非织造土工布孔径分布与渗透性能间关系分析

非织造土工布孔径分布与渗透性能间关系分析

徐锦

上海新地海洋工程技术有限公司

摘要：近几年，土工布被频繁用于建筑项目施工，作为判断土工布性能的关键指标，孔径分布情况将直接影响该材料的渗透性。文章以此为背景，针对非织造土工布展开研究，首先分析了该材料的孔径分布情况，其次根据理想状态下的孔径分布、理论孔径最大值，对渗透性能、孔径分布之间存在的关系加以说明，最后通过测试证实了所推导公式的有效性，指出按照本文推导出的公式计算垂直渗透系数，其结果和理论值十分接近。希望能够给相关人员以启发，为日后针对土工布所展开各项研究助力。

关键词：渗透性能；孔隙直径；孔径分布；非织造土工布

前言：目前，非织造土工布被广泛应用在具有排水与过滤功能的工程项目中。该土工布为三维纤维网结构，在具体使用环节，有关人员可根据项目实际情况，选择合适的结构，以提升目标工程的渗水性能与保砂性。上面讨论的两种性能与非织造土工布的孔径、孔径分布存在直接关系，针对土工布孔径分布、渗透性能的常规测试方法存在弊端，如测试时间较长、浪费人力与物力资源、测试结果不准确等，此外，不同测试方法之间的可比性也较差，不利于行业有关人员明确孔径分布与渗透性能之间的具体关系。为解决上述问题，本文以现有研究成果为落脚点，讨论并提出了全新的分析方法，期望为相关研究提供合理参考。

1研究背景

非织造土工布的结构为三维纤维网，这也决定了其具有较同类型材料更加理想的透水性、过滤性，现已在有排水、过滤需求的建筑中得到广泛运用。要想使其优点得到充分发挥，关键是要以实际情况为依据，对结构符合要求的土工布加以选择。一般情况下，排水、过滤系统应当重点考虑以下两方面内容：一是保砂性，材料保砂性主要取决于自身孔径、被保护土实际粒径。二是透水性，通常用材料透水率、垂直渗透系数加以表示。上述性能均与孔径分布密切相关，围绕孔径分布展开研究的重要性不言而喻。现阶段，可用来对材料孔径分布进行测定的方法较多，包括但不限于动力水筛、干筛和湿筛，但上述方法均存在较为明显的不足，例如，稳定性不理想、步骤繁琐、再现性难以达到要求等[1]。鉴于此，本文选择以现有方法为基础，深入分析孔径分布对土工布渗透性能的影响，根据孔径分布理想状态，对二者所存在关联加以确定，供相关人员参考。

2非织造土工布的孔径分布情况

2.1理论分析

新时期，将土工布用于建筑施工成为大势所趋，在建筑工程中，土工布主要负责透水反滤、加筋还有加固软土，作为土工布极为重要的一项物理指标，孔径设定是否科学，通常会给工程施工效果产生巨大影响，只有确保所选用土工布孔径符合实际情况，才能在避免土颗粒流失的前提下，将土体渗透性能维持在理想水平。以往测定土工布孔径的方法如下：（1）把测试仪器摆放在稳固、平整的工作台上方。（2）将仪器通电，以试验所提出要求为依据，对时间进行设置。（3）将试样、标准颗粒放置在符合规定的环境下，对二者做调湿处理。（4）平整试样，保证试样表面不存在褶皱或其他异常，将试样摆放在提前准备的支撑网筛上方。（5）准确称取50g标准颗粒，将颗粒均匀布放在试样上方。（6）夹紧试样、接收盘以及筛框，启动仪器，进行为期10min的摇筛处理。（7）关闭仪器，对试样筛出颗粒的重量进行称取，如实记录称量结果。（8）更换试样，重复上述步骤。

考虑到土工布过滤性不仅取决于孔径大小，还取决于孔径分布情况，鉴于此，有关人员决定对材料孔径分布进行研究[2]。本项目中，假设某平面被直线网随机分割为多个不规则多边形（如图1所示），则可以通过下列公式计算多边形内接圆最大半径≥r的概率：

该公式中，r代表内接圆实际半径。λ代表直线网整体密度。σ代表单位面积所包含直线的长度和。将多边形视为介质孔隙，那么，通过上述公式计算所得出结果，便是孔隙直径≥r的概率，对应孔隙直径＜r的概率可以表示如下：

上述公式的计算结果可以直接表示孔径分布情况。

图 1 直线网模型

2.2孔径分布情况

本文所研究对象的本质是纤维集合体，制作方法如下：第一步，逐层叠加纤维，第二步，通过化学、机械手段对叠加纤维做固结处理。假设纤维沿水平方向随机分布并互相交叉，那么，每两个纤维便能够形成一个纤维网层，该纤维网层又被称作单位平面网，叠加多个单位平面网所形成集合体，即为本文讨论的非织造土工布[3]。若不考虑外界因素的影响，则可以将单位平面网视为Poisson直线网，二者具有极为相似的特征，鉴于此，有关人员决定结合直线网特点、研究成果，对土工布内部孔径分布加以分析。用Tg指代材料厚度，单位是mm，μg指代材料密度，单位是g/m²，ND指代纤维线密度的平均值，单位是旦，ρf指代纤维实际密度，单位是g/cm³，由此可以推导出以下公式：

上述公式中，N是指单位平面网实际层数。σ是指单位平面网对应特征长度值。假设各单位平面网均独立存在，则可以通过叠合上述公式所形成的全新公式，对研究对象的孔径分布进行计算，相关公式为：

