闫宏业 李泰灃 蔡德钩

中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所， 北京 100081

铁路路基遇水后在行车动荷载作用下易发生基床翻浆病害，降低路基服役性能，故控制路基湿度对提高路基的长期稳定性具有十分重要的意义。兼具加固、防渗等功能的吸排水土工布作为四大建筑材料之一，目前被广泛应用于铁路路基排水设施中。

在吸排水土工布研究方面，魏伟［1］通过铺设土工布作为砂土路基施工的临时排水设施，发现其不仅能有效排除积水，保护路基，而且具有施工便捷、速度快、造价低、可回收利用等特点。何璐等［2］研究了土工布作为隔离层时水泥混凝土路面的实际排水效果，发现土工布作为隔离层能有效排除基层上的水分，并且水量越大，排水效果越好。张佩浩等［3］以高吸力土工布为研究对象，通过ABAQUS 软件模拟路基内含水率的变化，并结合试验数据发现含水率随着路基深度的增加而增加，高吸力土工布在较大的非饱和程度范围内保持夺水能力。近期，诸多学者也对美国H2Ri新型芯吸土工布材料开展了研究。Guo 等［4］通过土柱试验探究埋置深度对芯吸土工布排水性能的影响，发现芯吸土工布对其上方18 ～ 25 cm 的粒料能进行有效排水。Lin 等［5］通过数值模拟对芯吸土工布排水系统的排水性能进行了量化分析，发现芯吸土工布可使基层含水率比最佳含水率降低2.2%，弹性模量提高2～3 倍。Guo 等［6］在不同土路基中设置了芯吸土工布、非芯吸土工布、无土工布三种工况来对比在循环荷载作用下路基的排水与变形效果，发现芯吸土工布排水效果及对变形的控制效果最佳。Bai 等［7］研究了不同芯吸纤维根数、不同间距等参数对芯吸土工布排水性能的影响，得出采用一根芯吸纤维且纤维纱间距为3 mm的土工布排水效果最佳。通过以上分析可知，新型芯吸土工布在路基中具有良好的吸排水能力，但既有研究聚焦于单一工况下分析土工布的吸排水性能，未考虑不同温度和湿度对新型导水土工布吸排水性能的影响。

综上，本文对不同温度和湿度条件下的新型导水土工布开展室内试验，研究15组温湿度工况下新型土工布总排水量、重力排水量以及蒸发排水量的变化规律，以期为新型导水土工布在铁路路基中的应用提供理论依据。

1 试验概况

新型导水土工布由纬向聚酯类材料和径向绿色吸排水纱线复合聚酯类材料交叉编织而成。纬向材料主要起加固稳定的作用，径向纱线具有亲水性，起吸水作用，见图1。对径向吸排水纱线进行电镜扫描。纱线纤维外表光滑、无坑槽，纤维直径在15 ～ 30 μm、平均直径为28.775 μm，纤维间孔隙当量半径为4.44 μm，接触角为62.04°。截面相对较规则，近似呈圆形分布。

图1 新型导水土工布外观与电镜扫描

根据SL 235—2012《土工合成材料测试规程》对新型导水土工布开展基本性能指标试验和水力性能试验。新型导水土工布的水平渗透系数与法向压力有关，当法向压力分别为3、4、5 kPa 时，水平渗透系数分别为85.37、2.22、1.28 cm/s。其他基本性能指标见表1。

表1 颗粒长细比统计结果

1.1 试验仪器

室内试验采用的仪器为高低温湿热交变试验箱。交变试验箱可控制温度为40～200 ℃，相对湿度为0～100%。其中，温度偏差不大于±2.0 ℃，温度波动度不大于±0.5 ℃，相对湿度波动度不大于±2%，相对湿度均匀度不大于2%～3%。

1.2 试验方法

考虑到土工布的排水方式主要为蒸发排水和重力排水，设计试验单元，见图2。左右两侧分别设置装水杯与接水杯，土工布两侧分别置于装水杯和接水杯内。装水杯中装满水，顶部采用密封盖进行密封。接水杯分为两部分，上部为蒸发段，下部为接水杯。在蒸发段内，土工布吸水后主要通过蒸发作用进行排水。接水杯主要承接土工布吸水后由重力作用产生的排水，接水杯顶部采用密封盖进行密封。总排（吸）水量等于重力排水量与蒸发排水量之和。

图2 试验单元

1.3 试验工况

为获得准确的试验结果，选用26 cm × 10 cm 的新型土工布和普通土工布。3组新型土工布、3组普通土工布、2 组无土工布的试样同时开展试验，其中新型土工布与普通土工布交叉放置，2 组无土工布为对照组，见图3。

图3 试样

根据铁路路基常见的温度和湿度情况，设置5、10、20 ℃共3 种温度，并设置40%、50%、60%、70%、80%共5 种相对湿度，组成15 组不同温湿度工况，研究温湿度对土工布吸排水性能的影响。每组工况试验时间为12 d，即288 h时，每天记录6组试验组和2组对照组装水杯和接水杯内的水量变化，并取各工况下的平均值作为水量变化值。

