降雨入滲對黃土拓寬路基變形影響的離心模型試驗

段丹軍，楊烜宇

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

含水率的變化將影響路基的穩定。當強降雨發生時，黃土路基邊坡會出現滑塌、坍塌等病害。當拓寬黃土路基時，受降雨的影響，路基會出現不均勻沉降。降雨入滲會引起黃土路基特別是黃土拓寬路基產生一系列工程的病害，甚至引發地基濕陷，導致整體路基失穩等嚴重病害［1-2］。近年來，中國中西部地區廣泛覆蓋黃土，其高速公路改擴建項目也逐漸增多，在拓寬處治和運營的過程中，難免遇到強降雨的情況。比如2021年10月，山西省遭受歷時7 d的強降雨，晉南地區部分黃土路基及邊坡出現沉降、滑塌等病害，對當地交通出行造成了極大困難及安全隱患。老路基早已固結沉降，降雨入滲并不會大幅度影響路基內部含水率，但新拓寬路基含水率將有較大變化，且拓寬后新舊路基含水率存在動態平衡現象，這樣直接影響拓寬路基橫、縱向的變形。因此，本研究針對降雨入滲引發黃土路基以及拓寬黃土路基的變形情況提出工程處治措施。

關于黃土路基受含水率變化影響的研究已經取得較為豐碩的成果。李家春等［3］利用人工模擬降雨裝置和路堤土工模型，在不同初始含水率和不同降雨條件下，進行了黃土路堤邊坡濕潤峰和入滲率的試驗，分析了降雨歷時和降雨強度對黃土路堤邊坡穩定性敏感程度及入滲變化規律。沈波等［4］對壓實黃土路基邊坡在七因素變化條件下進行降雨沖刷試驗，推導了壓實黃土邊坡降雨沖蝕強度經驗公式，以及坡面最大沖刷強度的臨界坡度。關于含水率變化引起的拼接路基差異沉降的控制技術也取得了系列成果。翁效林等［5］研制了離心場土工構造物變形測試系統，進行離心試驗，研究了浸水增濕后拓寬路基的沉降變形特征和拓寬地基強夯處治效果。黃琴龍等［6］在路基拓寬室內試槽試驗中預填一定厚度的易溶性化肥，再注水溶解，模擬了新老路基的形成。傅珍等［7］分析了拓寬路基差異沉降特性和影響因素。

地質導向隨鉆測量是在鉆井的同時利用傳感器探測井下信息并實時傳到地面的技術。根據需求可分為隨鉆測量（MWD）、隨鉆測井（LWD）等，其中MWD一般僅測量井斜、方位和工具面角等工程參數；LWD主要提供地層參數，基本的需要配備伽馬和電阻率儀器。

關于離心試驗模型方面取得了一些成果。張軍輝［8］建立了高速公路加寬工程加筋路堤離心模型。曹杰等［9］在不同邊界條件下，建立了黃土高填方沉降離心模型。然而，目前針對典型黃土路基及黃土拓寬路基受降雨入滲情況建立模型，以及此類情況下引發的路基變形特性和邊坡變形規律分析的研究鮮見。

因此，本研究在前人的成果基礎上，研制降雨入滲測試系統，升級模型試驗變形監測技術，分析典型黃土路基降雨入滲后含水率的變化情況以及黃土拓寬路基降雨入滲后的變形規律，檢驗黃土拓寬路基采取的處治措施，針對性地提出工程技術處治措施。

確定泡沫劑注入量（每環用量不少于100L）和配合比等參數，提高發泡率和渣土改良效果，嚴格控制每個渣土斗出渣量對應的掘進行和每環出渣量，嚴禁超挖，確保每環出渣量不大于63m3。

1 離心模型試驗設計

1.1 相似比

本模型試驗所涉及的相關參數可表達為F（σ，ρ，φ，g，l，ε，t）=0。其中，σ、ρ、φ、g、l、ε、t分別為土中應力、土體密度、土體內摩擦角、重力加速度、模型尺寸大小、土工格室應變、運行時間。根據相似理論，計算土體各關鍵參數的相似比：Cσ=n2，Cρ=n2，Cl=n，Cε=n，Ct=n2。其中，n=Lp/LM，Lp為原型幾何尺寸，LM為試樣幾何尺寸。

