基質勢芯吸驅動下的粉質黏土路基水分遷移控制效果研究

中圖分類號：U416.1 文獻標志碼：A

Abstract：The long-term service performance of road structures isclosely related tothe subgrade humidificationstate.To studythemoisture-controllingefectoffine-grainedsoilsubgradeunderrainfallinfiltration， the typical siltyclaysubgradefils in themiddleandlowerreachesof theYellowRiverbasin in China wereselected in this paper.The hydrodynamic propertiesof silty clayand wicking geotextile were obtained basedon the testof the pressure plate instrument，and the physical model of wicking geotextile-reinforced silty clay was constructed to investigate themigrationof thewaterinthesiltyclayfillunderdiferentrainfallintensities.Thedevelopmentof soil moisture content and matric suction was obtained with or without the wicking geotextile.Results indicate that the wicking geotextile hasa higher lateral permeabilitycoefcient（2.2cm/s），lower water-holdingcapacity，and air entry value（2.8kPa），which can realize the lateral drainage of waterunder low matric suction.The migration of waterinside thesoilunderrainfallinfilration issubjectedtothecombinedeffctof gravitypotentialand matric potential，andtheexistence of the wicking geotextilecanincrease the matricsuctionofthesoillayerby5.1～34 kPa. The soil above the geotextileis driven by gravity potential and matric potential together，and the moisturemigrates fromup to down.However，forthesoil below the geotextile，the matric potential needs toovercome theeffctof gravitypotential，and drivethe moisture to migratefrom down toup.The moisturecontentof the wicking geotextilereinforced soil is reduced from 13.8% （light rain）～ .17.2% （heavy rain）in the control group to 12.6% （light rain） ～ （204 14.0% （heavy rain），which can be effectively controlledwithin ω_opt+2% ，which is of great practical value for guaranteeing the long-term service life of the roadbed pavement.

Key words：silty clay ;rainfallinfiltration;moisture control;wicking geotextile;matric suction

我國現行技術下的道路設計壽命和實際服役壽命均明顯低于國外發達國家，通常5～10年就開始出現道路結構性損壞， 60% 高速公路在使用10～12年需要進行大中修[1-2].路面結構的服役壽命與下部路基支撐條件密切相關，大量現場調研表明約有 75% 的路面破損與路基濕化后的承載力降低和局部沉降等有關3.在自然環境和地下水影響下，路基服役期間的濕度狀態會逐漸趨于與周圍環境相適應，稱之為路基平衡濕度[4-5].美國自1988年開展戰略公路研究計劃，構建了1140個長期路面性能（Long-TermPavementPerformance，LTPP）觀測路段，發現路基平衡濕度較初始的最優含水率增加 0～7% .我國也發現了類似的規律，大部分地區的路基服役期含水率比施工最優含水率增加 2%～10%^[6] 針對路基濕化問題，國內外學者開展了路基濕度控制方法的相關研究.靳青研究了碎石墊層對路基內部水分的隔斷效果，結果表明傳統碎石墊層可對毛細水上升起到抑制作用.李嘉薏等[8基于室內試驗對土工合成排水管-塑料盲溝開展了研究，結果表明傳統土工排水材料主要利用路基土中的水頭差進行重力排水.張棟等9針對毛細排水管的排水效果進行了室內模擬試驗，結果表明排水效果受排水管設計限制，且長期作用下排水通道易淤堵.上述研究表明傳統排水措施僅適合在高飽和土壤中依靠重力勢進行排水，然而服役期路基大多數處于非飽和狀態[10]，易使得傳統排水方式失效.此外，毛細隔斷層也會導致水分在毛細屏障附近大量積聚，進一步軟化附近土體.

