楊若辰，張吾渝，孫曉輝，郭 峻，唐雄宇

(1.青海大學 土木工程學院，青海 西寧 810016；2. 青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點實驗室，青海 西寧 810016；3. 深圳大學 土木與交通工程學院，廣東 深圳 518000)

0 引言

公路因其具有建設環(huán)境多樣、施工條件復雜的特點，其路基常常會出現(xiàn)濕化、軟化及沉陷等問題，從而嚴重影響工程質量。路基出現(xiàn)濕化、軟化及沉陷的重要原因之一是地面雨水的入滲及地下毛細水的上升[1]。相關研究表明，過量的水在路基中長時間存留會顯著降低路基土的彈性模量及服役性能，從而減少路基的使用壽命[2-4]。鹽漬土作為一種特殊土，因其含鹽的特性，在相同條件下會導致更為嚴重的病害[5-7]。因此，能夠及時遷移并排出路基中多余的水分對于工程質量的保障至關重要。

目前對于路基土的水分侵入所采用的方法以被動防御型為主，主要方法包括水分隔斷法及換填法[8]。水分隔斷法主要是設置隔斷層。設置隔斷層雖可在一定程度上實現(xiàn)對水分的控制，但水分在隔斷層界面的聚集可能引起更為嚴重的病害。換土法雖可以暫時減弱土體中水鹽的遷移，但不能長時間防止外來水分的侵入以及隨水分帶入的鹽分。并且，換填法較高的成本限制其在工程中大量應用。此外，傳統(tǒng)的排水板在路基土排水中也得到了應用，但傳統(tǒng)排水板主要依靠重力排水，并且僅能在土體接近飽和時進行排水。隨著土體含水率的降低，土體逐漸轉變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)，排水板的排水效率大大降低。然而在實際工程中，大部分土體都為非飽和狀態(tài)，這會嚴重限制傳統(tǒng)排水材料的使用范圍以及作用效果。

針對以上問題，國際上研制了一種新型土工合成材料，被命名為“芯吸土工布”(圖1(a))。采用芯吸土工布對路基進行加筋，該土工布一段置于路基外部，通過內外蒸氣壓差使路基中水分在非飽和狀態(tài)下排出，為路基的排水提供了一種新的思路。其特有的凹槽狀截面結構以及親濕基團可在土體中產生毛細力，從而對土體中的水分產生“芯吸作用”，在非飽和土體中可產生持續(xù)地主動排水作用。國際上學者對芯吸土工布開展了研究。Han等、Lin等[9-10]對吸水土工合成材料的吸水特性進行了研究。Han指出吸水土工材料對于水分的遷移機制分為重力排水及吸力排水兩部分。Lin指出空氣與土體之間因濕度差而引起的吸力差是吸水土工材料排水的主要機理。Guo[11]等通過室內試驗在溫濕度控制的情況下研究了芯吸土工布對于水分的去除效率，并根據(jù)蒸汽壓、溫度和相對濕度對芯吸土工布的水分去除率進行了量化。針對芯吸土工布作用土體時的情況，Wang[12]等通過室內模型試驗驗證了芯吸土工布作用集料時的有效性。Guo[13]等通過室內土柱試驗研究了芯吸土工布在壓實集料中的水分遷移機理，得出了芯吸土工布相較于傳統(tǒng)土工布具有更為明顯的排水效果，同時分析了芯吸土工布的有效作用距離。

以上研究表明芯吸土工布作用砂性集料時的有效性，但其作用于黏性土的效果有待進一步研究。同時吸水土工材料在解決實際工程問題方面具有重大應用潛力，因此開展吸水材料作用鹽漬土水分遷移的研究具有較大的研究價值及應用意義。我國范圍內對于芯吸土工織物的研究較為罕見，并且我國鹽漬土分布十分廣泛，鹽漬土路基病害的處理與防治是目前研究的熱點，目前尚缺乏芯吸纖維作用下的鹽漬土水分遷移的研究。鹽漬土因其含鹽的特性，鹽分在隨水遷移的過程中可能在國際上現(xiàn)有的成品纖維上附著，對纖維進行堵塞，從而影響芯吸纖維的作用效果。針對目前芯吸纖維存在的問題，以滌綸纖維為基礎，通過改變其斷面結構研制了針對鹽漬土的新型芯吸纖維，使其比國際上現(xiàn)有的芯吸纖維擁有更小的截面尺寸以及更大的比表面積，從而使其在具有更強的排水能力的同時不易被鹽分附著造成堵塞。

