1. 引言
土工布是最具多功能性的土工合成材料之一，能够起到分离、过滤、排水、加固、稳定、侵蚀控制、阻隔和保护等功能。土工布的加固和稳定功能在道路的施工和养护中已经得到了广泛的研究。Bathurst等[1]基于层状弹性理论提出道路高模量的表面层不仅在垂直方向上产生压应力，还在表面层底部产生水平方向的拉应力。由于粒状材料无法承受拉应力，因此在重复的交通荷载下会发生劣化。Giroud等[2]提出基层中粒状材料的劣化导致应力分布角减小，最终导致最终导致路基的承载力失效。Giroud等[3]通过布设土工布加强了基层和路基界面的侧向约束，从而减缓了基层的劣化。此外，在循环荷载作用下，拉紧的膜效应可以在大变形下进一步减少路基上的垂直应力。
另一方面，土工布也被广泛应用于道路工程的排水设施中[4]。作为排水材料，土工布可以在平面内通过纤维之间的空隙将水排出。Richardson等[5]在季冻区路基中埋设土工布作为路基与基层的分隔系统，可在降雨后迅速排出基层中的水分。Sgupta等[6]对比了黄麻土工布与砂土在路基中的排水效果，并得到黄麻土工布在不利气候下对路基稳定性作用较好的结论。但土工布仅适合在高饱和度土壤中通过重力或水力梯度进行排水，Bouazza等[7]对非织造土工布的非饱和水力特性进行研究，表明0.8~1.2 kPa的吸力即可使土工布导水性急剧下降，用于排水过滤目的时可能会阻碍水分的流动。因此，传统土工布在非饱和条件下不能作为有效的排水措施。
随着材料研发制造技术的进步，一种新型的吸水土工布可在道路结构中输送重力水和毛细水，由高模量聚丙烯纱线和亲水吸湿纱线组成，其特殊的微米级孔隙构造显著提升了材料的吸排水能力。Zhang等[8]将两层吸水土工布应用于美国阿拉斯加州道尔顿高速公路，经过两年的持续观测，发现铺设了新型吸水土工布的路段没有出现翻浆现象而未铺设路段翻浆现象严重。Lin等[9]通过室内模型试验研究，发现吸水土工布具备排出毛细水和重力水的能力，可排出E-1集料(细粒土含量约14.5%)中的毛细水。Galinmoghadam等[10]使用吸水土工布解决道路泵吸问题，并得出吸水土工布在非饱和条件下的排水能力优于传统排水方法。Lin等[11]通过试验确定了吸水土工布的土水特征曲线，论证了吸水土工布在土壤中排水的优越性。Lin等[12]通过数值模拟揭示了吸水土工布可使基层含水率较最佳含水率降低2.2%，弹性模量提高2~3倍。
总体而言，吸水土工布是一种可以提供排水的土工合成材料，而吸水土工布对土体的强度提升效果可归因于多种机制。首先，由于吸水土工布的编织方式与机织土工布相同，它可以起到的分离、过滤和机械稳定作用。其次，含水率的降低会导致土体的强度和模量增加，吸水土工布通过降低含水率提高模量的过程可以被视为是一种水力稳定机制。
然而目前研究主要针对吸水土工布的排水效果，鲜有学者研究交通荷载作用下吸水土工布的湿度控制效果及对土体强度的提升效果。因此本文通过建立级配碎石底基层–吸水土工布–粉质黏土路基物理模型，基于大型加载试验系统对物理模型进行了不同应力幅值的动力循环加载，获得了最优湿度状态、饱和状态和排水稳定状态下不同层位处土体含水率、应力及变形的时空演化规律，量化评价了吸水土工布对路基湿度及强度的控制提升效果，揭示了循环荷载作用下吸水土工布对细粒土路基的综合加固机制。
2. 试验材料
2.1. 填料类型
选取济南–青岛高速公路K9+800路段典型路基层和底基层填料。采用筛分法和密度计法对该路基层填料进行颗粒分析试验，先用0.075 mm孔径方孔筛筛分风干试验土样，然后采用密度计法对筛余土样进行颗分试验。采用筛分法对底基层填料进行颗粒分析实验，先用干燥箱将试样烘干再通过机械振筛获得各粒径的通过率，最终获得粉质黏土和级配碎石粒径分布如图1所示。根据《公路土工试验规程》(JTG 3430-2020)，得到路层粉质黏土中粉粒(2~75 μm)含量占85.92%，黏粒(<2 μm)含量占11.08%，最大干密度为1.91 g/cm3，最优含水率为12.0%；根据《公路路面基层施工技术细则》(JTGT F20-2015)，得到底基层级配碎石不均匀系数Cu = 22，曲率系数Cc = 2.23，最大干密度为2.34 g/cm3，最优含水率为5.1%。
