環(huán)境溫濕度對(duì)新型導(dǎo)水土工布吸排水性能的影響

閆宏業(yè) 李泰灃 蔡德鉤

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081

鐵路路基遇水后在行車(chē)動(dòng)荷載作用下易發(fā)生基床翻漿病害，降低路基服役性能，故控制路基濕度對(duì)提高路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性具有十分重要的意義。兼具加固、防滲等功能的吸排水土工布作為四大建筑材料之一，目前被廣泛應(yīng)用于鐵路路基排水設(shè)施中。

在吸排水土工布研究方面，魏偉［1］通過(guò)鋪設(shè)土工布作為砂土路基施工的臨時(shí)排水設(shè)施，發(fā)現(xiàn)其不僅能有效排除積水，保護(hù)路基，而且具有施工便捷、速度快、造價(jià)低、可回收利用等特點(diǎn)。何璐等［2］研究了土工布作為隔離層時(shí)水泥混凝土路面的實(shí)際排水效果，發(fā)現(xiàn)土工布作為隔離層能有效排除基層上的水分，并且水量越大，排水效果越好。張佩浩等［3］以高吸力土工布為研究對(duì)象，通過(guò)ABAQUS 軟件模擬路基內(nèi)含水率的變化，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)含水率隨著路基深度的增加而增加，高吸力土工布在較大的非飽和程度范圍內(nèi)保持奪水能力。近期，諸多學(xué)者也對(duì)美國(guó)H2Ri新型芯吸土工布材料開(kāi)展了研究。Guo 等［4］通過(guò)土柱試驗(yàn)探究埋置深度對(duì)芯吸土工布排水性能的影響，發(fā)現(xiàn)芯吸土工布對(duì)其上方18 ～ 25 cm 的粒料能進(jìn)行有效排水。Lin 等［5］通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)芯吸土工布排水系統(tǒng)的排水性能進(jìn)行了量化分析，發(fā)現(xiàn)芯吸土工布可使基層含水率比最佳含水率降低2.2%，彈性模量提高2～3 倍。Guo 等［6］在不同土路基中設(shè)置了芯吸土工布、非芯吸土工布、無(wú)土工布三種工況來(lái)對(duì)比在循環(huán)荷載作用下路基的排水與變形效果，發(fā)現(xiàn)芯吸土工布排水效果及對(duì)變形的控制效果最佳。Bai 等［7］研究了不同芯吸纖維根數(shù)、不同間距等參數(shù)對(duì)芯吸土工布排水性能的影響，得出采用一根芯吸纖維且纖維紗間距為3 mm的土工布排水效果最佳。通過(guò)以上分析可知，新型芯吸土工布在路基中具有良好的吸排水能力，但既有研究聚焦于單一工況下分析土工布的吸排水性能，未考慮不同溫度和濕度對(duì)新型導(dǎo)水土工布吸排水性能的影響。

綜上，本文對(duì)不同溫度和濕度條件下的新型導(dǎo)水土工布開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)，研究15組溫濕度工況下新型土工布總排水量、重力排水量以及蒸發(fā)排水量的變化規(guī)律，以期為新型導(dǎo)水土工布在鐵路路基中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

新型導(dǎo)水土工布由緯向聚酯類(lèi)材料和徑向綠色吸排水紗線復(fù)合聚酯類(lèi)材料交叉編織而成。緯向材料主要起加固穩(wěn)定的作用，徑向紗線具有親水性，起吸水作用，見(jiàn)圖1。對(duì)徑向吸排水紗線進(jìn)行電鏡掃描。紗線纖維外表光滑、無(wú)坑槽，纖維直徑在15 ～ 30 μm、平均直徑為28.775 μm，纖維間孔隙當(dāng)量半徑為4.44 μm，接觸角為62.04°。截面相對(duì)較規(guī)則，近似呈圓形分布。

圖1 新型導(dǎo)水土工布外觀與電鏡掃描

根據(jù)SL 235—2012《土工合成材料測(cè)試規(guī)程》對(duì)新型導(dǎo)水土工布開(kāi)展基本性能指標(biāo)試驗(yàn)和水力性能試驗(yàn)。新型導(dǎo)水土工布的水平滲透系數(shù)與法向壓力有關(guān)，當(dāng)法向壓力分別為3、4、5 kPa 時(shí)，水平滲透系數(shù)分別為85.37、2.22、1.28 cm/s。其他基本性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 顆粒長(zhǎng)細(xì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果

1.1 試驗(yàn)儀器

室內(nèi)試驗(yàn)采用的儀器為高低溫濕熱交變?cè)囼?yàn)箱。交變?cè)囼?yàn)箱可控制溫度為40～200 ℃，相對(duì)濕度為0～100%。其中，溫度偏差不大于±2.0 ℃，溫度波動(dòng)度不大于±0.5 ℃，相對(duì)濕度波動(dòng)度不大于±2%，相對(duì)濕度均勻度不大于2%～3%。

