反滤机制下土工布孔隙结构变化研究

基本内容： 阐述在过滤 /排水行为中，土壤颗粒受水流冲刷对土工布孔径造成的影响。说明在不同土壤级配的条件下，过滤 /排水行为中，土体内部的颗粒行为与机制。同时提供试验方法的应用与限制条件。

1.过滤 /排水行为

过滤 /排水过程，包含了保留土壤颗粒与排除土内水分两个功能需求。按照传统级配层的设计原则，土工布在过滤 /排水应用上，同样必须达到保留土壤颗粒维持土体与系统渗透性的要求。

(1) 保留土壤 (soil retention)准则：土工布必须具有相对于土壤颗粒更小的孔径 ,以保留土壤颗粒。

(2) 渗透性 (permeability)准则：土工布的渗透性是为了确保能让液体在土工布中自由地流动。

(3) 阻塞 (clogging)准则：土工布在设计时限内 ,应维持不发生阻塞 ,确保长期使用的可靠性。

现今工程界对于土工布在过滤 /排水功能选材上，多半采用表观开孔径(apparent opening size, AOS)与水力坡降比试验 (gradient ratio test)配合。其研究指出 ,具有相同表观开孔径的材料，可能具有差异甚大的孔径分布。仅采用表观开孔径作为过滤 排水设计的依据，无法确实掌握土工布与土壤在过滤 /排水过程中，纤维结构与土壤颗粒间的互制作用。 Carroll(1987)发现，对土工布保留土壤与维持系统渗透性的要求， 在土壤具有很大的阻塞潜能时， 并不能完整地表现出其阻塞行为，因而建议以 GR 试验来评估土工布的抗阻塞潜能。

水力坡降比 (Gradient Ratio,GR)试验：是将土壤置于土工布上，以水流垂直通过此系统，仿真土壤 /土工布间的过滤 /排水行为。通过比较上层土壤和接近土工布附近之土壤的水力坡降，可评估其阻塞潜能。

2.土壤级配种类与水力坡降比值分析

为了比较不同级配与水力坡降比试验结果， 将同一条件下的三组试验结果予以平均，并以稳定后的水力坡降比值表示该系统条件的过滤 /排水成效。根据各组试验资料，发现下列各现象：①泥岩含量 0%的试验土壤 ,其水力坡降比值在 is=5时，均有下降之趋势；②泥岩含量 20%、40%与 60%的试验土壤，其水力坡降比值随 is 的上升而上升；③水力坡降比值随 is 上升的趋势，不论无纺布种类，均以 20%及 40%较为明显， 60%较不明显。

同一土工布的试验结果显示，泥岩含量并非决定土工布经过过滤 /排水过程后孔径缩小情形的依据。比较多组试验资料可以发现 ,泥岩含量 20%的试验结果亦会出现比 40%或 60%更小的孔径分布。因此推论 :泥岩 (细颗粒土壤 )含量并非决定土工布在过滤 /排水行为中阻塞与否的重要因素。

3.土壤中细颗粒的含量越多，系统的 GR 值具有越高的趋势，显示细粒料含量越高的土壤， 本身具有较差的抗阻塞潜能， 容易产生土体内的遮蔽现象。 而细颗粒含量较少的土壤， 则由于不易拦阻受水流影响而往下层移动的细颗粒， 导致颗粒进入土工布的情形较为严重，容易导致土工布的阻塞。