為了將已入滲至路基內部的水分主動導排至路側，部分學者基于芯吸土工布開展了路基水分側向導排的研究.Lin等1通過數值模擬量化分析了芯吸土工布對粗粒土的濕度控制效果，芯吸土工布可使粗粒土含水率降低 2.2% ，彈性模量提高2～3倍.Guo等[2]基于土柱試驗，提出了芯吸土工布在基層粒料中的有效排水范圍為 180～250mm.Han 等[13]指出芯吸土工布對于水分遷移機制主要分為重力排水和吸力排水.Guo等[4]通過室內試驗研究了不同溫濕度工況下芯吸土工布的排水效果，并基于等效水面蒸發長度量化了芯吸土工布的排水速率.為了克服特殊土因含水率增加導致的性能急劇退化問題，Zhang等[15]和Lin等[16]根據Dalton高速公路試驗段濕度監測數據，發現芯吸土工布可有效阻正基層下部毛細水遷移，進而有效避免道路凍脹變形等病害.Biswas等通過現場試驗，得出了芯吸土工布可有效排出膨脹土路基中水分，提升道路服役性能.Bai等[18]在吉雙高速進行了芯吸土工布緩解季凍區路基凍害的現場試驗，結果表明試驗段路基土含水率一年內降低約 5% 且毛細導水通道纖維排水通道未見明顯堵塞.楊若辰等[19]通過改變滌綸纖維截面結構，進一步提升了滌綸纖維的水分移除效率，同時不易被鹽分堵塞.郭一鵬等20]研究了毛細水上升和降雨入滲作用下芯吸土工布的排水效果，發現在膨脹土中鋪設芯吸土工布可延緩水分遷移速率并抑制膨脹變形，可見，當前研究大多集中在粗粒土和特殊土路基中的土工布芯吸導排作用，對于芯吸土工布在細粒土路基中的排水效果研究相對較少．

考慮到細粒土路基性能對于含水率的增幅十分敏感，本文結合山東省黃河中下游流域粉質黏土路基填料，開展了不同降雨強度入滲下的細粒土路基芯吸土工布水分遷移控制效果對比研究，分析了土層內部含水率和基質吸力的時空演化規律，為粉質黏土路基濕度的長期芯吸控制提供數據和理論支撐.

1試驗材料

1.1路基填料

選取濟南-青島高速公路 K9+800 路段典型路基填料，按照《公路土工試驗規程》（JTG3430—2020）[21]，獲得試驗用土的粒徑分布如圖1所示.該類土小于 0.075mm 的細顆粒含量占 97% ；土體液限w_L 和塑限 w_P 分別為 31.2% 和 19.9% ，塑性指數 I_P= 11.3，屬于低液限粉質黏土；根據重型擊實試驗，得到土體的最大干密度 ρ_dmax=1.91g/cm³ ，最優含水率w_opt=12.0%

路基在填筑壓實過程中的含水率一般嚴格控制在 w_opt±2% .但是，運營期路基濕度受大氣降水和蒸發、地下水升降的影響，會逐漸達到平衡濕度狀態.姚占勇等[22]基于山東省粉質黏土路基的現場實測發現，運營25年的低液限黏土路基含水率達到16%～18.9% ，高于最優含水率 12% .路基土體的濕度狀態除了與所處的區域環境有關外，也與其自身的持水特性密切相關.本文基于室內壓力板試驗（如圖2所示），開展了路基填料含水率與基質吸力的關系研究，吸力路徑如圖3（a）所示.選取 Van Genu-chten（VG）模型[23進行土水特征曲線擬合，如式（1）所示：

圖1顆粒粒徑分布曲線Fig.1Particle distributioncurve

式中： w 為吸力 ψ 對應的質量含水率； w_s 為飽和質量含水率； a，n，m 為模型擬合參數，其中 a 為土體的進氣值.

圖2FSTY-1型壓力板儀Fig.2Pressure plate instrument

粉質黏土吸濕-脫濕土水特征曲線擬合結果如表1和圖3（b所示，擬合度 R² 均大于0.98.脫濕過程各吸力下土體含水率明顯低于吸濕過程，存在明顯的滯回圈，進氣值約為 52.1kPa

1.2芯吸土工布

試驗所采用的芯吸土工布類型為編織土工布，由緯向的聚酯類材料、經向的吸排水紗線復合聚酯類材料交叉編織而成，其中緯向紗線起加固穩定作用，經向紗線起吸排水作用，如圖4（a）所示.根據姚穆等[24-25]提出的紗線中纖維間孔洞的當量直徑公式，可得到吸排水紗線纖維間孔隙當量半徑 r

式中： d_eyf 為纖維間孔隙當量直徑; d_f 為纖維直徑; ε_yf

圖3粉質黏土持水特性

表1土水特征曲線擬合參數

Tab.1 Soil-watercharacteristiccurve fittingparameters

為避免孔隙結構發生變形，對芯吸土工布切片液氮冷凍處理并進行電鏡掃描測試，得到吸排水紗線纖維直徑及纖維間孔隙率，測試結果如圖4（b）所示.基于ImageProPlus軟件，對吸排水纖維橫截面微觀結構圖進行量化分析，獲取截面面積、纖維面積、孔隙面積，得到吸排水纖維的平均半徑為 14.39μm 孔隙率為0.24；根據式（2）進一步得到孔隙平均當量半徑為 4.44μm ，吸排水紗線的微米級孔隙結構可大幅提高芯吸土工布的毛細吸水能力[26].