本研究通過室內土柱試驗，在溫濕度控制的條件下對比分析了國際上成品芯吸纖維以及自行改造研制的滌綸纖維作用鹽漬土時水分遷移及水鹽排出情況，并結合纖維材料對土體的作用機理及其微觀結構對試驗結果進行了分析討論，以期為芯吸土工織物在國內鹽漬土地區(qū)的推廣與應用提供一定理論指導。

1 試驗概況

1.1 試驗用土

試驗所用鹽漬土取自青海省海東市某地，通過試驗得到其基本物性指標如表1所示。

表1 鹽漬土的基本物理性質Tab.1 Basic physical properties of saline soil

1.2 試驗纖維

試驗所用芯吸纖維采用2種纖維，第1種纖維取自國際上某成品芯吸土工布。其纖維斷面分布有軸向溝槽，在土體中可形成毛細通道從而實現(xiàn)在土體中的排水。試驗時將纖維從編織成型的土工布中抽出進行使用。第2種纖維為自行研制經改造后的滌綸纖維，通過改變滌綸原有的截面結構，使纖維表面存在軸向溝槽，以便水分在毛細力的作用下進行排水。2種纖維如圖1所示。

圖1 芯吸纖維Fig.1 Wicking fiber

1.3 試驗傳感器

能夠實現(xiàn)對土體含水率準確連續(xù)監(jiān)測對于試驗的成功至關重要。試驗中為實現(xiàn)對土體含水率的連續(xù)監(jiān)測，采用EC-5水分傳感器(圖2所示)。EC-5傳感器是一種電容式變換器，內部由方波信號發(fā)生電路、RC充放電電路以及時間電壓轉換電路組成，通過傳感器上電容的變化來測量土體的介電常數(shù)，最終通過輸出電壓來表征土體的含水率。

圖2 EC-5水分傳感器Fig.2 EC-5 Moisture sensor

相關研究表明[14-16]，EC-5傳感器受土體壓實度、溫度等因素的影響，并且根據(jù)土體的類型會呈現(xiàn)出不同的響應。因此，在使用EC-5傳感器時需要根據(jù)土體的類型及試驗條件開展標定試驗。部分學者[17-18]通過體積含水率來表征土體的含水量，體積含水率往往是以土體的質量含水率為參照，采用土體三相換算公式計算得到，其數(shù)值由土體質量含水率所決定，并且在換算過程中其所用到的換算指數(shù)——土體干密度受人為影響較大。本試驗為盡量保證傳感器數(shù)據(jù)采集的準確性，在傳感器標定時控制土體的壓實度及環(huán)境溫度與試驗時相同，通過將傳感器埋設在不同含水率梯度土樣中所采集到的電壓值對所有傳感器分別擬合出質量含水率-輸出電壓值曲線。擬合結果表明，質量含水率與輸出電壓之間有良好的指數(shù)關系，通過式(1)對所有傳感器進行擬合，確定待定系數(shù)，得出所有傳感器的擬合公式。1號傳感器擬合曲線如圖3所示。

(1)

式中,y為土體質量含水率；x為傳感器輸出電壓值；a,b,c為擬合參數(shù)。

圖3 1#傳感器擬合曲線Fig.3 Fitting curve of sensor 1

1.4 試驗設計

為研究芯吸纖維對不同位置土體水分降低的效果，本次試驗通過定制的有機玻璃桶開展土柱試驗。玻璃桶尺寸為150 mm×360 mm，在中間兩側處開有長度為90 mm，高度為10 mm的縫隙用于布置芯吸纖維。試驗時控制2種纖維質量相同(成品纖維64束，滌綸纖維378束)，分別將成品纖維以及滌綸纖維均勻布設在尺寸為90 mm×800 mm的金屬框架上，以保證纖維與土體擁有充分的接觸面積。