中國有機肥協會專家委員會高級農藝師、國家二級農技師閆保福在分享中表示，農用化學品不合理投入等問題讓耕地不堪重負，導致了土傳病害增加、土壤有機質下降，土壤酸化、板結、鹽漬化問題不斷加重。另一方面，經銷商在面對土壤問題和農民種植需求時力不從心，專業知識、技術力量、產品資源等缺乏使經銷商無法應對日益激烈的市場競爭。在滿足土壤和作物需求的同時，幫助基層經銷商轉型服務商，成為推動行業及企業發展的重要方向之一。

1.2 試驗材料

1） 典型黃土。

2） 模擬降雨工況，離心機繼續運行至變形穩定，三次降雨引起的LDS1、LDS2和LDS4的變形增量分別為0.68、0.50、-0.20 mm（轉化后的原型值分別為34.00、25.00、-10.00 mm），LDS3的變形增量為0.28 mm（轉化后的原型值為14.00 mm），表明降雨入滲對黃土路基變形影響最大部位為路基頂面中部，其次是路基頂面肩部，路基坡腳處有隆起變形，邊坡中部也有內陷情況，但隆起與內陷變形量較小，可忽略不計。

2） 土工格室。

模型材料以模擬土工格室的尺寸大小、格室整體的變形模量和強度為主要依據。在實際工程中，土工格室材料變形以5%作為容許的最大變形量，并用此變形量對應的強度作為在正常使用條件下的極限強度。制作模型時，很難找到強度和厚度與理論值完全相同的材料。因此，選用力學指標與其接近的材料，實體工程中鋪設的土工格室寬度為50.00 mm，當變形量為5%時，其拉伸屈服強度為25.9 MPa，模型材料的實際寬度為10.00 mm，厚度為0.06 mm，實際測量拉伸屈服強度為23.3 MPa，為理論值的90%，符合試驗要求。

1.3 降雨模擬

本次離心試驗研制了降雨模擬系統，其工作原理是：將高速流動、高壓的液體擠壓進入噴嘴，撞擊在噴嘴內部放置的鐵片，反彈后形成霧化顆粒，并通過噴嘴出口噴出。其主要優點為：① 離心場霧化雨滴非常小，合理布設霧化噴頭位置，可以使降雨更均勻，更好地模擬原型降雨。② 通過控制進水管的通水時間來控制降雨時間。③ 降雨噴頭均勻布置在模型箱的中間斷面，水平間距12 cm，可覆蓋模型頂部全部區域。

本次離心試驗共進行4次降雨，前3次降雨均為黃土路基填筑完成后進行降雨，每次降雨量均為500 ml（相當于晉南地區1 a降雨量），路基變形穩定后再進行下一次降雨；第4次降雨為加鋪拓寬路基且路基變形穩定后進行，降雨量也為500 ml。

1.4 模型設計與制作

模型試驗采用長江科學院土工離心試驗機，模型箱尺寸大小為100 cm×40 cm×80 cm，模擬黃土地基厚15.00 m，路基填高8.00 m，單側加寬4.00 m。為能直觀地模擬典型黃土路基及其拓寬路基降雨入滲的變形，在試驗中對模型土層的制備須量化控制，盡量與黃土路基拓寬措施保持一致，包括新舊路基搭接臺階寬度和高度、土工格室布置層位和層數、路基和地基的壓實度等。其中，模型新舊路基搭接臺階寬為1.5 m，高為1.0 m；搭接臺階最低、中間及最高位置分別設置一層土工格室；黃土地基壓實度以85%控制，地基以上至下路床的壓實度按90%控制，上路床的壓實度按93%控制。

黃土路基受降雨入滲后體積含水率隨時間的變化規律如圖3（a）所示。

2） 隨著降雨次數增加，雖每次降雨量相同，但路基及地基內部的體積含水率增加幅度降低。第一次降雨145 d（5 000 s）后，路基上部體積含水率由原來的15%增加到23%，路基中部體積含水率由原來的15%增加到20%，地基內體積含水率由原來的15%增加到17%；第二次降雨后，路基上部、中部及地基的體積含水率分別增大4個百分點、4個百分點、2個百分點；第三次降雨后，路基上部、中部及地基的體積含水分別增大2個百分點、1個百分點、1個百分點。