圖4芯吸土工布形貌圖 Fig.4 Topography of wicking geotextile

根據《土工合成材料測試規程》（SL235—2012）測試獲得芯吸土工布的垂直、水平滲透系數分別為0.013cm/s.2.2cm/s ，可見芯吸土工布的水平滲透能力遠超過垂直滲透能力，以水平向排水為主.基于壓力板儀試驗，得到不同基質吸力水平下的芯吸土工布質量含水率，并采用VG模型進行擬合，芯吸土工布土水特征曲線如圖5所示.其中，進氣值 a= 2.8kPa，n=0.09，m=2.88. 與粉質黏土土水特征曲線相比，芯吸土工布的進氣值更低、持水能力更差，當基質吸力大于 2.8kPa 時，芯吸土工布可通過纖維間微米級孔隙通道進行水分的持續導排，最終水分傳導至土工布裸露端，在環境場高吸力條件下進行蒸發[27].

圖5芯吸土工布土水特征曲線

Fig.5 Soil-water characteristic curve of wicking geotextile

2物理模型試驗

為研究芯吸土工布對粉質黏土路基濕度的控制效果，設計了芯吸土工布室內模型箱試驗，如圖6（a）所示.其中，模型箱長、寬、高分別為 40cm.30cm 、30cm. 模型箱內的土層厚度為 20cm ，采用最優含水率進行分層壓實，壓實度為 96% ；為減小土體與側壁產生的摩擦作用，在試驗箱側壁涂抹適量凡士林；模型箱底部為不排水邊界.在距土層表面 5cm 左側壁處，預設芯吸土工布伸出縫，土工布伸出長度為134cm ；距土層表面 3、7、11、17cm 右側壁處，預設4層濕度和基質吸力傳感器導線孔.如圖6（b）所示，芯吸組和對照組模型箱除有無布設芯吸土工布外，其他設置均相同，排水縫均位于模型箱左側距模型箱底部 15cm 處，以此保證試驗過程中多余水分能夠從測試系統中流出.

圖6物理模型試驗裝置 Fig.6 Physical model test equipment

試驗過程中，采用花灑模擬了3種降雨強度下的土體水分遷移規律，分別為小雨（ 9.8mm/d ）、中雨C 20mm/dAA 和大雨（ 45mm/d） ，降水時間為 ^3h ，各降雨強度下 3h 所需降水量分別為 147mL，300mL 和675mL ，通過花灑在 ^3h 內將每種降雨強度所需降水量均勻地施加于模型箱表面，然后持續跟蹤監測土體的含水率、基質吸力至穩定狀態，每級降雨結束后的持續監測時長分別為 12～594h.606～1 465h 和1477～2370h 其中，基質吸力測試采用TEROS21型傳感器，量程為 -10⁵～5kPa ，精度為 2kPa ;土體含水率測試采用EC-5水分傳感器，量程為 0～100% ，精度為 0.1% .由于土體類型對傳感器的測試結果有很大影響[28]，本文在試驗前對壓實度為 96% 的粉質黏土填料進行了含水率標定，標定結果如圖7所示.為了更準確地表征粉質黏土的濕度狀態，本文通過土體最大干密度將EC-5傳感器監測的體積含水率轉化為質量含水率進行后續的討論分析.