試驗用土過10 mm篩，過篩后對土體進行充分攪拌，置于烘箱中烘干土中水分，使用蒸餾水配置土體到指定含水率，悶料24 h以上。制樣前，對含水率配置完成后的土體進行充分攪拌，盡可能使土體中的水分及鹽分分布均勻。土體分6層被壓實，在壓實土樣過程中將傳感器及纖維埋設土體試樣之中。每個試樣在不同高度位置處布設6個傳感器，傳感器豎直方向上的布置間距為60 mm。為防止傳感器之間的相互影響，傳感器在水平方向上采用螺旋布設的形式。芯吸纖維被置于試樣中部，兩端暴露于空氣之中。纖維在布設于土樣之前處于干燥狀態(tài)。制樣完成后對試樣采用橡皮膜及膠帶密封，僅為纖維留出排水空間，以防止水分蒸發(fā)對試驗結果造成的影響。

試樣制備完成后被放置于溫濕度控制的試驗箱中，試驗箱可實現(xiàn)對溫度的控制，通過安裝在試驗箱內部的除濕機控制試驗進行時的濕度，當濕度達到設定值時除濕機自動關閉，當濕度高于設定值2%時除濕機自動開啟。采用安捷倫采集儀采集數(shù)據(jù)，采集頻率為30 min。試驗共包括3個土柱試樣，第1個為無纖維對照組(試樣整體密封)，第2個為成品芯吸纖維試樣，第3個為滌綸芯吸纖維試樣。試驗方案如表2所示，試驗系統(tǒng)圖如圖4所示。

表2 試驗方案Tab.2 Test scheme

圖4 試驗系統(tǒng)Fig.4 Test system

2 試驗結果與分析

2.1 土樣含水率變化

圖5為3個試樣不同位置處含水率隨時間的變化關系，每個傳感器分別通過各自的擬合曲線換算為質量含水率。為消除試驗開始前不同試樣含水率差異對試驗結果帶來的影響，各位置處含水率隨時間的變化曲線為任意時刻土體質量含水率減去各自位置處的初始含水率。由圖5可知，2種纖維均有較為明顯的減水效果。除210 mm位置處，其余位置滌綸纖維相較于成品纖維均有更高的排水效率。在210 mm 位置處，成品纖維比滌綸纖維擁有更好的減水效果可能是由于土體壓實度以及傳感器的測量誤差所導致。并且各位置處水分降低大體呈現(xiàn)先快后慢的趨勢，這是因為在試驗初期，試樣含水率較高時，土體飽和度較大，大顆粒之間的水分受到土顆粒較小的基質吸力，首先被纖維所作用。隨著土體含水率的降低，土體飽和度降低，基質吸力增加，芯吸纖維所產生的吸力與土體基質吸力的差值逐漸減小，因此水分遷移速率逐漸降低。

圖5 不同位置處含水率隨時間變化曲線Fig.5 Curves of moisture content varying with time at different positions

在試驗前200 h，對照組試樣含水率在試驗初始含水率值上下波動，由于對照試樣處于完全密封狀態(tài)，無外界水分的增加與流失，產生波動的原因可能是在試驗進行初期含水率分布不均，試樣中的水分在勢能的作用下進行重分布，導致土體不同位置處含水率產生波動。隨著試驗時間的推移，水分重分布基本完成，因此對照組試樣各位置處含水率基本趨于穩(wěn)定。

