類毛細(xì)導(dǎo)水材料排水及抑制土體凍融效果研究

劉志彬 劉鋒 張書建 雷松林 白梅 黃昊冉

摘? ?要：為解決季節(jié)性凍土地區(qū)路基土中水分積累引起的路基凍害問題，以商用高嶺土為對象，通過對使用類毛細(xì)導(dǎo)水材料處理后的高嶺土單元試樣分別進行排水和凍融試驗，研究類毛細(xì)導(dǎo)水材料排水及抑制土體凍脹的效果. 結(jié)果表明，類毛細(xì)導(dǎo)水材料可以在土體非飽和條件下將其中水分排出，使土樣中水分含量降低20%～30%;類毛細(xì)導(dǎo)水材料包裹試樣側(cè)面時的排水效果優(yōu)于將其埋設(shè)于試樣中，且試樣初始含水率越大，類毛細(xì)導(dǎo)水材料的排水性能發(fā)揮越充分;凍融試驗中，土樣初始含水率越高，其凍脹量和融沉量也就越大，類毛細(xì)導(dǎo)水材料能夠使土樣在凍脹融沉過程中的體積變化率降低5%～15%，從而有效抑制土體凍害.

關(guān)鍵詞：類毛細(xì)導(dǎo)水材料;排水能力;凍脹;融沉;抑制效果

中圖分類號：TU57? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Study on Drainage Performance of Quasi Wicking Fabric

and Its Control Effect on Freeze-thaw of Clayey Soil

LIU Zhibin1?，LIU Feng1，ZHANG Shujian2，LEI Songlin2，BAI Mei1，HUANG Haoran1

（1. School of Transportation，Southeast University，Nanjing 211189，China;

2. Jilin Provincial High Class Highway Construction Bureau，Changchun 130062，China）

Abstract：To solve the frost damage problems of road embankment caused by moisture accumulation in subgrade in seasonal frozen soil area， drainage and freeze-thaw tests were carried out on kaolinite soil samples dealt with the quasi wicking fabric. Its aimed to study the drainage performance of quasi wicking fabric and its control effect on frost heaving of soils. The test results indicate that the quasi wicking fabric can discharge water from unsaturated soil and reduce the moisture content of soil sample by 20%～30%. The drainage effect of the condition that the soil sample is laterally wrapped by wicking materials is better than that of placing the material in the sample. As the initial water content of the sample increases， the drainage performance of the quasi wicking fabric also becomes more effective. In the freeze-thaw test， frost heave and thaw settlement increases with the increasing initial water content of the soil sample. The quasi wicking fabric can effectively reduce the volume change of the soil sample during freeze-thaw process by 5%～15%， which thereby can inhibit the frost damage of the soil.

Key words：quasi wicking fabric;drainage performance;frost heave;thaw settlement;control effect

季節(jié)性凍土區(qū)公路路基凍害主要表現(xiàn)為凍脹和翻漿2類，凍脹會引起路面橫向撓曲變形和裂縫，翻漿則會導(dǎo)致路面沉陷、鼓包及車轍變形[1-2]. 李雨濃等[3]指出，在季節(jié)性凍土區(qū)路基水分遷移變化是導(dǎo)致道路凍害頻發(fā)的最主要因素. 許健等[4]通過研究發(fā)現(xiàn)，土體降溫凍結(jié)時凍結(jié)區(qū)的液態(tài)水含量急劇減小，從而引起其基質(zhì)勢能的急劇降低，促使土中未凍水沿著溫度降低方向遷移，最終導(dǎo)致路基強度降低. Hermansson等[5]調(diào)查了水位高度對凍土路基凍脹行為的影響，結(jié)果表明，路面排水結(jié)構(gòu)的改善以及降低地下水位高度可以顯著減少凍脹. 因此路基的防排水技術(shù)是減少道路凍脹破壞的關(guān)鍵所在.

