毛细导水土工材料调控路基水分场现场试验研究

白 梅 刘志彬,2 张书建 张 云 罗婷倚 唐亚森

(1东南大学岩土工程研究所，南京 211189)(2东南大学道路交通工程国家级实验教学示范中心, 南京 211189)(3吉林省高等级公路建设局，长春 130062)(4广西北投公路建设投资集团有限公司，南宁 530028)

季节性冻土在我国广泛分布，季冻区的路基冻害问题不仅困扰道路的建设，而且严重威胁道路的通行条件.路基冻害的主要原因之一是路基土体积/质量含水率较高.因此，有效控制路基土体积/质量含水率是减轻或避免路基冻害的有效措施之一.

在季冻区的道路建设中，常通过铺设土工布防止路基土体积/质量含水率升高[1-3].然而，传统的土工布只对路基土中的自由水有效[4].为阻断非饱和路基土中的毛细水运动，研究者们试图在粗粒土上铺设细粒土构筑毛细阻滞层[5-7]，但该构造存在的水分积聚问题会严重影响路面结构刚度[8-9].因此，亟需开发一种兼备阻断毛细水运动与排水功能的土工材料.

近年来，TenCate公司研发出一款能在非饱和土中发挥排水作用的毛细导水土工材料[10]，该材料由毛细导水纤维与聚丙烯编织而成.毛细导水纤维表面分布着多条凹槽.这些凹槽一方面可以增大纤维的比表面积，使毛细导水土工材料产生较大的毛细吸力，另一方面还能作为水分运输的通道.文献[11]通过对比研究毛细导水土工材料与传统土工布在非饱和条件下的排水性能发现，毛细导水土工材料具有显著的侧向排水优势.文献[12-16]通过一系列室内试验研究发现，不论在饱和土还是非饱和土中，毛细导水土工材料均可有效阻断毛细水上升，并将水分排出土体.此外，Zhang等[17]在美国阿拉斯加进行了毛细导水土工材料缓解路基冻害效果的现场试验，结果表明该材料有效改善了该路段的冻害问题.然而，我国季冻区的土体特征及气候条件与美国阿拉斯加地区存在显著差异.美国阿拉斯加地区冬季的最低气温约为-35 ℃，空气相对湿度为70%～90%，而我国吉林省冬季的最低气温约为-20 ℃，空气相对湿度为40%～60%.毛细导水土工材料在我国季冻区能否有效发挥降低路基土体积/质量含水率、缓解道路冻害的作用，至今没有相关的现场研究.因此，有必要在我国季冻区开展现场试验，对毛细导水土工材料在路基中调控水分场的能力及抗淤堵性能进行评估.

本文结合吉林省吉双高速公路，开展了毛细导水土工材料调控路基水分的现场试验.通过长期监测铺设毛细导水土工材料的路基土的体积含水率，评价毛细导水土工材料的排水能力.然后，基于微观测试，分析毛细导水土工材料的抗淤堵能力.

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用毛细导水土工材料购于美国TenCate公司.如图1所示，毛细导水土工材料由聚丙烯条带与毛细导水纤维束编织而成.聚丙烯条带宽约8 mm，每束毛细导水纤维约包含200支亲水的毛细导水纤维.毛细导水纤维直径为30～50 μm，比表面积为3.65 m2/g，其表面分布有多个直径为5.7～12.0 μm的凹槽[10].毛细导水土工材料的各项指标均符合公路用土工织物的技术指标要求[17].

(a) 宏观结构

(b) 细观结构

(c) 微观图像

1.2 现场试验

现场试验在吉林省吉双高速公路进行，试验路段位于辽源市.该市处于季冻区，属于半湿润中温带大陆性季风气候，年降雨量为492.0～816.4 mm，气温变化范围为-20～30 ℃，年平均气温为5.4 ℃，无霜期约140 d.试验路段的地下水位为4.96 m，土地冻结深度约1.80 m.

图2为路基结构及试验段毛细导水土工材料与传感器布设示意图.路基高度为3.02 m，路面宽度为13.25 m，道路中线左、右侧路面宽度分别为7.50 和5.75 m.路基坡度为1∶1.5，路基横向坡度为1∶50.路基填料为粉质黏土，液限为35.42%，塑限为23.20%，塑性指数为12.22，最优质量含水率为15.00%，最大干密度为1.88 g/cm3.土的颗粒级配见图3.