3关于孔径分布和渗透性能关系的讨论

3.1理论分析

土工布具有下列性能：一是排水性能，该材料在导水方面具有极为突出的表现，可以经由内部孔隙连接而成的排水通道，将土体多余气体、水分快速排放到外界。二是滤层性能，实践经验表明，该材料兼具理想的透水性与透气性，能够高效过滤水分，同时截留黄沙、土颗粒以及小石子，为土石工程所具有稳定性提供有力保障。三是防护性能，该材料能够在外界持续施加作用力的情况下，快速分解集中应力，通过扩散、转移集中应力的方式，为土体提供全方位的防护。四是隔离性能，该材料可以被用来对稠度、粒径还有分布不同的建材进行有效隔离，杜绝建材混杂的可能性，确保各层、整体结构功能均能够得以保留，由此达到对建筑所具有承载能力进行增强的目的。五是加筋性能，众所周知，该材料具有断裂强度大、抗拉强度大的特征，可以承受并且分解外界冲击力，在土体中加入该材料，能够在极大程度上降低土体变形的概率，使建筑更加稳定、可靠[4]。上述性能中，排水性能、滤层性能均与渗透性能密切相关。

将直圆毛细管直径设为δ，则可以通过以下公式计算毛细管内液体流量值：

该公式中，Q是指毛细管内液体流量值。δ是指毛细管的直径。ρ是指流体实际密度。g是指重力加速度对应数值。μ是指流体实际动力粘度值。ψ是指流体动能。S是指毛细管整体长度。若单位横截面存在n个垂直于流动方向的毛细管，那么，该介质块实际比流量可以表示为：

上述公式中，q是指比流量。计算每组毛细管具体孔隙率的公式如下：

因此，介质块比流量可以用以下公式加以表示：

3.2渗透系数讨论

假设研究对象内部孔隙是一组定向排列、互相平行的毛细管，将孔径分布密度设为fg(r)，将r~r+dr范围内孔隙体积和总体积的比值设为fg(r)dr，单位横截面对应孔隙面积设为nfg(r)dr，则可以推导出以下公式：

结合相关定律可知：

该公式中，K是指垂直渗透系数。

4研究结果有效性分析

4.1预测结果

验证用样品规格是3D×6D，整体混合比例是0.74:0.26，实测厚度是3.55mm，密度是418g/m²。研究人员使用上述公式对样品孔隙率、层数、平均密度、特征长度还有最大孔径加以计算，结果分别是91.46%、77层、5.19旦、9422m、2.7×10-4m。随后，将以上计算结果代入计算垂直渗透系数的公式，最终结果是0.444cm/s。

4.2实际结果

现阶段，针对土工布所展开试验的类别以常规试验、耐久性试验为主，其中，常规试验包括水力学、物理力学、界面摩擦性三方面内容，水力学试验的测定对象即为材料孔径、渗透系数，物理力学以材料厚度、重量为主，界面摩擦性表征为摩擦系数。前期准备阶段，先要制作试验样品，相关规定如下：其一，分别从样品宽度、长度方向剪取试样，保证试样边缘和样品边缘之间的距离在100mm或100mm以上，送检样品整体长度应在1延米或1延米以上。其二，试样不得存在损伤、肉眼可见的瑕疵、灰尘或是孔洞。其三，若试验需要用到多个试样，则要错开取样，确保试样横向、纵向位置不同。除特殊情况外，均应将试样保存在18℃~22℃的环境中，并将空气湿度维持在50%~70%之间，等待24h后，再准备后续试验。

表 1 土工布原料耐久性、物理力学性一览表

本项目中，有关人员以测试手册所规定测试方案为依据，在30℃的环境下，针对样品展开测试，随后，对垂直渗透系数进行计算，结果为0.32cm/s。

4.2研究局限性

受多方面因素制约，有关人员仅对一种试样展开了测试。比对预测结果、实际结果能够发现，预测结果＞实际结果，导致该情况出现的原因如下：一方面，理想状态下，材料各单位平面网均独立存在，但在制作土工布的过程中，纤维会受到刺针所施加作用力的影响，导致垂直方向布局被打乱，水流路径较为曲折，流通过程中，水流会受到远大于理论值的阻力，进而使垂直渗透系数受到影响。另一方面，试验过程中，需要有关人员通过肉眼读数，数据存在误差的情况难以避免。

结论：综上，本文以现有理论为依据，对理想状态下土工布材料孔径分布计算公式进行了推导，根据最大孔径、孔径分布相关公式，围绕材料渗透性能、孔径分布所存在关系展开了讨论。验证结果表明，使用所推导公式计算试样垂直渗透系数，最终结果较实际结果略大，但二者之间所存在差值未超出误差允许范围。由此可证，本文研究成果具有实际意义，可以在日后相关项目的施工过程中加以运用。

参考文献：

[1]聂松林,姜瑞明,孙丰华,等.高强粗旦聚丙烯纺黏针刺非织造土工布的耐久性研究[J].产业用纺织品,2021,39(03):45-50+56.

[2]张宇菲,俞建勇,王先锋,等.聚丙烯非织造土工布的研究进展及应用前景[J].产业用纺织品,2021,39(01):1-7+28.

[3]黄鑫,李洪昌,钱竞芳,等.短纤针刺非织造土工布拉伸试验影响因素分析[J].工程技术研究,2020,5(24):121-122.

[4]于咏妍,聂松林,姜瑞明,等.聚丙烯长丝非织造土工布材料特性分析[J].产业用纺织品,2020,38(01):39-42.