2 试验结果与分析

2.1 排水量随时间的变化规律

以温度20℃、相对湿度40%为基准，研究新型导水土工布与普通土工布含水量和排水量随时间的变化规律。总排水量与排水速率随时间的变化曲线见图4。可知：在新型土工布、普通土工布、无土工布3种工况中，总排水量均随时间持续增大。相同时间内，新型土工布的排水量高于普通土工布、无土工布时的排水量，说明新型土工布的排水效果最好。在试验的前72 h内，有土工布时排水速率逐渐降低，大于72 h后排水速率趋于相对稳定。无土工布时排水速率在48 h后趋于稳定。新型导水土工布总排水速率稳定在3.08 mL/h 左右，普通导水土工布稳定于2.39 mL/h 左右，无土工布时稳定于2.06 mL/h。新型导水土工布稳定后的排水速率比普通土工布高28.9%，比无土工布时高49.5%。

图4 总排水与总排水速率随时间的变化曲线

蒸发排水量与排水速率随时间变化曲线见图5。可知：3 种工况下蒸发排水量均随时间的增长持续增大。在168 h 以内，新型导水土工布和普通土工布的蒸发排水量大致保持一致；大于168 h 后，普通土工布的排水能力开始减弱，但新型土工布的排水量仍然增大。有土工布时蒸发排水量明显高于无土工布时。此外，无论是新型导水土工布还是普通土工布，随着时间的增加，蒸发速率都呈现出逐渐减弱的趋势。

图5 蒸发排水量与排水速率随时间的变化曲线

重力排水量与排水速率随时间变化曲线见图6。可知：对新型土工布而言，120 h 前重力排水量随时间的增长而增大，排水速率随时间增长而降低；120 h后，排水量和排水速率均趋于稳定。对普通土工布而言，72 h 前重力排水量随时间增长而增大，排水速率随时间增长而降低；72 h后，排水量和排水速率趋于稳定值，这说明重力排水主要集中在试验前期。通过对比重力排水总量可知，与普通土工布相比，新型导水土工布因其良好的结构特性在重力排水方面展现出显著优势。

图6 重力排水量与排水速率随时间的变化关系

不同类型土工布排水量见图7。可知：有土工布时总排水量高于无土工布时，新型导水土工布总排水量、蒸发排水量及重力排水量均高于普通导水土工布，其中总排水量增加255.9 mL，提高了31.0%，表明新型导水土工布排水效果更好。新型导水土工布多排出的水分主要得益于蒸发排水，在增加的排水量中蒸发排水增量贡献67.2%，重力排水增量贡献32.8%，体现了新型导水土工布在蒸发排水方面的优越性。在新型导水土工布和普通导水土工布的总排水量中，蒸发排水分别占85.6%、91.3%，在整个排水过程中蒸发排水是土工布的主要排水方式。

图7 不同类型土工布排水量

2.2 温度对土工布吸排水性能的影响

温度对土工布吸排水性能的影响见图8。可知：在保持相对湿度不变的情况下，新型导水土工布、普通土工布、无土工布时总排水量和蒸发排水量均随着温度的升高而升高，重力排水量随着温度的升高而降低。这主要是因为随着温度升高，土工布暴露段中的水分更容易通过蒸发排入外界环境中，水分难以在土工布中聚集滴落，产生重力排水。

图8 温度对土工布吸排水性能的影响

新型导水土工布和普通导水土工布在相对湿度一定的条件下，温度由5 ℃提升至10 ℃和由10 ℃提升至20 ℃时总排水量的增幅见表2。可知：温度 ＞ 60%时，对于新型导水土工布，温度由5 ℃提升至10 ℃的排水量增幅高于由10 ℃提升至20 ℃时，平均高出83.6%。对于普通导水土工布，温度由10 ℃提升至20 ℃排水量增幅显著高于由5 ℃提升至10 ℃时，这表明新型导水土工布在5 ℃时对温度提升更敏感，普通导水土工布在10 ℃时对温度提升更敏感。

表2 温度升高时土工布总排水量增幅

2.3 湿度对土工布吸排水性能的影响

湿度对土工布吸排水性能的影响见图9。可知：在保持温度不变的情况下，新型导水土工布、普通土工布和无土工布时平均总排水量增大、平均蒸发排水量均随着相对湿度的增大而降低，平均重力排水量随着相对湿度的增大而增加。这主要是因为土工布通过与外界环境湿度差进行蒸发排水，随着交变试验箱内相对湿度增加，土工布暴露段蒸发势减小，水分蒸发变困难，土工布中水分更容易聚集，当水的重力更容易克服土工布吸力时，进行重力排水将更加简单。

图9 湿度对土工布吸排水性能的影响

新型导水土工布和普通导水土工布在温度一定的条件下，相对湿度由80%依次降低至40%时总排水量的增幅见表3。可知：对于新型导水土工布，随着相对湿度的降低，排水量增幅逐渐增大；相对湿度由50%降至40%时，新型导水土工布和普通导水土工布排水量增幅均有显著提升，表明土工布在相对湿度较低时，对相对湿度的变化更敏感。

3 结论

1）新型导水土工布总排水量、蒸发排水量及重力排水量均高于普通导水土工布，说明新型导水土工布的排水效果优于普通土工布。与重力排水方式相比，蒸发排水是土工布主要的排水方式。

2）新型导水土工布的总排水量、蒸发排水量随温度的升高而增大，随湿度的增大而减小；重力排水量随温度升高而减小，随湿度增大而增大。温度为5 ℃、湿度为40%时，新型导水土工布的吸排水效果最显著。