图2 毛细导水土工材料与传感器布设示意图(单位：m)

图3 粉质黏土的颗粒级配

1.3 试验方案

试验段位于K162+500～K162+540处.为对比分析毛细导水土工材料调控路基水分场的效果，在K162+540～K162+560段设置不铺设任何土工布的对比段.如图2所示，根据当地土地的冻结深度1.8 m，将毛细导水土工材料铺设于路基顶面以下2.02 m处的路基中，即天然地面以上1 m处，毛细导水纤维长度方向沿路基宽度方向设置.根据文献[17]中毛细导水土工材料的铺设方法，将毛细导水土工材料首尾两端各1.5 m长的部分外露于路基两侧，且沿道路长度方向的铺设长度为40 m.路基中埋设FDR传感器监测路基温度与水分变化，FDR传感器可精确测量0.05～0.50 m3土体的体积含水率，测量精度为1%.在天然地面以下0.6 m处的换填层中埋设第1层传感器，并在毛细导水土工材料下方和上方0.4 m处分别埋设第2、3层传感器，每层埋设5个传感器，其编号如图2所示.试验段与对比段的路基填筑完成后未进行路面铺设.试验段旁搭建小型气象站，用于监测环境温、湿度、降雨变化以及采集路基中各传感器数据.

为验证毛细导水土工材料的排水效果，在路基填筑完成1 a后的试验段与对比段路基上钻孔取样，测定路基土质量含水率.钻孔取样分别在K162+520及K162+555两个断面进行，钻孔布设(编号A～E)如图4所示.钻孔间距2.5 m，最左侧和最右侧的钻孔分别距离左、右两侧路肩1.5 m.从毛细导水土工材料上方0.8 m处沿钻孔方向向下每隔20 cm取土样，进行质量含水率测试.

图4 钻孔布设示意图(单位：m)

在试验段钻孔取土样的同时，开挖裁取服役中毛细导水土工材料试样，进行淤堵评价.将所取毛细导水土工材料分成2段，其中一段保持试样原貌进行微观形貌分析，另一段则用于材料表面附着土的颗粒级配分析.微观形貌分析时，考虑到聚丙烯条带在高温下会发生变形，故采用冻干法去除毛细导水土工材料试样的水分，然后使用扫描电镜(SEM)进行微观形貌分析.级配分析时，先用切土刀将附着在毛细导水土工材料表面的土刮下，并用蒸馏水彻底冲洗材料，将分离出的土样在蒸馏水中浸泡24 h，然后采用Microtrac S3500激光粒度分析仪进行颗粒分析.

2 试验结果与分析

2.1 试验期间环境条件

图5给出了试验段所在地2019-01-01—2019-05-31的降雨量、空气相对湿度及环境温度.由图可知，气温在2019-02-15前维持较低水平，最低可达-20 ℃；而后气温开始逐渐回升.2019-02-15前几乎没有降雨，空气相对湿度维持在40%～60%；而后开始逐渐出现降雨，降雨次数在5月明显增多，且每次降雨量明显增大，空气相对湿度大幅度提升到85%～95%.

利用Kelvin方程[18]计算2019-01-01—2019-05-31期间环境平均温度和湿度下空气的吸力为

(1)

式中，R=8.314 32 J/(mol·K)为气体常数；ρw为环境温度T时水的密度；Mw=18.016 kg/kmol为水蒸气的摩尔质量；RH为相对湿度.

由式(1)计算得到试验路段所在地的空气吸力为1～10 MPa，而一般路基土的吸力小于1 MPa[19].空气与路基土之间巨大的吸力差有利于毛细导水土工材料在路基中充分发挥排水作用.

2.2 路基温度变化

图6显示了2019-01-01—2019-05-31期间试验段路基的温度变化.由图可知，路基的温度变化遵循环境温度变化模式，但远没有空气温度变化剧烈.在环境温度较低的1、2月，越靠近路基顶面温度越低，最低达到-2 ℃.毛细导水土工材料下方路基的温度约为6～10 ℃，路基最底层温度约为10～15 ℃，说明毛细导水土工材料下方路基土中的水分不会冻结.2月下旬气温开始回升，路基上层的温度逐渐升高，并最终高于路基中层和底层的温度.