同時，可以看出，不同位置處纖維起到排水作用時所對應的時間也有所區(qū)別。在距離纖維位置最近的210 mm及150 mm處，纖維在試驗開始初期便起到了顯著的減水作用。距離纖維位置較遠的330 mm 以及30 mm位置處，在試驗初期，纖維作用效果并不明顯，隨著時間的推移，纖維的排水作用逐漸影響到較遠位置處。這是因為靠近纖維的土體最先起到作用，隨著纖維的持續(xù)作用，靠近纖維的土體含水率降低，未被作用的土體仍保持較高的含水率，產生的梯度差成為水分遷移的動力，未被作用的土體中的水分向水勢能低的位置進行遷移，纖維持續(xù)將附近土體中的水分帶出并蒸發(fā)到空氣中，因此產生的水勢能會不斷使較遠處土體中的水分遷移，從而起到持續(xù)減水的效果。并且，對比圖5(a)～(c)以及5(d)～5(f)可知，纖維上部水分相較于纖維下部土體水分減少量更為顯著，同時纖維起到作用時所對應的時間也更短，這是因為纖維上部分土體中的水分在重力場的作用下?lián)碛懈斓南蛳逻w移速率，而纖維下部分土體中的水分進行遷移時則需克服土顆粒吸力與自身重力的雙重作用，因此遷移速率較為緩慢。

圖6為試樣含水率變化的平均值，由圖6可知，在試驗周期內，成品纖維與滌綸纖維均能有效地降低土體含水率，成品纖維在試驗周期內使土體的質量含水率降低了約1.93%，滌綸纖維降低了約2.40%，滌綸纖維相較于成品纖維擁有更好的排水效果。

圖6 含水率隨時間變化平均值Fig.6 Average moisture contents varying with time

2.2 芯吸纖維有效作用范圍

為進一步分析不同位置處試樣的水分遷移規(guī)律以及芯吸纖維的有效作用范圍，采用如下公式計算不同位置處的含水率變化量：

Δw=wwg-wc,

(2)

式中,Δw為不同位置處含水率變化量；wwg為不同位置處芯吸纖維試樣含水率變化值；wc為不同對應位置處對照試樣含水率變化值。

繪制不同時間下芯吸纖維試樣的Δw曲線圖如圖7所示，當Δw為負值時表明該位置土體處含水率相較于對照試樣降低。

圖7 不同深度含水率變化Fig.7 Moisture content changes at different depths

由圖7可知，在試驗開始初期，2個芯吸纖維試樣中距離纖維最近的中間位置處Δw呈現(xiàn)負值，試樣兩端Δw在零點附近，表明試樣中間位置處含水率降低顯著，試樣兩端尚未受到芯吸纖維的作用。隨著試驗的進行，兩端的Δw逐漸轉變?yōu)樨撝?，表明纖維的有效作用距離隨著時間的推移逐步增加。并且纖維下部的土體中Δw呈現(xiàn)負值說明纖維產生的吸力在一定范圍內可以克服土體中土顆粒對水分的吸力和水分自身重力雙重作用的影響，這表明在實際工程中芯吸纖維除控制地表水下滲外，對于控制地下水的上升也具有重要意義。同時試驗表明，在本試驗數(shù)量的芯吸纖維及土體含水率的條件下，纖維的上下有效作用距離可達150 mm以上，并且纖維的作用程度與到纖維的垂直距離呈負相關，且滌綸纖維總體相較于成品纖維擁有更高的排水效率。

2.3 土樣含鹽量變化

在芯吸纖維的作用下，部分易溶鹽隨水分被帶出，為定量分析隨水分被帶出的鹽分，根據(jù)《土工試驗規(guī)程》(GB/T50123—2019)中易溶鹽總量測定的相關規(guī)定[19]，在試驗結束時對試樣不同位置處土體的易溶鹽的總含鹽量進行了測定，繪制了不同位置的含鹽量曲線圖如圖8所示，對照組試樣在不同位置處的含鹽量略有差異，但范圍在0.15%之內，這主要是由于試樣中的鹽分無法完全均勻分布，同時鹽分隨水分進行了一定程度的遷移。同時，成品纖維與滌綸纖維對于試樣含鹽量的降低均有顯著的作用，成品纖維與滌綸纖維相較于對照組含鹽量分別降低了0.31%和0.46%，滌綸纖維相較于成品纖維擁有更明顯的降鹽效果，這為鹽漬土病害的預防提供了一種新的思路。

