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期刊: Transportation Geotechnics

作者: Kuan Liu a,b,d,e,f, Wanjun Ye c, Xueyang Sun a,d,e,f, Faning Dang b,Mingming He b,*, Zhao Duan a,e,f, Jianquan Ma a,e,f, Jingjing Nan a,d,e,f,g, Ruihui Zheng a,d,e,f, Quanjiu Wang b.

工作單位: a: 西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院

              b: 西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

城市黃土路基受交通振動(dòng)的影響較大，特別是當(dāng)?shù)叵鹿艿佬孤r(shí)，振動(dòng)下的滲流通常會(huì)造成道路損壞。然而，振動(dòng)對(duì)黃土路基導(dǎo)水率的影響仍不清楚。本文通過開展黃土振動(dòng)滲透試驗(yàn)、掃描電鏡、壓汞測量和吸力-核磁共振試驗(yàn)全面評(píng)估交通振動(dòng)下城市路基黃土層飽和導(dǎo)水率(Ks)，水氣遷移行為、土壤微觀結(jié)構(gòu)和孔隙水形態(tài)的變異。結(jié)果顯示:交通振動(dòng)加劇了黃土路基的滲透行為，表現(xiàn)為Ks的增加、濕潤鋒面遷移的加速以及滯留空氣的逃逸。此外，振動(dòng)下壓實(shí)黃土的Ks值是無振動(dòng)參與時(shí)的3-14倍，最大促滲頻率與黃土固有頻率密切相關(guān)。此外提出了表征黃土振動(dòng)滲透行為的理論框架，揭示了振動(dòng)加速黃土路基滲透性行為的潛在機(jī)制。振動(dòng)促進(jìn)了土體孔隙的擴(kuò)張，降低了孔隙水的結(jié)合能力，激發(fā)了細(xì)顆粒運(yùn)移，形成了局部低透水層。此外，振動(dòng)還加速了封閉氣孔的開啟和水-空氣的驅(qū)替、降低了滲流阻力，使得滲水沿入滲通道快速流動(dòng)。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)黃土地區(qū)的道路安全性能和交通環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

圖1 黃土地區(qū)城市路基振動(dòng)與滲流研究動(dòng)機(jī)：(a)海綿城市理念與實(shí)踐(中國西安)，(b)城市發(fā)展面臨的振動(dòng)與滲透危機(jī)，(c)振動(dòng)與滲流引發(fā)的城市黃土路基病害。

圖2  基本參數(shù)采樣與測試。

圖3 黃土XRD衍射圖譜。

圖4 路基黃土飽和滲透系數(shù)隨振動(dòng)時(shí)間的變化關(guān)系：(a)干密度ρd = 1.49 g/cm3，振幅A=0.1 mm；(b)ρd = 1.49 g/cm3，A=0.2 mm；(c)ρd = 1.73 g/cm3，A=0.1 mm；(d)ρd = 1.73 g/cm3，A=0.2 mm。

圖5 振動(dòng)作用下路基黃土飽和滲透系數(shù)的變化規(guī)律：(a)干密度ρd = 1.49 g/cm3，振幅A=0.1 mm；(b)ρd = 1.49 g/cm3，A=0.2 mm；(c)ρd = 1.73 g/cm3，A=0.1 mm；(d)ρd = 1.73 g/cm3，A=0.2 mm。

圖6 振動(dòng)入滲條件下路基黃土體積含水率隨時(shí)間的變化：(a)干密度ρd = 1.43 g/cm3，頻率f = 15 Hz；(b)ρd = 1.56 g/cm3，f = 15 Hz；(c)ρd = 1.43 g/cm3，振幅A=0.2 mm；(d)ρd = 1.56 g/cm3，A=0.2 mm。

圖7 振動(dòng)入滲條件下基質(zhì)吸力隨時(shí)間的變化規(guī)律：(a)干密度ρd = 1.43 g/cm3，頻率f = 20 Hz；(b)ρd = 1.56 g/cm3，f = 20 Hz；(c)ρd = 1.43 g/cm3，振幅A=0.2 mm；(d)ρd = 1.56 g/cm3，A=0.2 mm。

圖8 振動(dòng)入滲條件下路基黃土入滲速率隨時(shí)間的變化規(guī)律：(a)干密度ρd = 1.43 g/cm3，頻率f = 20 Hz；(b)ρd = 1.56 g/cm3，f = 20 Hz；(c)ρd = 1.43 g/cm3，振幅A=0.2 mm；(d)ρd = 1.56 g/cm3，A=0.2 mm。

本研究通過滲透系數(shù)測試、水氣運(yùn)移測試及微觀測試等手段，系統(tǒng)探究了城市交通振動(dòng)作用下路基黃土的滲透特性及其演化機(jī)理，主要結(jié)論如下：

城市交通振動(dòng)作用加速了水分入滲進(jìn)程，促進(jìn)了濕潤峰遷移，并增強(qiáng)了水氣驅(qū)替效應(yīng)。土體滲透系數(shù)提升了3~14倍，且在振動(dòng)頻率接近土體固有頻率時(shí)（約20~25 Hz）出現(xiàn)最大增幅。振動(dòng)作用下，體積含水率開始增長的時(shí)間提前、增長速率加快，基質(zhì)吸力衰減現(xiàn)象也更為顯著。

振動(dòng)作用強(qiáng)化了黃土中水分運(yùn)移的驅(qū)動(dòng)力，導(dǎo)致顆粒間聯(lián)結(jié)斷裂、滯留氣泡啟逸及低滲透層形成，進(jìn)而引發(fā)水分貫入孔隙網(wǎng)絡(luò)、細(xì)顆粒遷移及孔隙束縛水弱化等系列土-水相互作用，最終促使?jié)B流通道數(shù)量增加、寬度擴(kuò)展，形成快速滲流路徑。本研究建立了考慮振動(dòng)入滲作用的黃土孔隙度與滲透系數(shù)理論框架，并通過透水試驗(yàn)驗(yàn)證了其可靠性。

因此，本研究揭示了交通振動(dòng)作用下城市路基黃土滲透性強(qiáng)化機(jī)制。該研究成果對(duì)深入理解路基黃土滲透特性具有重要實(shí)踐意義，可為黃土地區(qū)城市可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。然而，當(dāng)前研究尚未考慮振動(dòng)環(huán)境中顆粒級(jí)配、初始含水率及水頭條件對(duì)黃土滲透特性的影響機(jī)制，這既是合理評(píng)估城市交通環(huán)境演變的潛在研究方向，也將成為我們后續(xù)研究的新目標(biāo)。

Liu, K., Ye, W., Sun, X., Dang, F., He, M., Duan, Z., ... & Wang, Q. (2024). Revealing the mechanisms of water permeability enhancement of urban loess subgrades due to vibration application. Transportation Geotechnics, 48, 101346.