/6/19
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