(a) 降雨量

(b) 空气相对湿度

(c) 环境温度

图6 路基不同位置处温度变化

2.3 路基水分变化

图7给出了2019-01-01—2019-05-31期间试验段路基土体积含水率变化情况.由图7(a)可知，从2月下旬到5月中旬均存在降雨，但是第1层传感器监测到的路基土体积含水率保持下降趋势，说明在降雨较少时最底层路基土的体积含水率不会受到降雨的影响.在5月下旬，降雨变得较为集中，且降雨量较大，最底层路基土的体积含水率小幅升高，这可能是雨水从路基两侧的天然地面入渗所致.

(a) 第1层传感器

(b) 第2层传感器

由图7(b)可知，在发生第1次降雨之前，路基土体积含水率呈下降趋势，其中以传感器S2-5所测数据最为明显.在降雨量较小的2～4月，路基土体积含水率几乎保持稳定.从5月开始，降雨频率变大，路基土体积含水率小幅上升，上升幅度远小于理论计算的降雨完全入渗导致的体积含水率升高幅度，说明毛细导水土工材料在降雨量较大时可以将大部分入渗到路基土中的雨水排出.

图8给出了第3层传感器测得的试验段路基土温度与体积含水率.由图可知，2019-01-31—2019-02-15期间第3层路基土温度最低，接近-2 ℃，路基土体积含水率在这段时间内的下降速率明显高于2019-01-31前，这可能是因为在毛细导水土工材料排水的同时，路基土中部分水分被冻结成冰晶，使传感器监测到的体积含水率变小.2019-02-20发生了第1次降雨，2019-02-21—2019-05-01上层路基土体积含水率持续升高，这是因为春季温度回升，路基土中的冰开始融化；此外，降雨时毛细导水土工材料在一定程度上对将下渗的部分雨水起到了阻滞和减缓下渗的作用.从2019-05-01开始，降雨次数增多且降雨量变大，但是毛细导水土工材料上侧传感器监测到的体积含水率保持稳定，且与下层传感器监测的路基土体积含水率几乎相等.究其原因在于，降雨过程中，从路基顶面入渗的雨水会有部分穿过毛细导水土工材料，进入其下部路基土，在毛细导水土工材料较大的吸力作用下，毛细导水土工材料周围土体的水分重新分布，使得上下层土体体积含水率相等；然后，毛细导水土工材料对其上下两侧土体发挥同等的排水作用，导致上下两层路基土体积含水率相等；路基土中的雨水入渗量基本等于材料排出水量，故体积含水率保持稳定不变.由此可知，在降雨量较大的情况下，毛细导水土工材料仍可保持路基水分场分布稳定.

(a) 温度

(b) 体积含水率

试验段路基填筑完成1 a后，钻孔取土测得的路基不同深度处土样的质量含水率见图9.由图可知，紧邻毛细导水土工材料的路基土质量含水率高于其上下两侧路基土质量含水率，这是因为毛细导水土工材料从周围土体中吸收水分，且将其聚集在紧邻毛细导水土工材料区域的路基土中，当该区域的水分累积到毛细导水纤维一定饱和度时，毛细导水纤维会将这部分水分通过其表面的凹槽运输到路基外侧端，并通过蒸发作用将水分排到空气中[14].毛细导水土工材料排水的同时不断从其周围的土中吸收水分，紧邻的路基土质量含水率保持动态平衡，故其质量含水率较高.在毛细导水土工材料上方，距离越远，路基土质量含水率越低，究其原因在于：① 该区域的水分被毛细导水土工材料吸附并排出了路基；② 上方区域距离路基顶面较近，部分水分通过路基顶面的蒸发作用排出.在毛细导水土工材料下方深度220 cm处，路基土质量含水率较低，而深度240 cm处路基土质量含水率几乎同200 cm处相等，深度大于240 cm的路基土质量含水率均较高，这可能与路基下层非饱和区域毛细水的供给有关.