圖8 易溶鹽含量Fig.8 Soluble salt contents

為對比分析試樣水分與鹽分的遷移規(guī)律，繪制試驗結束時芯吸纖維試樣的含水率及易溶鹽變化圖(圖9所示)。其中，含水率變化值為芯吸纖維試樣與對照試樣各位置處含水率的差值，易溶鹽變化值為芯吸纖維試樣與對照試樣易溶鹽含量平均值4.21%的差值。從圖9可知，水分與鹽分的變化有較為良好的對應關系，這是因為土體中的易溶鹽溶解在水分當中，水分作為易溶鹽遷移的載體，在水分被排出的過程中出現(xiàn)了“鹽隨水動”的情況。

圖9 含水率、易溶鹽變化Fig.9 Changes of moisture content and soluble salt

2.4 纖維鹽分附著量

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)成品纖維表面有明顯的鹽分附著(圖10)，而滌綸纖維鹽分附著量并不明顯。為定量分析2種纖維的鹽分附著量，在試驗結束時，將固定在金屬框架上暴露在空氣中的纖維剪下，放入烘箱中烘干，待纖維表面的水分完全烘干后使用分析天平(精確至0.000 1 g)稱取兩種附著有鹽分纖維的質量并記錄，將稱量完成后的纖維用純凈水洗去纖維表面的鹽分，當浸有纖維的洗鹽液的電導率與純凈水電導率相近時認為纖維表面的鹽分被洗凈。將洗凈后的纖維再次放入烘箱中烘干，烘干后再使用分析天平稱取2種纖維的質量。定義鹽分附著系數(shù)C如下：

(3)

式中,ms為附著有鹽分的纖維的質量；mf為經水洗烘干后纖維的質量。

計算表明，成品纖維的鹽分附著系數(shù)Cc為1.326，滌綸纖維的鹽分附著系數(shù)Cp為0.337。結果表明成品纖維的鹽分附著量遠高于滌綸纖維，成品纖維的鹽分附著也是阻礙成品纖維在鹽漬土中發(fā)揮效果的原因之一。

圖10 纖維表面鹽分附著Fig.10 Salt adhesion on fiber surface

3 思考與討論

3.1 芯吸纖維排水機理分析

芯吸纖維的加入實質上是打破了土體中原有的水勢能平衡，芯吸纖維通過其毛細通道改變了土體中的基質勢，為水分排出提供了介質，土體內外濕度差為水分的排出提供了動力。

芯吸纖維對土體的作用機理可以分為3個階段:第1階段為在毛細力的作用下土體中的水分被纖維所吸收;第2階段為在土體內外蒸汽壓力的作用下，水分向蒸汽壓低的空氣部分進行遷移;第3階段為被帶出的水分蒸發(fā)到空氣當中。3個階段的循環(huán)作用使土體中的水分不斷向外界遷移，這一過程一直持續(xù)到土顆粒對水分的吸力等于纖維對水分的吸力時結束。由此可知，外界與土壤的濕度差是芯吸纖維排水的主要動力之一。相關研究表明[6]，在飽和度較高時，土體對水分的吸力往往低于1 000 kPa，而濕度較高的土壤(接近100%)與濕度較低的空氣(通常低于50%)之間的濕度差可達到1 000 kPa至100 000 kPa。在無降雨的實際環(huán)境中，空氣濕度基本處于50%以下，土壤中的濕度基本保持在90%以上，芯吸纖維以此產生的吸力差可以將水分從土體中排出，因此芯吸纖維在實際工程中具有較為廣泛的應用范圍。纖維作用土體示意圖如圖11所示。

圖11 纖維作用土體示意圖Fig.11 Schematic diagram of fibrous soil

3.2 不同纖維作用差異分析

根據(jù)上述試驗結果可知，滌綸纖維相較于成品纖維擁有更高的排水效率，水分遷移的差異與2種纖維的尺寸結構密切相關。為進一步分析2種纖維排水效率差異，對試驗前以及試驗結束后附著有鹽分的代表纖維試樣進行了電鏡掃描(圖12)，可從2個方面進行解釋。

