環境溫濕度對新型導水土工布吸排水性能的影響

閆宏業 李泰灃 蔡德鉤

中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081

鐵路路基遇水后在行車動荷載作用下易發生基床翻漿病害，降低路基服役性能，故控制路基濕度對提高路基的長期穩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，目前被廣泛應用于鐵路路基排水設施中。

在吸排水土工布研究方面，魏偉［1］通過鋪設土工布作為砂土路基施工的臨時排水設施，發現其不僅能有效排除積水，保護路基，而且具有施工便捷、速度快、造價低、可回收利用等特點。何璐等［2］研究了土工布作為隔離層時水泥混凝土路面的實際排水效果，發現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象，通過ABAQUS 軟件模擬路基內含水率的變化，并結合試驗數據發現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保持奪水能力。近期，諸多學者也對美國H2Ri新型芯吸土工布材料開展了研究。Guo 等［4］通過土柱試驗探究埋置深度對芯吸土工布排水性能的影響，發現芯吸土工布對其上方18 ～ 25 cm 的粒料能進行有效排水。Lin 等［5］通過數值模擬對芯吸土工布排水系統的排水性能進行了量化分析，發現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］在不同土路基中設置了芯吸土工布、非芯吸土工布、無土工布三種工況來對比在循環荷載作用下路基的排水與變形效果，發現芯吸土工布排水效果及對變形的控制效果最佳。Bai 等［7］研究了不同芯吸纖維根數、不同間距等參數對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新型導水土工布吸排水性能的影響。

綜上，本文對不同溫度和濕度條件下的新型導水土工布開展室內試驗，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排水量的變化規律，以期為新型導水土工布在鐵路路基中的應用提供理論依據。

1 試驗概況

新型導水土工布由緯向聚酯類材料和徑向綠色吸排水紗線復合聚酯類材料交叉編織而成。緯向材料主要起加固穩定的作用，徑向紗線具有親水性，起吸水作用，見圖1。對徑向吸排水紗線進行電鏡掃描。紗線纖維外表光滑、無坑槽，纖維直徑在15 ～ 30 μm、平均直徑為28.775 μm，纖維間孔隙當量半徑為4.44 μm，接觸角為62.04°。截面相對較規則，近似呈圓形分布。

圖1 新型導水土工布外觀與電鏡掃描

根據SL 235—2012《土工合成材料測試規程》對新型導水土工布開展基本性能指標試驗和水力性能試驗。新型導水土工布的水平滲透系數與法向壓力有關，當法向壓力分別為3、4、5 kPa 時，水平滲透系數分別為85.37、2.22、1.28 cm/s。其他基本性能指標見表1。

表1 顆粒長細比統計結果

1.1 試驗儀器

室內試驗采用的儀器為高低溫濕熱交變試驗箱。交變試驗箱可控制溫度為40～200 ℃，相對濕度為0～100%。其中，溫度偏差不大于±2.0 ℃，溫度波動度不大于±0.5 ℃，相對濕度波動度不大于±2%，相對濕度均勻度不大于2%～3%。

1.2 試驗方法

考慮到土工布的排水方式主要為蒸發排水和重力排水，設計試驗單元，見圖2。左右兩側分別設置裝水杯與接水杯，土工布兩側分別置于裝水杯和接水杯內。裝水杯中裝滿水，頂部采用密封蓋進行密封。接水杯分為兩部分，上部為蒸發段，下部為接水杯。在蒸發段內，土工布吸水后主要通過蒸發作用進行排水。接水杯主要承接土工布吸水后由重力作用產生的排水，接水杯頂部采用密封蓋進行密封?？偱牛ㄎ┧康扔谥亓ε潘颗c蒸發排水量之和。

圖2 試驗單元

1.3 試驗工況

為獲得準確的試驗結果，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 組無土工布的試樣同時開展試驗，其中新型土工布與普通土工布交叉放置，2 組無土工布為對照組，見圖3。