(a) 路基层粉质黏土 (b) 底基层级配碎石
Figure 1. Filler grading curve
图1. 填料级配曲线
2.2. 吸水土工布
试验所采用的吸水土工布类型为编织土工布，由纬向的聚酯类材料、经向的吸排水纱线复合聚酯类材料交叉编织而成，其中纬向纱线起加固稳定作用，经向纱线起吸排水作用，如图2(a)所示。根据姚穆等[13] [14]提出的纱线中纤维间孔洞的当量直径公式，可得到吸排水纱线纤维间孔隙当量半径r：
(1)
式中，deyf为纤维间孔隙当量直径；df为纤维直径；εyf为纤维间孔隙率。
对吸水土工布切片液氮冷冻处理并进行电镜扫描测试，得到吸排水纱线纤维直径及纤维间孔隙率，测试结果如图2(b)所示。基于Image Pro Plus软件，对吸排水纤维横截面微观结构图进行量化分析，获取截面面积、纤维面积、孔隙面积，得到吸排水纤维的平均半径为14.39 μm，孔隙率为0.24；根据式(1)进一步得到孔隙平均当量半径为4.44 μm，吸排水纱线的微米级孔隙结构可大幅提高吸水土工布的毛细吸水能力。
(a) 经纬向编织外观 (b) 孔隙微观结构
Figure 2. Wicking geotextile morphology diagram
图2. 吸水土工布形貌图
根据《土工合成材料测试规程》(SL 235-2012)测试获得吸水土工布的垂直、水平渗透系数分别为0.013 cm/s、2.2 cm/s，可见吸水土工布的水平渗透能力远超过垂直渗透能力，以水平向排水为主。基于压力板仪试验得到吸水土工布进气值为2.8 kPa。与粉质黏土土水特征曲线相比，吸水土工布的进气值更低、持水能力更差，当基质吸力大于2.8 kPa时，吸水土工布可通过纤维间微米级孔隙通道进行水分的持续导排，最终水分传导至土工布裸露端，在环境场高吸力条件下进行蒸发[15]。
3. 物理模型试验
为研究循环荷载作用下吸水土工布对细粒土路基湿度及强度的控制效果，设计了吸水土工布室内模型箱试验，如图3(a)所示。其中，模型箱长、宽、高分别为50 cm、50 cm和60 cm。模型箱内土层由20 cm厚的级配碎石层和底部40 cm厚的粉质黏土层组成，分别模拟底基层与路基结构。在级配碎石底基层–粉质黏土路基层界面处和粉质黏土路基层中部各布设一层吸水土工布，其伸出段长度为134 cm。为监测路基土体湿度、变形及应力的时空演变规律，在距离模型箱底部40 cm处(土工布上方)布设分层位移传感器，在距模型箱底部40 cm处(土工布下方)布设土压力传感器，在距模型箱底部5 cm，10 cm，20 cm和30 cm处分别布设土壤水分传感器与基质吸力传感器，室内物理模型试验过程如图3(b)所示。
(a) 模型结构图 (b)模型实物图
Figure 3. Physical model test device
图3. 物理模型试验装置
4. 试验方法
4.1. 试验仪器
本试验采用的电液式脉动加载系统由反力架、加载系统、位移系统、控制系统、液压油缸系统、冷却系统组成，具体及试验操作流程如图4所示，本文在加载系统底部装配刚性圆柱体加载杆以及直径30 cm的加载板，通过调节振动频率和加载波形模拟车辆荷载并施加至底基层–路基层物理模型箱内土体，加载试验系统具体参数如表1所示。
4.2. 试验方案
4.2.1. 一次加载
物理模型箱制备完成后，在最优含水率状态下进行了第一次循环加载。设置循环加载波形为正弦波来模拟车辆荷载，加载幅值分为10 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、150 kPa五组，加载频率为10 Hz，各组加载10,000个循环。
4.2.2. 降水饱和
以1 cm/h的降水强度对试验模型进行饱和，整个饱和过程持续3天，直至试验土样处于饱和状态且无自由水流出。
4.2.3. 二次加载
