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.

工作单位: a: 西安科技大学地质与环境学院

              b: 西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室

城市黄土路基受交通振动的影响较大，特别是当地下管道泄漏时，振动下的渗流通常会造成道路损坏。然而，振动对黄土路基导水率的影响仍不清楚。本文通过开展黄土振动渗透试验、扫描电镜、压汞测量和吸力-核磁共振试验全面评估交通振动下城市路基黄土层饱和导水率(Ks)，水气迁移行为、土壤微观结构和孔隙水形态的变异。结果显示:交通振动加剧了黄土路基的渗透行为，表现为Ks的增加、湿润锋面迁移的加速以及滞留空气的逃逸。此外，振动下压实黄土的Ks值是无振动参与时的3-14倍，最大促渗频率与黄土固有频率密切相关。此外提出了表征黄土振动渗透行为的理论框架，揭示了振动加速黄土路基渗透性行为的潜在机制。振动促进了土体孔隙的扩张，降低了孔隙水的结合能力，激发了细颗粒运移，形成了局部低透水层。此外，振动还加速了封闭气孔的开启和水-空气的驱替、降低了渗流阻力，使得渗水沿入渗通道快速流动。这些发现对黄土地区的道路安全性能和交通环境的可持续发展具有重要意义。

图1 黄土地区城市路基振动与渗流研究动机：(a)海绵城市理念与实践(中国西安)，(b)城市发展面临的振动与渗透危机，(c)振动与渗流引发的城市黄土路基病害。

图2  基本参数采样与测试。

图3 黄土XRD衍射图谱。

图4 路基黄土饱和渗透系数随振动时间的变化关系：(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。

图5 振动作用下路基黄土饱和渗透系数的变化规律：(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。

图6 振动入渗条件下路基黄土体积含水率随时间的变化：(a)干密度ρd = 1.43 g/cm³，频率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。

图7 振动入渗条件下基质吸力随时间的变化规律：(a)干密度ρd = 1.43 g/cm³，频率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。

图8 振动入渗条件下路基黄土入渗速率随时间的变化规律：(a)干密度ρd = 1.43 g/cm³，频率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。

本研究通过渗透系数测试、水气运移测试及微观测试等手段，系统探究了城市交通振动作用下路基黄土的渗透特性及其演化机理，主要结论如下：

城市交通振动作用加速了水分入渗进程，促进了湿润峰迁移，并增强了水气驱替效应。土体渗透系数提升了3~14倍，且在振动频率接近土体固有频率时（约20~25 Hz）出现最大增幅。振动作用下，体积含水率开始增长的时间提前、增长速率加快，基质吸力衰减现象也更为显著。

振动作用强化了黄土中水分运移的驱动力，导致颗粒间联结断裂、滞留气泡启逸及低渗透层形成，进而引发水分贯入孔隙网络、细颗粒迁移及孔隙束缚水弱化等系列土-水相互作用，最终促使渗流通道数量增加、宽度扩展，形成快速渗流路径。本研究建立了考虑振动入渗作用的黄土孔隙度与渗透系数理论框架，并通过透水试验验证了其可靠性。

因此，本研究揭示了交通振动作用下城市路基黄土渗透性强化机制。该研究成果对深入理解路基黄土渗透特性具有重要实践意义，可为黄土地区城市可持续发展提供科学参考。然而，当前研究尚未考虑振动环境中颗粒级配、初始含水率及水头条件对黄土渗透特性的影响机制，这既是合理评估城市交通环境演变的潜在研究方向，也将成为我们后续研究的新目标。

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.