土工合成材料垂直渗透仪测定土工物垂直渗透系数的因素解析

土工合成材料垂直渗透仪测定土工物垂直渗透系数的因素解析

1.垂直渗透系数与土工物透气量的关系：

由图2可以看出,土工织物垂直渗透系数随着透气量的增加而增加,两者间成一次线性关系。

根据实测数据进行拟合得到的回归方程为:

相关系数为0.99592,对于n=5,α=0.01,查表知临界相关系数为

r0.01=0.95873,因R=0.99592>r0.01,表明在α=0.01的显著水平条件下,线性回归效果显著,拟合程度较好。选取针刺密度为450针/m2的400g/m2和250g/m2

的针刺土工布进行了验证,得到其透气量分别是1367L/(m2·s)、2132L/(m2·s),代入方程(2)得到理论上垂直渗透系数分别为0.6115cm/s、0.994cm/s,实际得到的垂直渗透系数分别为0.673cm/s、1.063cm/s,误差分别为10%、7%左右。

由垂直渗透系数和透水率的定义可知,前者应与土工织物厚度无关,是表示织物中单位水力梯度下的流速;而后者是织物在单位水力差时的渗流流速,与织物厚度有关;其关系为:

虽然透气量Q与垂直渗透系数Kn有较好的线性关系,但从物理意义上说,由方程(2)来预测Kn是不合理的,因织物的厚度对垂直渗透系数的计算影响很大。为此,当用透气量预测土工织物透水性时,应用方程(1)算出透水率,然后乘以织物厚度得到垂直渗透系数较为合理。

2.垂直渗透系数与织物孔隙率的关系：

织物孔隙率是织物结构特征的重要参数之一,当在纤维纤度一定的情况下,织物的垂直渗透系数与织物的孔隙率将存在一定的理论关系。五种针刺非织造土工布的孔隙率与其垂直渗透系数实测值间的关系如图3所示。

由图3可以看出,织物的垂直渗透系数(y)随着织物孔隙率(x)的增加而增加,可拟合得到下列线性回归方程:

相关系数R=0.9504,在显著性水平α=0.05下,r0.05=0.8783,R>r0.05表示垂直渗透系数(y)与土工织物的孔隙率(x)成较显著线性关系,实验表明土工织物的孔隙率对其垂直渗透系数影响很显著。影响织物的孔隙率主要有针刺密度、针刺深度,以及纤维纤度和织物的厚度。在针刺非织造土工布定量和纤维纤度一定的条件下,可以改变针刺密度和针刺深度以满足土工织物垂直渗透系数的性能要

求。

垂直渗透系数是用于反滤、排水土工织物的重要性能指标。在施工设计中要求土工织物的垂直渗透系数和土层的渗透系数相匹配,由于一般土工布生产厂不具备垂直渗透系数的测试设备或不便于测试,因此,本文研究结果可以给生产厂为预测土工织物的透水性指标提供一种方法。

3.垂直渗透系数与土工物层数的关系：

为了研究土工织物的测试层数与垂直渗透系数之间的关系,测定了不同层数试样的垂直渗透系数,其结果如图4所示。

由图4可知,垂直渗透系数随着层数的增加而不断降低,表明织物的垂直渗透系数的实测值与层数有关。理论上织物的垂直渗透系数Kn与厚度δ无关,δ增大,土工织物上下面测压管水位差Δh也增大,根据公式:

可以看出,在一定的条件下,织物的垂直渗透系数是恒定的。当厚度增大时,在相同的条件下,压力差Δh增大。当在单位厚度织物中的水位差一定时,织物中的渗流流速应保持不变,即垂直渗透系数应为与织物厚度无关的表示材料渗透性能的物理量。但是由于织物在无压的状态下自由地叠合在一起,层与层之间可能存在间隙,形成界面,水流经过界面时,不像织物内部那样畅通,出现流速减慢、流

量减少,从而出现界面能量损耗,层数越多,能量损耗越大。当其他条件不变的情况下,流速越小,流量越小,测得的垂直渗透系数就越小。

单层试样测试的优点是符合实际情况,但测定时因水位差小,测读时常不易准确;多层试样测试时可使水位差增大,减少因测读水位差不准引起的误差,但对非织造土工布,多层试样测试所得到的垂直渗透系数将会偏小。