圖12 芯吸纖維電鏡掃描圖Fig.12 SEM photos of wicking fiber

通過掃描電鏡結果可知，成品纖維橫斷面尺寸約為滌綸纖維橫斷面尺寸3倍左右，同時成品纖維相較于滌綸纖維擁有更大的溝槽直徑。根據(jù)毛細作用的原理，滌綸纖維相較于成品纖維擁有更大的毛細力。換言之，在外界條件相同的情況下，滌綸纖維對土體中的水分擁有更強的吸力，這是滌綸纖維擁有比成品纖維更高排水效率的一個重要原因。

在試驗結束時，成品纖維表面相較于滌綸纖維表面有明顯的鹽分附著，從而對成品纖維的持續(xù)排水產生了阻礙影響。產生這種現(xiàn)象的主要原因是每絲滌綸纖維的直徑為10 μm，溝槽直徑為3 μm左右，而每絲成品纖維的直徑在30 μm以上，溝槽直徑在10 μm左右。成品纖維相較于滌綸纖維擁有更深的溝槽深度，為大顆粒結晶鹽分附著提供了充足空間。同時，單根成品纖維的尺寸約為單根滌綸纖維的6倍，滌綸纖維更小的截面尺寸為鹽分的附著提供了更小的空間，對鹽分產生的吸附力更小，大顆粒結晶鹽分在重力的作用下掉落。此外，在纖維的編織方式上，成品纖維采用螺旋的編織方式，使每根纖維之間產生更為緊密的相互作用力，每絲纖維上鹽分的排出受到周圍纖維的阻礙作用，長此已久，造成了纖維表面鹽分的附著。滌綸纖維采用的直線型的編織方式，使每絲纖維擁有更多的與外界接觸的空間，附著在纖維表面的鹽分受纖維之間的阻礙作用較小，隨著時間的推移，滌綸纖維上累積的大顆粒結晶鹽分在重力作用下墜落，因此滌綸纖維表面的鹽分附著相較于成品纖維更少。

由以上分析可知，芯吸織物的參數(shù)及結構對于其作用效果擁有較大影響，在今后的研究分析中，需將織物參數(shù)納入重點研究范疇之內。

4 結論

本研究基于鹽漬土的特性，以滌綸纖維為基礎，自行研制了新型芯吸纖維。通過土柱試驗，研究了2種芯吸纖維作用鹽漬土的水分遷移規(guī)律及水鹽排出作用，得出了以下結論：

(1)成品纖維及滌綸纖維作用非飽和粉質黏土時均可以起到顯著的排水作用。在本試驗中，成品纖維降低試樣含水率平均值約為1.92%，滌綸纖維試樣含水率降低平均值約為2.40%，自行研制的滌綸纖維相較于成品纖維擁有更好的排水效果。

(2)在本試驗中，成品纖維及滌綸纖維的上下有效作用范圍在150 mm以上，且作用效果與土體到纖維的豎向距離呈負相關。同時，滌綸纖維相較于成品纖維作用土體時所需的時間更短。

(3)纖維作用鹽漬土時，部分易溶鹽隨水分被帶出，2種纖維對于試樣含鹽量的減少均有明顯效果，并且滌綸纖維相較于成品纖維降鹽作用更為明顯，這為預防鹽漬土病害提供了一種新的思路。同時，水分作為鹽分運移的載體，二者在遷移上有較好的對應關系。

(4)纖維截面尺寸及結構對于排水效果有顯著影響，滌綸纖維更細的毛細通道可為其提供更高的排水效率，同時更小的截面積及更小的吸附力為鹽分的附著提供了更小的可能，從而降低了鹽分對纖維的影響。在今后芯吸織物設計時需降低纖維溝槽尺寸，增加溝槽數(shù)量，提升纖維比表面積，編織上宜采用直線型編織方式，以增加水分遷移效率。