1.2 試驗(yàn)方法

考慮到土工布的排水方式主要為蒸發(fā)排水和重力排水，設(shè)計(jì)試驗(yàn)單元，見(jiàn)圖2。左右兩側(cè)分別設(shè)置裝水杯與接水杯，土工布兩側(cè)分別置于裝水杯和接水杯內(nèi)。裝水杯中裝滿水，頂部采用密封蓋進(jìn)行密封。接水杯分為兩部分，上部為蒸發(fā)段，下部為接水杯。在蒸發(fā)段內(nèi)，土工布吸水后主要通過(guò)蒸發(fā)作用進(jìn)行排水。接水杯主要承接土工布吸水后由重力作用產(chǎn)生的排水，接水杯頂部采用密封蓋進(jìn)行密封?？偱牛ㄎ┧康扔谥亓ε潘颗c蒸發(fā)排水量之和。

圖2 試驗(yàn)單元

1.3 試驗(yàn)工況

為獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果，選用26 cm × 10 cm 的新型土工布和普通土工布。3組新型土工布、3組普通土工布、2 組無(wú)土工布的試樣同時(shí)開(kāi)展試驗(yàn)，其中新型土工布與普通土工布交叉放置，2 組無(wú)土工布為對(duì)照組，見(jiàn)圖3。

圖3 試樣

根據(jù)鐵路路基常見(jiàn)的溫度和濕度情況，設(shè)置5、10、20 ℃共3 種溫度，并設(shè)置40%、50%、60%、70%、80%共5 種相對(duì)濕度，組成15 組不同溫濕度工況，研究溫濕度對(duì)土工布吸排水性能的影響。每組工況試驗(yàn)時(shí)間為12 d，即288 h時(shí)，每天記錄6組試驗(yàn)組和2組對(duì)照組裝水杯和接水杯內(nèi)的水量變化，并取各工況下的平均值作為水量變化值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 排水量隨時(shí)間的變化規(guī)律

以溫度20℃、相對(duì)濕度40%為基準(zhǔn)，研究新型導(dǎo)水土工布與普通土工布含水量和排水量隨時(shí)間的變化規(guī)律?？偱潘颗c排水速率隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖4?？芍涸谛滦屯凉げ?、普通土工布、無(wú)土工布3種工況中，總排水量均隨時(shí)間持續(xù)增大。相同時(shí)間內(nèi)，新型土工布的排水量高于普通土工布、無(wú)土工布時(shí)的排水量，說(shuō)明新型土工布的排水效果最好。在試驗(yàn)的前72 h內(nèi)，有土工布時(shí)排水速率逐漸降低，大于72 h后排水速率趨于相對(duì)穩(wěn)定。無(wú)土工布時(shí)排水速率在48 h后趨于穩(wěn)定。新型導(dǎo)水土工布總排水速率穩(wěn)定在3.08 mL/h 左右，普通導(dǎo)水土工布穩(wěn)定于2.39 mL/h 左右，無(wú)土工布時(shí)穩(wěn)定于2.06 mL/h。新型導(dǎo)水土工布穩(wěn)定后的排水速率比普通土工布高28.9%，比無(wú)土工布時(shí)高49.5%。

圖4 總排水與總排水速率隨時(shí)間的變化曲線

蒸發(fā)排水量與排水速率隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖5?？芍? 種工況下蒸發(fā)排水量均隨時(shí)間的增長(zhǎng)持續(xù)增大。在168 h 以內(nèi)，新型導(dǎo)水土工布和普通土工布的蒸發(fā)排水量大致保持一致；大于168 h 后，普通土工布的排水能力開(kāi)始減弱，但新型土工布的排水量仍然增大。有土工布時(shí)蒸發(fā)排水量明顯高于無(wú)土工布時(shí)。此外，無(wú)論是新型導(dǎo)水土工布還是普通土工布，隨著時(shí)間的增加，蒸發(fā)速率都呈現(xiàn)出逐漸減弱的趨勢(shì)。

圖5 蒸發(fā)排水量與排水速率隨時(shí)間的變化曲線

重力排水量與排水速率隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖6。可知：對(duì)新型土工布而言，120 h 前重力排水量隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，排水速率隨時(shí)間增長(zhǎng)而降低；120 h后，排水量和排水速率均趨于穩(wěn)定。對(duì)普通土工布而言，72 h 前重力排水量隨時(shí)間增長(zhǎng)而增大，排水速率隨時(shí)間增長(zhǎng)而降低；72 h后，排水量和排水速率趨于穩(wěn)定值，這說(shuō)明重力排水主要集中在試驗(yàn)前期。通過(guò)對(duì)比重力排水總量可知，與普通土工布相比，新型導(dǎo)水土工布因其良好的結(jié)構(gòu)特性在重力排水方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。