目前解決季節(jié)性凍土區(qū)路基凍脹破壞的措施主要是通過改良路基填筑用土或換填來實現(xiàn)[6-9]，但上述措施對道路凍脹破壞只能起到一定的預(yù)防和改善作用，存在諸多不足. 例如，換填法和保溫法成本高，不能徹底消除及避免路基土水分遷移與凍脹[10-11]. 美國TenCate公司研制了一種具有毛細(xì)吸水功能的毛細(xì)導(dǎo)水材料H2Ri，這是一種由親水吸濕纖維制成的新型高分子材料，能夠在非飽和條件下將土中水分排出，美國一些學(xué)者圍繞這種材料開展了一些研究工作. Azevedo等[12]利用小型土柱模型試驗發(fā)現(xiàn)，毛細(xì)導(dǎo)水材料的水平排水性能明顯優(yōu)于其豎向排水能力. Zhang等[13]在阿拉斯加某公路試驗段開展了現(xiàn)場試驗，初步證明該種毛細(xì)導(dǎo)水材料可有效解決凍土區(qū)路基的凍融破壞問題. Lin等[14-15]通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗證明毛細(xì)導(dǎo)水材料可以有效地將自由水和毛細(xì)水排出路面結(jié)構(gòu). Guo等[16]在控制溫度和相對濕度條件下測試了毛細(xì)導(dǎo)水材料的除水率，結(jié)果表明毛細(xì)導(dǎo)水材料可以以較快速率從水箱中抽排水.

由于國內(nèi)并不生產(chǎn)上述毛細(xì)導(dǎo)水材料，本文采用與毛細(xì)導(dǎo)水材料H2Ri具有相似功能的類毛細(xì)導(dǎo)水材料Coolmax材料進行研究. 以商用高嶺土為對象，對使用類毛細(xì)導(dǎo)水材料處理后的不同初始含水率高嶺土單元體試樣分別進行排水和凍融試驗，研究類毛細(xì)導(dǎo)水材料排水特性及其抑制土體凍融變形的效果.

1? ?試驗材料與方法

1.1? ?試驗材料

本研究采用市場上具有毛細(xì)導(dǎo)水性能的類毛細(xì)導(dǎo)水材料Coolmax材料（如圖1所示）進行測試分析，探討其排水能力以及抑制黏性土凍融變形的效果. Coolmax材料由于具有良好的吸排水性能，被廣泛地應(yīng)用于制造速干類運動衣[17]，Coolmax材料的規(guī)格參數(shù)見表1.

試驗所用土樣為徐州礦務(wù)局夾河高嶺土廠生產(chǎn)的商用高嶺土（粒徑<50 μm）. 其主要的物理性質(zhì)指標(biāo)見表2.

1.2? ?試驗方法

將上述高嶺土按15%、17%、19%、21%、23%調(diào)制含水率，密封養(yǎng)護24 h后采用靜壓法制成?5 cm×H10 cm的圓柱樣，試驗控制土樣初始干密度為1.76 g/cm3，土樣壓實度為95%. 在相同含水率條件下，制樣采用2種材料布設(shè)方案，同時制作對照試樣.

方案1將類毛細(xì)導(dǎo)水材料直接包裹在樣品側(cè)面. 試驗組1a將類毛細(xì)導(dǎo)水材料完全包裹在土樣側(cè)面，僅留下上下表面裸露在外，旨在測試材料接觸面排水效果;對照組1b則直接使用塑料保鮮膜將土樣側(cè)面包裹起來，僅留上下表面裸露在外. 方案2將類毛細(xì)導(dǎo)水材料分上下2層埋設(shè)于土樣中間. 試驗組2a制樣時將寬0.7 cm、長6.5 cm的類毛細(xì)導(dǎo)水材料分2層布設(shè)在土柱試樣1/3和2/3高度，每層2根寬0.7 cm的材料平行布設(shè)，間距0.5 cm;對照組2b使用塑料保鮮膜將側(cè)面包裹起來，僅留上下表面裸露在外，在材料對應(yīng)的位置剪出開口，將開口區(qū)域的土樣曝露于空氣中. 本次試驗所制試樣編號見表3，材料布設(shè)方法和試樣制備方法分別如圖2和圖3所示.