模型內部埋設孔隙水壓力、土壓力傳感器，監測路基內部含水率及土壓力隨時間的變化情況。采用4個激光位移計對路基頂面中部、路肩、路基邊坡中部、路基坡腳地基頂面4個位置進行變形監測。離心試驗模型及傳感器布置示意如圖1所示。

圖1 離心模型布置（單位：cm）Fig.1 Centrifuge model arrangement （unit： cm）

具體試驗步驟為：① 將地基土層曬干、破碎，配制最佳含水率，靜置24 h，保證水分均勻，按照設定密度分層鋪筑、擊實；② 吊裝模型箱至離心機的吊籃內，同時吊裝配重至吊籃內；③ 安裝降雨裝置和位移傳感器，按照設定位置安裝供水箱和降雨噴頭；④ 固定激光位移傳感器，連接傳感器信號線，測試采集系統；⑤ 加速度逐級增大至設計加速度，本次離心試驗運行加速度分別為10g、20g、30g、40g、50g，即相似比為50；⑥ 離心機保持50g加速度運行至變形穩定后，開始降雨模擬，再次運行至穩定后進行第二次降雨，如此重復，在三次降雨模擬變形穩定后停機；⑦ 開挖原黃土路基的臺階，鋪筑拓寬路基，嚴格控制開挖臺階寬度與高度，并按要求鋪設土工格室替代材料，分層鋪筑壓實；⑧ 開始第二次離心試驗，運行至拓寬路基變形穩定后，再次進行降雨且變形穩定后，結束試驗；⑨ 試驗完成后，通過開挖模型不同深度土樣，測量其含水率。

1.5 傳感器率定

試驗前對加速度為20g、40g、60g、80g、100g時的孔隙水壓力及土壓力傳感器測量值進行率定，但激光位移傳感器不會產生偏移，未做率定，率定結果見表2及圖2。

圖2 不同加速度時傳感器測量值和計算值的對比曲線Fig.2 Comparison curves of sensor measurements and calculated values at different accelerations

表2 不同加速度時傳感器測量值和計算值的對比Table 2 Comparison of sensor measurements and calculated values at different accelerations

由表2和圖2可知，試驗所采用的孔隙水壓力與土壓力傳感器量測值呈線性關系，測量結果穩定，其與計算值吻合度達99%，能夠滿足試驗要求。

2 結果分析

2.1 含水率

2.1.1 典型黃土路基降雨入滲含水率變化

4.2.5 標本放反 在觀察細胞形態時，如白細胞分類通常使用油鏡觀察，但血涂片經染色后，有的學生會把標本反放在載物臺上。因為油鏡頭鏡口率較小，需要標本非常接近油鏡頭，如果放反，物體超出了顯微鏡工作距離，無論如何也找不到物像。解決方法：（1）發現載玻片放反，直接翻轉過來；（2）在制作載玻片時在其一端做標記，防止觀察時放反。

圖3 黃土路基及其拓寬路基降雨入滲后體積含水率變化Fig.3 Changes in volumetric water content after rainfall infiltration for loess subgrade and its widened subgrade

2） 路基拓寬并經歷一次降雨后，隨著加速度和土壓力逐級增大，TY1～TY5的測量值分別為176、161、74、61、57 kPa。比較黃土路基固結沉降后的土壓力和拓寬后的，以及由降雨入滲后的兩者土壓力可知，即使拓寬后經歷了降雨，路基內土壓力的變化也不大。

1） 總體上，隨著降雨入滲，路基及地基的體積含水率均增大。其中，路基上部、中部的體積含水率變化較大，地基的體積含水率變化較小。其主要原因：地基上面覆蓋路基，埋深最大，水分入滲慢，體積含水率變化最小。

在例（5）和（6）中時間詞或空間詞被省略或被隱含在句子之中不被指出，這些成分可以補充，但沒有補充的必要。例（5）中茶果端上來自然是要放在桌幾之上的，此時處所詞未曾出現，但隱含在以上句子之中；同理例（6）之中，這位年輕的公子按常理必然是從房門而入，眾人皆知沒有提及的必要，在這個句子之中，存在主體-年輕的公子是突出重點，其他次要元素可以忽略不計。