圖6 重力排水量與排水速率隨時(shí)間的變化關(guān)系

不同類(lèi)型土工布排水量見(jiàn)圖7?？芍河型凉げ紩r(shí)總排水量高于無(wú)土工布時(shí)，新型導(dǎo)水土工布總排水量、蒸發(fā)排水量及重力排水量均高于普通導(dǎo)水土工布，其中總排水量增加255.9 mL，提高了31.0%，表明新型導(dǎo)水土工布排水效果更好。新型導(dǎo)水土工布多排出的水分主要得益于蒸發(fā)排水，在增加的排水量中蒸發(fā)排水增量貢獻(xiàn)67.2%，重力排水增量貢獻(xiàn)32.8%，體現(xiàn)了新型導(dǎo)水土工布在蒸發(fā)排水方面的優(yōu)越性。在新型導(dǎo)水土工布和普通導(dǎo)水土工布的總排水量中，蒸發(fā)排水分別占85.6%、91.3%，在整個(gè)排水過(guò)程中蒸發(fā)排水是土工布的主要排水方式。

圖7 不同類(lèi)型土工布排水量

2.2 溫度對(duì)土工布吸排水性能的影響

溫度對(duì)土工布吸排水性能的影響見(jiàn)圖8。可知：在保持相對(duì)濕度不變的情況下，新型導(dǎo)水土工布、普通土工布、無(wú)土工布時(shí)總排水量和蒸發(fā)排水量均隨著溫度的升高而升高，重力排水量隨著溫度的升高而降低。這主要是因?yàn)殡S著溫度升高，土工布暴露段中的水分更容易通過(guò)蒸發(fā)排入外界環(huán)境中，水分難以在土工布中聚集滴落，產(chǎn)生重力排水。

圖8 溫度對(duì)土工布吸排水性能的影響

新型導(dǎo)水土工布和普通導(dǎo)水土工布在相對(duì)濕度一定的條件下，溫度由5 ℃提升至10 ℃和由10 ℃提升至20 ℃時(shí)總排水量的增幅見(jiàn)表2?？芍簻囟?＞ 60%時(shí)，對(duì)于新型導(dǎo)水土工布，溫度由5 ℃提升至10 ℃的排水量增幅高于由10 ℃提升至20 ℃時(shí)，平均高出83.6%。對(duì)于普通導(dǎo)水土工布，溫度由10 ℃提升至20 ℃排水量增幅顯著高于由5 ℃提升至10 ℃時(shí)，這表明新型導(dǎo)水土工布在5 ℃時(shí)對(duì)溫度提升更敏感，普通導(dǎo)水土工布在10 ℃時(shí)對(duì)溫度提升更敏感。

表2 溫度升高時(shí)土工布總排水量增幅

2.3 濕度對(duì)土工布吸排水性能的影響

濕度對(duì)土工布吸排水性能的影響見(jiàn)圖9?？芍涸诒３譁囟炔蛔兊那闆r下，新型導(dǎo)水土工布、普通土工布和無(wú)土工布時(shí)平均總排水量增大、平均蒸發(fā)排水量均隨著相對(duì)濕度的增大而降低，平均重力排水量隨著相對(duì)濕度的增大而增加。這主要是因?yàn)橥凉げ纪ㄟ^(guò)與外界環(huán)境濕度差進(jìn)行蒸發(fā)排水，隨著交變?cè)囼?yàn)箱內(nèi)相對(duì)濕度增加，土工布暴露段蒸發(fā)勢(shì)減小，水分蒸發(fā)變困難，土工布中水分更容易聚集，當(dāng)水的重力更容易克服土工布吸力時(shí)，進(jìn)行重力排水將更加簡(jiǎn)單。

圖9 濕度對(duì)土工布吸排水性能的影響

新型導(dǎo)水土工布和普通導(dǎo)水土工布在溫度一定的條件下，相對(duì)濕度由80%依次降低至40%時(shí)總排水量的增幅見(jiàn)表3?？芍簩?duì)于新型導(dǎo)水土工布，隨著相對(duì)濕度的降低，排水量增幅逐漸增大；相對(duì)濕度由50%降至40%時(shí)，新型導(dǎo)水土工布和普通導(dǎo)水土工布排水量增幅均有顯著提升，表明土工布在相對(duì)濕度較低時(shí)，對(duì)相對(duì)濕度的變化更敏感。

3 結(jié)論

1）新型導(dǎo)水土工布總排水量、蒸發(fā)排水量及重力排水量均高于普通導(dǎo)水土工布，說(shuō)明新型導(dǎo)水土工布的排水效果優(yōu)于普通土工布。與重力排水方式相比，蒸發(fā)排水是土工布主要的排水方式。

2）新型導(dǎo)水土工布的總排水量、蒸發(fā)排水量隨溫度的升高而增大，隨濕度的增大而減??；重力排水量隨溫度升高而減小，隨濕度增大而增大。溫度為5 ℃、濕度為40%時(shí)，新型導(dǎo)水土工布的吸排水效果最顯著。