進行排水試驗時，室溫為（25±3） ℃，濕度為65%±5%，定期測量土樣質(zhì)量變化并精確至0.1 g，最終測量至72 h. 凍融試驗參考美國ASTM D6035/D6035M規(guī)范[18]進行試驗設(shè)計：試驗時將試樣在-20 ℃下凍結(jié)24 h，然后置于25 ℃環(huán)境下融化24 h.

凍融過程中每隔1 h用游標(biāo)卡尺測量試樣直徑和高度，考慮凍融過程中試樣變形的不均勻性，沿試樣高度方向取3個斷面測量直徑，并取平均值計算試樣體積. 最后根據(jù)式（1）計算試樣體積變化率.

式中：δ為體積變化率，%;Vt為土樣經(jīng)歷凍融后體積，cm3;V0為土樣初始體積，cm3.

2? ?排水試驗結(jié)果分析

2.1? ?類毛細(xì)導(dǎo)水材料包裹土樣排水結(jié)果分析

圖4所示為材料包裹試樣的試驗組1a與對照組1b含水率變化曲線. 從圖4可看出在類毛細(xì)導(dǎo)水材料作用下，土樣含水率明顯低于對照組土樣含水率. 在類毛細(xì)導(dǎo)水材料包裹下的土體排水過程主要可分為2個階段，即類毛細(xì)導(dǎo)水材料主導(dǎo)的快速排水階段，以及蒸發(fā)作用主導(dǎo)下的勻速排水階段.

圖5所示為采用材料包裹試樣與對照組試樣的含水率降低率曲線. 由圖5可看出，類毛細(xì)導(dǎo)水材料包裹的試樣的初始含水率越高，材料排水效果越明顯. 這表現(xiàn)在土樣初始含水率越高，含有類毛細(xì)導(dǎo)水材料的土樣最終含水率降幅越大.

2.2? ?鋪設(shè)2層類毛細(xì)導(dǎo)水材料土樣排水結(jié)果分析

圖6所示為鋪設(shè)2層材料試樣的試驗組2a與對照組2b的含水率變化曲線，從圖6可看出含類毛細(xì)導(dǎo)水材料土樣的含水率始終低于對照組試樣. 隨著時間的增長以及土中含水率的減小，最終2組試樣的排水速率相差不多.

圖7所示為鋪設(shè)2層材料的土樣與對照組試樣的含水率降低率曲線. 分析圖7可發(fā)現(xiàn)埋有類毛細(xì)導(dǎo)水材料試樣的含水率降低率與對照組試樣的含水率降低率之間未表現(xiàn)出太大差異. 埋有類毛細(xì)導(dǎo)水材料的土樣排水效果略優(yōu)于沒有材料的土樣，這可能是因為蒸發(fā)作用比較明顯且類毛細(xì)導(dǎo)水材料在土樣中排水工作面積不足，未能表現(xiàn)出明顯的吸排水效果.

圖8所示為試驗結(jié)束時鋪設(shè)2層材料土樣的分層含水率，由圖8可看出鋪設(shè)2層材料的土樣不同深度的含水率是不同的，由于土樣頂層暴露在空氣中，所以土樣上部同時受到類毛細(xì)導(dǎo)水材料的毛細(xì)效應(yīng)以及蒸發(fā)影響，含水率最低. 土樣中部只受到類毛細(xì)導(dǎo)水材料的排水作用，能夠體現(xiàn)材料真實排水能力. 土樣下部含水率較高可能是由于土樣底層無蒸發(fā)作用且離導(dǎo)水材料較遠(yuǎn)所致.

2.3? ?布設(shè)方案對類毛細(xì)導(dǎo)水材料排水效果影響分析

圖9顯示了2種材料布設(shè)方案對試樣含水率變化率的影響. 由圖9可發(fā)現(xiàn)材料包裹試樣的排水效果要明顯優(yōu)于在試樣中鋪設(shè)2層材料的排水效果，且初始含水率越大，越能發(fā)揮材料的排水作用. 此外，類毛細(xì)導(dǎo)水材料的排水能力與它和土樣之間的有效接觸面積相關(guān)，接觸面積越大，材料的排水效果就越好. 除了有效接觸面積之外，類毛細(xì)導(dǎo)水材料在空氣中的暴露面積同樣起到關(guān)鍵作用. 類毛細(xì)導(dǎo)水材料暴露在空氣中的部分直接參與了蒸發(fā)過程，因此暴露在空氣中的材料面積越大，類毛細(xì)導(dǎo)水材料排水能力越強.

