Фильтрующая функция геотекстиля: ключ к обеспечению долговечности и стабильности строительных объектов

一.Классическая дилемма: рекомендации Terzaghi по фильтрации и инновации в области геотекстиля

До появления геотекстиля в традиционном машиностроении в качестве фильтрующего слоя обычно использовался гранулированный гравий (частицы, уложенные от крупных до разделенных слоев).Его конструкция основана на классических критериях фильтрации, предложенных Карлом Терзаги, отцом современной механики грунтов.Суть этого критерия заключается в требовании, чтобы фильтрующий слой удовлетворял двум, казалось бы, противоречивым условиям：

1.Сохранение почвы: Поры фильтрующего слоя должны быть достаточно мелкими, чтобы предотвратить попадание большого количества мелких частиц защищаемого грунта в поток воды.

2.Водопроницаемость: Поры фильтрующего слоя должны быть достаточно большими, чтобы обеспечить хорошую водопроницаемость, позволяющую воде свободно проходить без чрезмерного остаточного давления воды.

Однако использование природного гравия в качестве фильтрующего слоя имеет много недостатков:

 необходимость добывать высококачественный песок и гравий, высокие транспортные расходы, большая толщина укладки на месте (обычно десятки сантиметров), высокие требования к сортировке и качеству строительства, а после выхода из строя техническое обслуживание становится чрезвычайно сложным.

Появление геотекстиля стало настоящей революцией.Кусок синтетической ткани толщиной всего в несколько миллиметров, благодаря своей точно контролируемой структуре пор, может одновременно удовлетворять требованиям по удержанию почвы и водопроницаемости, идеально заменяя тяжелый гравийный фильтрующий слой.Это более легкая, тонкая, быстрая конструкция и более однородное качество, что полностью изменило дизайн и методы строительства объектов фильтрации.

二.Загадка: как геотекстиль обеспечивает интеллектуальную фильтрацию?

Фильтрующая функция геотекстиля - это не просто “экранирование”.Для наиболее часто используемых иглопробивных нетканых материалов механизм фильтрации представляет собой сложный физический процесс, который в основном зависит от уникальной трехмерной структуры волокон.：

1.Первоначальный экранирующий эффект: Когда поток воды только начинает проходить через геотекстиль, несколько частиц грунта, размер которых превышает поры геотекстиля, задерживаются на поверхности геотекстиля, образуя предварительный “барьер”.

2.Образование внутренних перемычек и фильтровальной корки: Внутри геотекстиля и на его контактной поверхности происходит более тонкий процесс.Мелкие частицы грунта будут “пойманы в ловушку” внутри сложной волокнистой сети геотекстиля, и эти захваченные частицы сами по себе сформируют более плотную и устойчивую “фильтровальную корку” или “фильтрующий слой”.Эта естественная фильтровальная корка имеет лучшую пористую структуру, чем оригинальный геотекстиль, что позволяет более эффективно предотвращать потерю более мелких частиц.Главное в том, что эта динамически формирующаяся фильтровальная корка стабильна, она пропускает воду, но при этом удерживается в почвенном каркасе.

3.Способность к самоочищению (ограниченная): Превосходная конструкция геотекстиля может гарантировать, что при образовании устойчивой фильтровальной корки он не будет полностью засорен.Некоторые очень мелкие частицы будут проходить через геотекстиль, но этот процесс недолговечен и контролируется, и в конечном итоге система достигнет состояния равновесия и сохранит высокую водопроницаемость в течение длительного времени.

Напротив, механизм фильтрации тканого геотекстиля ближе к двумерному экрану, и его эффект в значительной степени зависит от соотношения между размером отверстия (AOS) в ткани и размером частиц защищаемого грунта.

三.Основные конструктивные параметры: Как с научной точки зрения выбрать геотекстиль для фильтрации?

Выбор геотекстиля для фильтрации ни в коем случае не случаен, а основан на строгих научных расчетах и геотехнических испытаниях.В основном рассматриваются следующие основные параметры：

1.Видимый размер отверстия (AOS, кажущийся размер отверстия) или эквивалентное отверстие (O95): это наиболее важный параметр.Это означает, что примерно 95% размеров пор в геотекстиле меньше этого размера.Инженерам необходимо выбрать AOS на основе кривой распределения частиц в защищаемом грунте (особенно d85 - 85% частиц в образце почвы меньше, чем в нем), чтобы гарантировать соблюдение критериев сохранности почвы: AOS ≤ (2-4) × d85 (конкретный коэффициент зависит от уровня риска проекта и качество почвы).

2.Диэлектрическая проницаемость: указывает на проницаемость самого геотекстиля в направлении, перпендикулярном его плоскости.Он должен быть намного больше коэффициента водопроницаемости защищенного грунта, чтобы обеспечить беспрепятственное прохождение воды без ее накопления, то есть соответствовать требованиям к водопроницаемости.