3試驗結果

3.1降雨入滲下的路基濕度時空演化規律

不同降雨強度下土層各深度處含水率隨時間的變化規律如圖8所示.總體而言，降雨入滲首先導致淺層土體（距土層表面 3cm 的L1層和 7cm 處的L2層）含水率快速增大至峰值，然后衰減并穩定至高于初始含水率的濕度狀態；土層深度越大，降雨入滲穩定后的含水率值越高，這與重力勢驅動下的滲流作用有關.具體而言，對于未鋪設芯吸土工布的壓實素土工況，小雨入滲下淺層土體（L1、L2層）含水率增量快速達到 3% 左右，而后經歷 90～420h 穩定到 0.5%～0.7% ，如圖8（a）所示；距土層表面11cm 處的L3層土體含水率增量逐漸達到約 2% ，而后伴隨水分下滲穩定至 1.6% ；底層土體L4層含水率受排水邊界的約束，則始終緩慢增長了約 1.8% 當降雨強度提高至中雨、大雨時，各深度處土體含水率的變化規律與小雨工況近似一致，但滲流穩定后的含水率增量進一步增大，分別達到 1.1%1.3.4% 、2.3%.5.2% .這表明在3種降雨工況下，細粒土始終具有進一步持水的能力.鋪設芯吸土工布的土體含水率變化如圖8（b）所示，可以發現降雨入滲下各深度處土體的含水率最大增量均低于對照組，且芯吸土工布下方L2層的土體含水率增量明顯低于L1層，表明在降雨入滲過程中，芯吸土工布已開始發揮其豎向截水、水平向導排水作用；更值得注意的是，降雨結束后的各深度處土體始終處于持續排水狀態，小雨、中雨和大雨工況下排水穩定后的含水率增量分別為 0.1%～0.6%，0.4%～1.2%，1.3%～2.3 ，遠低于對照組的土體含水率增量.尤其是L4底層土體含水率并未出現重力勢作用下的持續增長趨勢，反而是逆重力作用向上遷移至芯吸土工布并沿側向排出，表明芯吸土工布可將土層一定范圍內的水分主動抽吸至路基外部，這對于易持水、難排水的細粒土路基長期濕度控制至關重要.

圖8降雨入滲下土層含水率增量時空演化 Fig.8Spatial and temporal evolution of soil water content incrementunderrainfallinfiltration

為進一步揭示芯吸土工布對土體內部水分遷移的影響，繪制不同降雨強度下的各土層含水率增量變化時程曲線，如圖9所示.對于L1淺層土體（位于芯吸土工布上方 2cm 處），小雨入滲后的對照組和芯吸組土體含水率最大增量分別為 2.3% 和 2.5% ，如圖9（a）所示；隨后，隨著水分不斷下滲含水率逐漸降低并趨于穩定，芯吸土工布布設前后的含水率增量分別為0.5% 和 0.3% ，兩種工況相差不大.但是，當降雨強度增加至中雨時，芯吸組的土體含水率衰減速率明顯快于對照組，在 150h 內含水率增量衰減穩定至 0.7% ，而對照組則需要 580h 才能穩定至 1.2% 當降雨強度進一步提升為大雨時，對照組在 315h 后含水率在重力下滲作用下衰減穩定至 2.3% 后不再變化，表明重力勢驅動下的水分下滲基本結束；而芯吸組的土體含水率仍在持續降低，并穩定至更低的含水率增量1.3% .這主要是由于芯吸土工布的存在增大了土體內部的基質吸力水平，由對照組的 33kPa 提高到49kPa ，如圖9（e）所示，表明芯吸土工布上方土體的排水機理來自重力勢和基質勢的共同作用.

對于L2層土體（位于芯吸土工布下方 2cm 處，小雨工況下芯吸組土體含水率增量達到峰值的時間較對照組滯后 2.5h ，且含水率最大增量由對照組的3.0% 降低至 1.5% ，如圖9（b）所示.產生這個現象的原因是高吸力下芯吸土工布與粉質黏土界面處存在毛細屏障，水分很難產生豎向入滲[29]；隨著土工布上方土體水分不斷積累，界面處吸力逐漸減小，此時芯吸土工布的豎向滲透系數也逐漸增大，累積在界面處的水分逐漸擊穿芯吸土工布的阻隔而入滲到下方土層中.此后，芯吸組土層中的基質吸力逐漸增加，并超過對照組 10.2～13.3kPa ，如圖9（f所示.小雨、中雨和大雨工況下，芯吸組排水穩定后的含水率增量較對照組分別降低了 0.7%.1.4% 和 1.7% ，表明芯吸土工布下方土體的排水機理來自高吸力下的毛細屏障阻隔和基質勢的共同作用.

圖9不同降雨強度下各土層含水率與基質吸力演化規律

Fig.9Evolutionof water contentand matric suction in various soillayers underdifferent rainfall intensities

對于L3～L4層土體，芯吸組的含水率增量峰值和排水穩定值均低于對照組，如圖9（cd所示.對照組中水分下滲沒有受到任何阻隔，水分持續下滲并最終在土體底部進行積聚，含水率增量最終穩定為 5.2% ;而芯吸組中由于有芯吸土工布的存在，在土層中產生了更高的基質吸力 24.3～64.1kPa ，如圖9（g）（h）所示，在基質勢負壓驅動下土體水分可以逆重力勢方向進行遷移進入芯吸土工布并進一步水平導排，含水率增量逐漸下降并趨于穩定至 2% .可見，芯吸土工布在細粒土中所產生的基質勢可克服重力勢作用，驅動水分由下向上進行遷移和排出.

