劉志彬，劉鋒，張書建，雷松林，白梅，黃昊冉

（1.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 211189；2.吉林省高等級(jí)公路建設(shè)局，吉林 長(zhǎng)春 130062）

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(huì)引起路面橫向撓曲變形和裂縫，翻漿則會(huì)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(shí)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(shì)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(qiáng)度降低.Hermansson 等[5]調(diào)查了水位高度對(duì)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(shí)現(xiàn)[6-9]，但上述措施對(duì)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(guó)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(guó)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(yàn)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(yàn)段開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，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(chǎng)試驗(yàn)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(duì)濕度條件下測(cè)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(guó)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(jìn)行研究.以商用高嶺土為對(duì)象，對(duì)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(jìn)行排水和凍融試驗(yàn)，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(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究采用市場(chǎng)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(jìn)行測(cè)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(yùn)動(dòng)衣[17]，Coolmax 材料的規(guī)格參數(shù)見表1.

圖1 Coolmax 材料實(shí)物圖Fig.1 Picture of the Coolmax material

表1 Coolmax 材料的規(guī)格參數(shù)Tab.1 Specifications of the Coolmax material

試驗(yàn)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.

表2 高嶺土主要物理性質(zhì)Tab.2 Basic properties of the kaolinite soil

1.2 試驗(yàn)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(hù)24 h 后采用靜壓法制成φ5 cm×H10 cm 的圓柱樣，試驗(yàn)控制土樣初始干密度為1.76 g/cm3，土樣壓實(shí)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(shí)制作對(duì)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(yàn)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(cè)試材料接觸面排水效果；對(duì)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(yàn)組2a制樣時(shí)將寬0.7 cm、長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(yàn)所制試樣編號(hào)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.

表3 試樣編號(hào)Tab.3 Sample number of all the soil samples

圖2 方案2 材料布設(shè)方法Fig.2 Material layout method of scheme 2

圖3 試樣制備方法示意圖Fig.3 Diagram of sample preparation method

進(jìn)行排水試驗(yàn)時(shí)，室溫為（25±3）℃，濕度為65%±5%，定期測(cè)量土樣質(zhì)量變化并精確至0.1 g，最終測(cè)量至72 h.凍融試驗(yàn)參考美國(guó)ASTM D6035/D6035M規(guī)范[18]進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)：試驗(yàn)時(shí)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(cè)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(gè)斷面測(cè)量直徑，并取平均值計(jì)算試樣體積.最后根據(jù)式（1）計(jì)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(yàn)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(yàn)組1a 與對(duì)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(duì)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(gè)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(duì)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.

圖4 材料包裹土樣的含水率變化Fig.4 Moisture content of samples with wrapped quasi wicking fabrics

圖5 材料包裹土樣的含水率降幅Fig.5 Moisture content reduction of samples with wrapped quasi wicking fabrics

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(yàn)組2a 與對(duì)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(duì)照組試樣.隨著時(shí)間的增長(zhǎng)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6 鋪設(shè)2 層類毛細(xì)導(dǎo)水材料土樣的含水率變化Fig.6 Variation of moisture content of samples with two layers of quasi wicking fabrics

圖7 所示為鋪設(shè)2 層材料的土樣與對(duì)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(duì)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?yàn)檎舭l(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7 鋪設(shè)2 層材料試樣的含水率降低率Fig.7 Moisture content reduction of samples with two layers of quasi wicking fabrics

圖8 所示為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)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(shí)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(shí)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.

圖8 鋪設(shè)2 層材料試樣的分層含水率Fig.8 Moisture content of each layer in samples with two layers of quasi wicking fabrics

2.3 布設(shè)方案對(duì)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(duì)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(qiáng).

圖9 2 種材料布設(shè)方案含水率降幅比較Fig.9 Comparison of moisture content reduction between two layout methods

結(jié)合具體工程實(shí)際進(jìn)行考量，第一種材料布設(shè)方案在實(shí)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(yàn)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(shí)間增長(zhǎng)，體積變化逐漸減慢，直至穩(wěn)定.試樣剛開始融化時(shí)，試樣的體積迅速減小，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，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(gè)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(gè)試樣也都出現(xiàn)了明顯的融沉現(xiàn)象.但在整個(gè)凍脹融沉試驗(yàn)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(shí)能夠有效抑制土樣的凍脹融沉.

圖10 材料包裹試樣的體積變化率Fig.10 Volume change ratio of samples with wrapped quasi wicking fabrics

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(shí)間增長(zhǎng)，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(duì)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(yàn)方案能夠抑制土樣的凍脹融沉.

圖11 鋪設(shè)2 層材料試樣的體積變化率Fig.11 Volume change ratio of samples with two layers of quasi wicking fabrics

4 結(jié)論

本文以商用高嶺土為對(duì)象，通過對(duì)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(jìn)行排水和凍融試驗(yàn)，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(yàn)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(shí)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(qiáng)；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(yàn)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.