2025-10-14 2965 0
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論文信息 Information 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: 西安科技大學地質(zhì)與環(huán)境學院 b: 西安理工大學西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室 摘要 Abstract 城市黃土路基受交通振動的影響較大，特別是當?shù)叵鹿艿佬孤r，振動下的滲流通常會造成道路損壞。然而，振動對黃土路基導水率的影響仍不清楚。本文通過開展黃土振動滲透試驗、掃描電鏡、壓汞測量和吸力-核磁共振試驗全面評估交通振動下城市路基黃土層飽和導水率(Ks)，水氣遷移行為、土壤微觀結(jié)構和孔隙水形態(tài)的變異。結(jié)果顯示:交通振動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，振動下壓實黃土的Ks值是無振動參與時的3-14倍，最大促滲頻率與黃土固有頻率密切相關。此外提出了表征黃土振動滲透行為的理論框架，揭示了振動加速黃土路基滲透性行為的潛在機制。振動促進了土體孔隙的擴張，降低了孔隙水的結(jié)合能力，激發(fā)了細顆粒運移，形成了局部低透水層。此外，振動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。這些發(fā)現(xiàn)對黃土地區(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。
圖表 Figures&Tables 圖1 黃土地區(qū)城市路基振動與滲流研究動機：(a)海綿城市理念與實踐(中國西安)，(b)城市發(fā)展面臨的振動與滲透危機，(c)振動與滲流引發(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)隨振動時間的變化關系：(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 振動入滲條件下路基黃土體積含水率隨時間的變化：(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 振動入滲條件下基質(zhì)吸力隨時間的變化規(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 振動入滲條件下路基黃土入滲速率隨時間的變化規(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9 振動入滲作用下土柱滯留氣泡逸出特性：(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10 土柱不同高度處試樣粒度分布特征：(a)干密度ρd = 1.43 g/cm3，頻率f = 0 Hz（無振動），振幅A=0 mm；(b)ρd = 1.43 g/cm3，f = 20 Hz，A=0.2 mm；(c)ρd = 1.56 g/cm3，f = 0 Hz（無振動），A=0 mm；(d)ρd = 1.56 g/cm3，f = 20 Hz，A=0.2 mm。 圖11 土柱不同高度處試樣顆粒均勻系數(shù)。 圖12 振動入滲作用下路基黃土微觀結(jié)構圖像（初始含水率18.10%，干密度1.73 g/cm3）：(a) f = 0 Hz（無振動）；(b) f = 5 Hz，A=0.1 mm；(c) f = 5 Hz，A=0.2 mm；(d) f = 10 Hz，A=0.1 mm；(e) f = 10 Hz，A=0.2 mm；(f) f = 15 Hz，A=0.1 mm；(g) f = 15 Hz，A=0.2 mm；(h) f = 20 Hz，A=0.1 mm；(i) f = 20 Hz，A=0.2 mm；(j) f = 25 Hz，A=0.1 mm；(k) f = 25 Hz，A=0.2 mm。 圖13 振動入滲作用下試樣孔隙分布特征（初始含水率18.10%，干密度1.73 g/cm3）：(a) f = 5 Hz；(b) f = 15 Hz；(c) f = 20 Hz；(d) A = 0.1 mm；(e) A = 0.2 mm。 圖14 吸力-NMR聯(lián)合試驗結(jié)果：(a) 不同吸力作用下試樣含水率；(b) 體相水與束縛水臨界弛豫時間T2C的確定。 圖15 振動入滲條件下試樣的T2曲線：(a) f = 5 Hz；(b) f = 15 Hz；(c) f = 20 Hz；(d) A = 0.1 mm；(e) A = 0.2 mm。 圖16 振動入滲條件下土壤滲透系數(shù)實測數(shù)據(jù)與模型預測結(jié)果對比：(a) 干密度ρd = 1.49 g/cm3，振幅A=0.1 mm；(b) ρd = 1.73 g/cm3，A=0.2 mm；(c) ρd = 1.49 g/cm3，頻率f = 15 Hz；(d) ρd = 1.73 g/cm3，f = 15 Hz。 圖17 結(jié)論 Conclusion 本研究通過滲透系數(shù)測試、水氣運移測試及微觀測試等手段，系統(tǒng)探究了城市交通振動作用下路基黃土的滲透特性及其演化機理，主要結(jié)論如下： 城市交通振動作用加速了水分入滲進程，促進了濕潤峰遷移，并增強了水氣驅(qū)替效應。土體滲透系數(shù)提升了3~14倍，且在振動頻率接近土體固有頻率時（約20~25 Hz）出現(xiàn)最大增幅。振動作用下，體積含水率開始增長的時間提前、增長速率加快，基質(zhì)吸力衰減現(xiàn)象也更為顯著。 振動作用強化了黃土中水分運移的驅(qū)動力，導致顆粒間聯(lián)結(jié)斷裂、滯留氣泡啟逸及低滲透層形成，進而引發(fā)水分貫入孔隙網(wǎng)絡、細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、寬度擴展，形成快速滲流路徑。本研究建立了考慮振動入滲作用的黃土孔隙度與滲透系數(shù)理論框架，并通過透水試驗驗證了其可靠性。 因此，本研究揭示了交通振動作用下城市路基黃土滲透性強化機制。該研究成果對深入理解路基黃土滲透特性具有重要實踐意義，可為黃土地區(qū)城市可持續(xù)發(fā)展提供科學參考。然而，當前研究尚未考慮振動環(huán)境中顆粒級配、初始含水率及水頭條件對黃土滲透特性的影響機制，這既是合理評估城市交通環(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。 參考文獻 References 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.
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