圖3 試樣

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

2 試驗結果與分析

2.1 排水量隨時間的變化規律

以溫度20℃、相對濕度40%為基準，研究新型導水土工布與普通土工布含水量和排水量隨時間的變化規律?？偱潘颗c排水速率隨時間的變化曲線見圖4?？芍涸谛滦屯凉げ?、普通土工布、無土工布3種工況中，總排水量均隨時間持續增大。相同時間內，新型土工布的排水量高于普通土工布、無土工布時的排水量，說明新型土工布的排水效果最好。在試驗的前72 h內，有土工布時排水速率逐漸降低，大于72 h后排水速率趨于相對穩定。無土工布時排水速率在48 h后趨于穩定。新型導水土工布總排水速率穩定在3.08 mL/h 左右，普通導水土工布穩定于2.39 mL/h 左右，無土工布時穩定于2.06 mL/h。新型導水土工布穩定后的排水速率比普通土工布高28.9%，比無土工布時高49.5%。

圖4 總排水與總排水速率隨時間的變化曲線

蒸發排水量與排水速率隨時間變化曲線見圖5?？芍? 種工況下蒸發排水量均隨時間的增長持續增大。在168 h 以內，新型導水土工布和普通土工布的蒸發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始減弱，但新型土工布的排水量仍然增大。有土工布時蒸發排水量明顯高于無土工布時。此外，無論是新型導水土工布還是普通土工布，隨著時間的增加，蒸發速率都呈現出逐漸減弱的趨勢。

圖5 蒸發排水量與排水速率隨時間的變化曲線

重力排水量與排水速率隨時間變化曲線見圖6?？芍簩π滦屯凉げ级?，120 h 前重力排水量隨時間的增長而增大，排水速率隨時間增長而降低；120 h后，排水量和排水速率均趨于穩定。對普通土工布而言，72 h 前重力排水量隨時間增長而增大，排水速率隨時間增長而降低；72 h后，排水量和排水速率趨于穩定值，這說明重力排水主要集中在試驗前期。通過對比重力排水總量可知，與普通土工布相比，新型導水土工布因其良好的結構特性在重力排水方面展現出顯著優勢。

圖6 重力排水量與排水速率隨時間的變化關系

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

圖7 不同類型土工布排水量

2.2 溫度對土工布吸排水性能的影響

溫度對土工布吸排水性能的影響見圖8?？芍涸诒３窒鄬穸炔蛔兊那闆r下，新型導水土工布、普通土工布、無土工布時總排水量和蒸發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。這主要是因為隨著溫度升高，土工布暴露段中的水分更容易通過蒸發排入外界環境中，水分難以在土工布中聚集滴落，產生重力排水。

圖8 溫度對土工布吸排水性能的影響

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

表2 溫度升高時土工布總排水量增幅

2.3 濕度對土工布吸排水性能的影響

濕度對土工布吸排水性能的影響見圖9?？芍涸诒３譁囟炔蛔兊那闆r下，新型導水土工布、普通土工布和無土工布時平均總排水量增大、平均蒸發排水量均隨著相對濕度的增大而降低，平均重力排水量隨著相對濕度的增大而增加。這主要是因為土工布通過與外界環境濕度差進行蒸發排水，隨著交變試驗箱內相對濕度增加，土工布暴露段蒸發勢減小，水分蒸發變困難，土工布中水分更容易聚集，當水的重力更容易克服土工布吸力時，進行重力排水將更加簡單。

圖9 濕度對土工布吸排水性能的影響

新型導水土工布和普通導水土工布在溫度一定的條件下，相對濕度由80%依次降低至40%時總排水量的增幅見表3?？芍簩τ谛滦蛯凉げ?，隨著相對濕度的降低，排水量增幅逐漸增大；相對濕度由50%降至40%時，新型導水土工布和普通導水土工布排水量增幅均有顯著提升，表明土工布在相對濕度較低時，對相對濕度的變化更敏感。

3 結論

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

2）新型導水土工布的總排水量、蒸發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，新型導水土工布的吸排水效果最顯著。