結(jié)合具體工程實際進行考量，第一種材料布設(shè)方案在實際工程中較難應(yīng)用，而第二種布設(shè)方案所表現(xiàn)出的效果雖然不如方案一，但在具體工程應(yīng)用上更加可行. 在第二種材料布設(shè)方案中，由于室內(nèi)試驗條件限制，材料埋設(shè)寬度較小，類毛細(xì)導(dǎo)水材料與土樣接觸面積不足，因此降低了其排水效果.

3? ?材料抑制土樣凍融效果研究

3.1? ?類毛細(xì)導(dǎo)水材料包裹試樣凍脹融沉分析

圖10所示為用材料包裹的初始含水率為19%與23%的試樣體積變化率. 從圖10可看出土樣初始凍脹階段體積變化最快，隨著時間增長，體積變化逐漸減慢，直至穩(wěn)定. 試樣剛開始融化時，試樣的體積迅速減小，隨著時間增長，體積變化逐漸減小.

從圖10可看出，在凍脹階段，包裹了類毛細(xì)導(dǎo)水材料和不含材料的2個試樣的體積變化率都在增加，出現(xiàn)明顯的凍脹現(xiàn)象;在融化階段，2個試樣也都出現(xiàn)了明顯的融沉現(xiàn)象. 但在整個凍脹融沉試驗過程中，類毛細(xì)導(dǎo)水材料包裹的試樣的體積變化率一直都比素土試樣的體積變化率低15%左右，這說明采用類毛細(xì)導(dǎo)水材料包裹側(cè)面的布設(shè)方案確實能夠有效抑制土樣的凍脹融沉.

3.2? ?均勻鋪設(shè)2層材料試樣凍脹融沉分析

圖11為初始含水率分別為19%與23%且均勻鋪設(shè)2層類毛細(xì)導(dǎo)水材料試樣的體積變化曲線. 由圖11可看出，在初始凍脹階段，土樣體積迅速增大，出現(xiàn)明顯的凍脹現(xiàn)象，隨著時間增長，體積逐漸趨于穩(wěn)定，直至不再變化. 相同情況下，試樣初始含水率越高，其體積變化越大. 比較2種試樣的體積變化率可見，鋪設(shè)有類毛細(xì)導(dǎo)水材料試樣的體積變化率比對照組試樣低5%，這說明采用在土樣中均勻鋪設(shè)類毛細(xì)導(dǎo)水材料的試驗方案能夠抑制土樣的凍脹融沉.

4? ?結(jié)? ?論

本文以商用高嶺土為對象，通過對埋設(shè)有類毛細(xì)導(dǎo)水材料的不同含水率高嶺土試樣進行排水和凍融試驗，得到了以下主要研究結(jié)論：

1）類毛細(xì)導(dǎo)水材料能夠?qū)⒎秋柡透邘X土中的水分排出，使土樣的含水率降低20%～30%，起到抑制路基土凍脹的作用.

2）在排水試驗中，采用了將類毛細(xì)導(dǎo)水材料直接包裹在土樣側(cè)面和將2層材料均勻鋪設(shè)在土樣中2種材料布設(shè)方案，其中類毛細(xì)導(dǎo)水材料包裹在土樣側(cè)面時的排水效果明顯好于將其鋪設(shè)于土樣中;土樣的初始含水率越高，類毛細(xì)導(dǎo)水材料的排水能力越強;暴露在空氣中的類毛細(xì)導(dǎo)水材料面積越大，類毛細(xì)導(dǎo)水材料排水效果越好.

3）在凍融試驗中，所有土樣均發(fā)生了明顯的凍脹和融沉現(xiàn)象，且土樣含水率越高，土樣的體積變化越大;使用類毛細(xì)導(dǎo)水材料能夠使土樣在凍融過程中的體積變化率減少5%～15%，有效抑制土樣的凍脹融沉.

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