3.2芯吸土工布濕度控制效果

降雨入滲和水分遷移穩定后土體含水率沿深度的分布如圖10所示.各降雨強度下，對照組的土體含水率較初始狀態（ 12% ）發生了較大程度的增加，表現出降雨強度越高、深度越大，土體含水率的增幅越顯著的典型特征[30-31].布設芯吸土工布后，土層全深度范圍內的含水率均顯著降低，并有效控制在w_opt+2% 以內.而且，與對照組顯著不同的是，芯吸土工布下方的土體含水率并未因重力下滲作用而出現明顯增長，反而由對照組的 13.8% （小雨） ～17.2% （大雨）降低至 12.6% （小雨） ～14.0% （大雨），如圖10（a）～（c）所示，表明芯吸土工布產生的基質勢可有效克服其下方 12cm 范圍內的水分重力勢，改變了土體內部水分的遷移方向，從而實現路基內部水分主動向外導排的目標.

圖10不同降雨作用下土體含水率沿深度分布規律 Fig.1ODistribution of subgrade humidity along depth underdifferentrainfall

可見，從壓實素土對照組和芯吸組的含水率演化結果著，路基內部含水率的增長和消散是重力勢和基質勢共同作用的結果.為了表征兩種作用下土體含水率的變化情況，定義各層土體含水率消散值為降雨結束時含水率峰值與排水穩定后含水率的差值，如圖 11（a）～（c） 所示.總體而言，對照組和芯吸組的土體含水率消散值均隨著土層深度增加逐漸降低，但兩者的排水機理和效果并不相同.對于傳統壓實土層而言（未鋪設芯吸土工布），土層中含水率的消散主要受重力勢的作用，小雨工況下土體含水率消散值自上而下依次為 1.72%.1.16%.0.44% 和 -1.08% ，土層最下方含水率消散值甚至呈現出負值，這是由于底層土體排水邊界受限，出現了水分的持續積聚；對于芯吸組，同等降雨工況下的土體含水率消散值依次為 2.31%，1.47%，0.95% 和0.78% ，這是重力勢和基質勢共同作用的結果.隨著降雨強度的增加，芯吸土工布的排水能力進一步提升，中雨和大雨下的含水率消散值達到 1.1%-3.2% 和 1.3%～3.6% 需要注意的是，對于芯吸土工布上方土體含水率的消散，重力勢和基質勢均驅動水分由上向下遷移，兩者聯合發揮了積極的排水作用；但對于芯吸土工布下方的土體，基質勢需要克服重力勢作用，從而驅動水分從下向上遷移，因而土體含水率消散值要低于土工布上方土體.實際工程中，可充分發揮重力勢和基質勢的聯合排水作用，合理布設芯吸土工布的位置.

圖11不同降雨強度下含水率消散值沿深度分布規律Fig.11 Dissipationvalues ofwatercontentunderdifferentrainfallintensities

4結論

本文基于芯吸土工布加筋土層物理模型試驗，開展了不同降雨強度入滲作用下芯吸土工布水分遷移控制效果研究，主要結論如下：

1）具有微米級孔隙結構的芯吸土工布橫向滲透能力大、持水能力弱.其垂直、水平方向的滲透系數分別為 0.013cm/s.2.2cm/s ，橫向排水速率遠高于垂向；芯吸土工布的進氣值僅為 2.8kPa ，遠低于細粒土，在較低的基質吸力作用下可實現水分的橫向導排.

2）降雨入滲下的土體內部水分遷移受重力勢和基質勢的共同作用.未鋪設芯吸土工布的壓實素土含水率在重力勢驅動下沿深度逐漸增大，而且由于細粒土具有較高的持水能力，很難通過重力下滲將含水率降低至初始狀態；芯吸土工布的存在可使土層的基質吸力提高 5.1～34kPa ，土工布上方土體受重力勢和基質勢共同驅動，水分由上向下遷移；但土工布下方的土體，基質勢需要克服重力勢作用，驅動水分從下向上遷移.

3）芯吸土工布可有效緩解降雨入滲作用并對細粒土中的水分進行有效導排.相比于對照組濕度增長結果，芯吸土工布作用土體的含水率由對照組的13.8% （小雨） ～17.2% （大雨）降低至 12.6% （小雨）～14.0% （大雨），有效控制在 w_opt+2% 以內.

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