图9 试验段路基不同深度处质量含水率

分别对试验段与对比段同一路基深度处钻孔A～E处的路基土质量含水率取平均值，结果见图10.由图可知，深度202 cm处(即毛细导水土工材料铺设处)，试验段路基土质量含水率较对比段高，说明在紧邻毛细导水土工材料的路基土中存在一个质量含水率较高的动态平衡区.深度为160～200 cm时，试验段土样质量含水率较对比段低，深度小于160 cm时，试验段土样质量含水率较对比段高；深度为200～280 cm时，试验段土样质量含水率较对比段低，且在280 cm处两者相等.由此可知，在毛细导水土工材料上侧60 cm至下侧80 cm的范围内，试验段路基土质量含水率明显低于对比路段，该范围即为毛细导水土工材料的有效作用范围.上下两侧有效作用范围不同是因为上侧路基土质量含水率因路基顶面水分蒸发降低，而下侧路基土质量含水率因毛细水的不断供给而升高.在深度160、180、220、240、260 cm处，试验段路基土的质量含水率分别比对比段降低了5.6%、4.7%、4.6%、5.5%、5.5%，说明毛细导水土工材料服役1 a可使路基土质量含水率降低5%.

图10 路基不同深度处平均质量含水率对比

2.4 毛细导水土工材料淤堵分析

图11为毛细导水土工材料表面附着的土粒级配曲线.由图可知，在附着土中，粒径小于5 μm的土颗粒质量分数少于3%，粒径小于12 μm的土颗粒质量分数少于6%.对比附着土的粒径与纤维凹槽直径(5.7～12.0 μm)可知，路基土中只有极少土粒可以进入毛细导水纤维的凹槽中.因此，从附着土的粒径角度看，路基土几乎不会对毛细导水土工材料的排水通道造成淤堵.

图11 毛细导水土工材料表面附着土的粒级配曲线

对比服役前与服役1 a后毛细导水土工材料的微观形貌发现，服役毛细导水土工材料上未见明显的破损与毛细导水纤维断裂现象，土颗粒大多附着在毛细导水纤维束上(见图12).

图13为2束服役1 a的毛细导水纤维的微观形貌.由图可见，纤维束表面附着土颗粒.在放大倍数为1 000时观察，大部分土颗粒附着在纤维束表层纤维上，处于纤维束内部的纤维表面附着土粒极少，纤维间的空隙也未被土颗粒填充(见图13(b)和(e)).直径1 mm的毛细导水纤维束约由200支毛细导水纤维组成[20]，因此，纤维束外表的纤维足以包裹内部的纤维，使其不与路基土直接接触.观察图13(c)和(f)中附着土颗粒的纤维发现，土颗粒大部分附着在毛细导水纤维的凸起部分，难以进入纤维的凹槽中.因此，在路基中铺设毛细导水土工材料后，毛细导水纤维不会被路基土淤堵.

(a) 未服役

(b) 服役后

(a) 部位1(500×)

(b) 部位1(1 000×)

(c) 部位1(3 000×)

(d) 部位2(180×)

(e) 部位2(1 000×)

(f) 部位2(1 500×)

3 结论

1) 当环境温度为-20～30 ℃、空气相对湿度为40%～60%时，毛细导水土工材料可以在路基中正常发挥其吸、排水作用.无降雨时，毛细导水土工材料利用侧向排水作用排出路基土中的孔隙水，降低路基土质量含水率；降雨时，毛细导水土工材料通过竖向防渗与侧向排水作用调控路基水分分布，并降低路基土体积含水率.毛细导水土工材料在路基中铺设1 a后，可使路基土质量含水率降低约5%.毛细导水土工材料上侧60 cm到下侧80 cm的范围为其有效作用范围.

2) 紧邻毛细导水土工材料的路基土中存在质量含水率较高的动态平衡区.在毛细导水土工材料较大的吸力作用下，路基土水分逐渐向土工材料聚集；当水分累积到一定值时，毛细导水土工材料开始排水；随后，吸水与排水同时进行，紧邻毛细导水土工材料的土体保持质量含水率动态平衡，而其周围土体的质量含水率不断降低，最终呈现由毛细导水土工材料埋设处向其上下两侧降低的趋势.

3) 路基土不会对毛细导水土工材料的排水通道造成淤堵.工作1 a的毛细导水土工材料未有机械损伤.路基土大部分附着在纤维束表层纤维的凸起部分，处于纤维束中间的毛细导水纤维表面附着的土颗粒较少，且纤维间的间隙未被土颗粒填充.