饱和完成后进行第二次加载。第二次加载处试验参数及试验流程均与第一次加载一致。
(a) 实体加载设备 (b) 试验流程图
Figure 4. Electro-hydraulic pulse loading test system
图4. 电液式脉动加载试验系统
Table 1. Plant parameter
表1. 设备参数
设备 |
最大竖向荷 |
频率 |
行程 |
振幅 |
波形 |
加载时长 |
电液式脉动加载试验系统 |
30t |
0~30 hz |
300 mm |
15 mm |
正弦波 |
连续加载30 d |
4.2.4. 排水稳定
第二次加载结束后，将模型表面用塑料布密封，防止水分由级配碎石底基层表面蒸发消耗。整个排水稳定阶段持续109天，在排水稳定阶段每隔24 h对路基各层位处含水率及基质吸力进行监测记录。
4.2.5. 第三次加载
在排水稳定阶段结束后，将模型表面塑料布移除。安装加载板和数据采集系统，进行第三次循环加载试验。
5. 结果分析
5.1. 路基层位湿度变化
加载试验完成后排水稳定阶段路基各层位土体含水率、基质吸力随时间的变化曲线如图5所示。总体而言，各层位基质吸力随时间呈现增长趋势，与质量含水率变化呈反比关系，这表明路基土体处于逐步排水干燥的过程。随深度增加，各深度处基质吸力分别由最初的11.1 kPa、10.9 kPa、11.5 kPa、11.6 kPa增加至22.6 kPa、29.7 kPa、19.8 kPa、23.6 kPa。其中20 cm处基质吸力最大，这表明双层吸水土工布联合作用下在附近土层中产生了更高的基质吸力，在基质势的驱动下土体水分通过吸水土工布-2向路基外部进行一步导排。马川义等[16]通过数值模拟验证了土工布附近的基质吸力会产生突变，相较于无土工布路基，布设土工布后土体基质吸力增加2~2.3倍，有效地改善了土体的基质势场。进一步地，各深度处土体含水率在排水期逐渐减少，5~30 cm范围内粉质黏土路基处含水率由初始的18.36%~21.26%降低至16.09%~19.87%，降幅为1.39%~3.81%。距模型箱底部35 cm处含水率降幅最大，这主要是由于该层土体
(a) 基质吸力 (b) 含水率
Figure 5. The curve of humidity inside subgrade changes with time
图5. 路基内部湿度随时间变化曲线
处于双层吸水土工布形成的高吸力场中，水分受到基质吸力的牵引进入吸水土工布进而导排至模型箱外部，导致含水率降低3.81%。
通过对济–青高速公路现场路床区湿度进行实测，发现粉质黏土高速公路路床区平衡含水率较最优含水率高约3.6%~4.0%，即15.6%~16%。说明新型吸水土工布可使得饱和土体在短时间内含水率降低至平衡含水率。
5.2. 路基顶面应力变化
图6为循环加载过程中路基顶面应力随循环次数变化曲线，取动力加载第1000~9000次循环应力平均值作为该加载荷载等级下路基顶面代表应力值。总体而言，粉质黏土路基顶面的动应力衰减占比随荷载的增加而减少。对比饱和状态与最优含水率状态路基顶面应力可知，相同荷载等级下饱和状态路基顶面应力要高于最优含水率状态，分别增加1.06 kPa、3.43 kPa、4.65 kPa和2.78 kPa，这表明饱和状态下级配碎石对应力的衰减作用减小，传递至路基顶面的应力增大；稳定状态下路基顶面应力较饱和状态大幅降低，分别降低0.86 kPa、1.93 kPa、3.85 kPa、5.78 kPa、8.35 kPa，降幅为18.1%~39.8%，稳定状态试样对应力的衰减作用显著高于饱和状态，接近最优含水率状态路基顶面应力水平。
5.3. 路基层变形分析