3.Толщина и пористость: Для иглопробивных нетканых материалов его пушистая структура обеспечивает большое пространство для хранения воды и извилистый путь просачивания, что не только способствует дренажу, но и помогает образовать устойчивую внутреннюю корку на фильтре.

4.Механические свойства: геотекстиль должен обладать достаточной прочностью на растяжение и прокол, чтобы выдерживать нагрузку во время строительства и давление грунта во время использования.

Неправильный выбор может привести к катастрофическим последствиям: если AOS слишком велика, это приведет к большой потере мелких частиц, что приведет к образованию пустот в почве и оседанию конструкции; если AOS слишком мала или недостаточно проницаема, геотекстиль быстро забьется, что приведет к невозможности отвода воды, в результате возникает огромное гидростатическое давление, которое также разрушает устойчивость конструкции.

四.Реальное боевое применение: основное поле боя с функцией фильтрации геотекстиля

Фильтрующая функция геотекстиля играет незаменимую роль в следующих областях техники：

1.Система дренажа земляного полотна и дорожной одежды: это самое классическое применение.Дренажные канавы устраиваются рядом с дорожным основанием или под ним, а геотекстиль засыпается дренажными материалами (гравием).Вода просачивается из земляного полотна и фильтруется через геотекстиль. Вода поступает в дренажную трубу и отводится, в то время как частицы грунта задерживаются, предотвращая выбоину материала основания и засорение дренажной системы, что значительно продлевает срок службы дороги.

2.Дренаж откосов и подпорных стенок: С обратной стороны подпорной стенки в качестве фильтрующего слоя используется геотекстиль, который покрывает дренажный материал.Это позволяет стоячей воде из грунтовой засыпки за стеной плавно стекать в дренажную систему, тем самым значительно снижая гидростатическое давление, действующее на заднюю часть стены, и одновременно предотвращая выпадение частиц грунтовой засыпки, которые могут привести к неустойчивости подпорной стенки.

3.Системы облицовки свалок и прудов: Геотекстиль используется в качестве защитного слоя и фильтрующего слоя на верхней и нижней сторонах непроницаемой облицовки (например, мембраны HDPE).Нижний геотекстиль предотвращает прокалывание облицовки острыми предметами; верхний геотекстиль пропускает фильтрат или воду из бассейна, одновременно предотвращая засорение дренажной сети твердыми отходами или илом.

4.Защита береговой линии и берегов рек: Укладка геотекстиля под камнеобрабатывающую берегоукрепительную подушку для защиты склонов может предотвратить разрушение грунта основания волнами или водной эрозией и обеспечить устойчивость защитного сооружения.

5.Обертывание дренажных труб под землей: Обертывание перфорированных дренажных труб геотекстилем может предотвратить попадание частиц окружающего грунта в трубопровод и их засорение. Это решение для долгосрочного технического обслуживания.

五.Проблемы и будущее: эффективность борьбы с засорением и устойчивое развитие

Несмотря на то, что технология фильтрации из геотекстиля является очень совершенной, все еще существуют проблемы, связанные в основном с долговременной защитой от засорения.Поры геотекстиля подвержены риску закупорки, особенно в мелкозернистом грунте, содержащем большое количество порошкообразных и вязких частиц.В связи с этим отрасль реагирует следующими способами：

1.Инновационные материалы: Разработка нового типа геотекстиля с градиентной структурой пор или специальным покрытием для повышения его способности к “самоочищению”.

2.Биохимическая обработка: Исследование методов, которые могут подавлять рост микроорганизмов на геотекстиле, поскольку рост биопленок также является одной из причин засорения.

3.Более точные рекомендации по проектированию: основываясь на более длительных данных мониторинга, улучшите технические характеристики при выборе для различных почвенных и гидравлических условий.

С точки зрения экологичности, фильтрующий слой из геотекстиля защищает структуру почвы и обеспечивает долгосрочную работу дренажной системы, предотвращая реконструкцию конструкции, вызванную разрушением фундамента, тем самым экономя много сырья и энергии, а его преимущества в области защиты окружающей среды на протяжении всего жизненного цикла очень значительны.

вывод：

Фильтрующая функция геотекстиля лежит в основе его эволюции от простого вспомогательного материала до ключевого инженерного компонента.Он умело воплощает классические принципы механики грунта Teseki в синтетическом материале и решает древнюю проблему разделения воды и почвы эффективным, экономичным и надежным способом.Для каждого инженера-строителя глубокое понимание механизма фильтрационной функции геотекстиля и овладение научным методом его выбора - это уже не просто глазурь на торте, а необходимые навыки для обеспечения долгосрочной безопасности, долговечности и экономичности проекта.На обширных просторах России, от районов вечной мерзлоты до участков с мягким грунтом, правильное применение технологии фильтрации из геотекстиля, безусловно, повысит надежность и упругость инфраструктуры страны.