粉质黏土路基层在最优含水率状态、饱和状态、排水稳定状态时分级加载的竖向变形曲线如图7所示。总体而言，粉质黏土路基层永久变形和回弹变形均随应力水平的增加而增大。对于竖向永久变形，饱和状态竖向永久变形较最优含水率状态有所减小，在10 kPa、25 kPa、50 kPa时分别由最优含水率状态时的0.356 mm、0.988 mm和2.103 mm减小至0.022 mm、0.033 mm和0.359 mm，均低于0.5 mm。这是由于粉质黏土填料在最优含水状态下加载为填筑后第一次加载，随着高频动力加载的进行粉质黏土被压密，产生沉降量较大，而在饱和状态时，由于前期的加载使得路基压实度提高，虽然饱和时粉质黏土路基表面应力增大，产生沉降量仍减小；排水稳定状态与饱和状态相比，各荷载幅值下粉质黏土路基层永久变形均显著减小。在应力水平 ≤ 50 kPa时，永久变形 < 0.2 mm；在应力水平为150 kPa时，永久变形由饱和状态降低58.2%。可见，吸水土工布排水后稳定后大幅降低了粉质黏土路基层的含水率，并在此基础上改善提高了路基土体的支撑性能。
(a) 最优含水率状态 (b) 饱和状态
(c) 稳定状态
Figure 6. The curve of dynamic stress on the top surface of subgrade with the number of cycles
图6. 路基顶面动应力随循环次数变化曲线
(a) 最优含水率状态 (b) 饱和状态
(c) 排水稳定状态
Figure 7. The vertical deformation of silty clay road base changes with the number of cycles.
图7. 粉质黏土路基层竖向变形随循环次数变化
(a) 最优含水率状态 (b) 饱和状态
(c) 稳定状态
Figure 8. Dynamic resilient modulus of silty clay layer under different dynamic stress
图8. 不同动应力作用下粉质黏土层动态回弹模量
5.4. 路基层动态回弹模量
根据《公路土工试验规程》(JTG 3430-2020)，由式(2)作为回弹模量计算公式。
(2)
式中，E为回弹模量(kPa)；p为承载板上单位压力(kPa)；D为承载板直径(mm)；l为每级压力下的回弹变形(mm)；μ为细粒土的泊松比，取0.35。
粉质黏土路基层在不同应力作用下动态回弹模量随循环次数的变化曲线如图8所示。在最优含水率状态下，粉质黏土动态回弹模量随循环加载次数的增加而不断增大，这说明粉质黏土层受到动加载而不断密实；对于饱和含水率状态，当动应力幅值 ≤ 15.55 kPa时，动态回弹模量较稳定，当动应力幅值 ≥ 30.78 kPa时，动态回弹模量随循环次数的增加而衰减，这是因为随着应力的增大，回弹变形逐渐增加；对于稳定状态试样，回弹模量随循环次数增加保持稳定且较饱和状态有显著提升，分别为饱和状态5.48倍、3.54倍、2.69倍、1.36倍。可见，相较于饱和状态，排水稳定阶段吸水土工布在有效控制土体含水率的基础上改善了土体的模量，避免了饱和状态下路基土体支撑刚度出现较大衰退的危害，这对于保障路基路面的长期服役寿命具有十分积极的意义。
6. 结语
本文基于级配碎石底基层–吸水土工布–粉质黏土路基物理模型，在最优湿度状态、饱和状态和排水稳定状态下对该模型进行了不同应力幅值的动力循环加载，得到了不同阶段中各层位路基的湿度及强度演化规律，得到以下主要结论：
1) 排水109 d后稳定含水率分别由饱和状态的18.36%、19.67%、21.26%、19.90%降低至16.35%、17.93%、19.87%、16.09%，降幅为6.54%~19.45%，这表明吸水土工布可使得饱和路基土体在短时间内将水分降低至平衡含水率附近。
2) 吸水土工布能够为粉质黏土路基提供水力和机械双重加固效果，有效地提升了路基的支撑服役特性。排水稳定后各应力幅值下粉质黏土路基层永久变形均显著减小，均降低55%左右。
3) 吸水土工布的吸排水功能和机械稳定作用可显著提高循环荷载作用下路基结构的支撑性能。排水稳定后粉质黏土路基层动态回弹模量较饱和状态显著提升，各应力幅值下动态回弹模量分别为饱和状态的5.48倍、3.54倍、2.69倍、1.36倍。
NOTES
*通讯作者。