結合試驗結果對水稻的經濟性狀與產量影響因素進行分析，結果發現對照最高為處理2區，其有效穗數值最高，達到190.8穗/m2，最低為處理5區，即采用常規施肥的對比區；在每穗實粒數方面，處理1區表現最高，可達到313.9粒，而處理3區最低，只有294.8粒。不同施肥處理情況下水稻產量平均值為1.2～1.28kg/m2，其中處理2區最高，采用了脲甲醛緩釋肥對水稻產量影響較大，而采用常規施肥處理后的試驗5區在水稻產量上位居第4位，超過了木質素緩控釋肥處理的處理1區。

磁鏈觀測的精度會直接影響模型預測直接轉矩控制系統的性能,為了提高磁鏈觀測的精度,本工作將全階磁鏈觀測器引入控制系統中.所采用的全階磁鏈觀測器數學模型[20]如下:

3） 降雨開始到體積含水率穩定時間約為20 d（700 s），表明降雨到路基內部體積含水率相對穩定的時間約為20 d（700 s）。

2.1.2 黃土拓寬路基降雨入滲含水率變化

黃土路基拓寬穩定后，再模擬強降雨，含水率測試點仍為黃土路基原體積含水率測試點。拓寬路基后降雨入滲引起的路基及地基的體積含水率變化情況如圖3（b）所示，從圖3（b）可以看出：

控制變量是在確定變量后，構思如何操作自變量、控制無關變量、觀測因變量。一般需要遵循單一變量原則等實驗設計原則，以排除其他因素對實驗的影響，只探究自變量和因變量間的相關性，達到預期的實驗目的，因此控制變量成為實驗設計的關鍵環節。控制變量的通常思維路徑為：先進行實驗分組、操作自變量；再設置對照實驗，控制無關變量；最后，確定觀測因變量的方法。教學中，教師可結合該思維路徑，設計問題串引導學生分析，思考如何設置對照實驗、控制變量。

2） 模型繼續運行260 d（9 000 s）后，即使沒再降雨，路基中部含水率仍有增加，增幅為2個百分點，與路基上部36%的體積含水率逐漸接近，表明路基內部含水率在動態調整，逐漸趨向一致，這與文獻［10］結論一致。從圖3（b）還可以看出，此時路基內部的上部高體積含水率向下部傳輸，保持動態平衡。與因降雨入滲引起路基體積含水率的變化時間相比，路基內部含水率動態平衡所需的時間更長。

試驗完成后，檢測模型不同斷面含水率，得到黃土拓寬路基質量含水率分布，如圖4所示。

1） 拓寬路基穩定后，舊路基內的體積含水率仍保持原體積含水率，路基上、中部以及地基分別為29%、25%、20%。再對拓寬后路基進行模擬降雨，路基上、中部以及地基的體積含水率分別增大到36%、32%、22%，增加幅度分別為7個百分點、7個百分點、2個百分點，遠大于黃土路基受同樣降雨入滲后的含水率。其主要原因：拓寬處治壓實效果遠不如原路基壓實效果。因此，路基拓寬時，建議采取強夯措施處治，以保證拓寬路基的壓實質量。

圖4 試驗后開挖測試得到的斷面質量含水率分布Fig.4 Distribution of cross-sectional mass water content obtained by the excavation test after the test

從圖4可以看出，模型試驗結束后，路基及地基含水率呈自上向下逐漸遞減的規律，路基頂面的質量含水率最大達24%，路基中部的質量含水率為21%，受路基覆蓋的地基的質量含水率為15%～16%（在該典型黃土的塑限附近）。

2.2 土壓力變化

黃土路基降雨入滲以及固結沉降過程的土壓力變化情況如圖5（a）所示，在后降雨入滲以及固結沉降過程中，路基內的土壓力變化情況如圖5（b）所示。

基于此目標函數，配電網重構是為了使網損盡可能小，即求解目標函數最小值。但評價個體時一般用其適應度函數，習慣將算法優化方向對應適應度值增加方向，所以選擇將目標函數的倒數作為適應度函數，考慮到不可行解，因此個體適應度函數確定為：

圖5 黃土路基及其拓寬路基土壓力隨時間變化關系曲線Fig.5 Relation curves of earth pressure changing with time for loess subgrade and its widened subgrade

從圖5可以看出：

1） 隨著加速度的逐級增大，土壓力也逐級增大.當加速度為50g時，TY1～TY5的測量值分別為149、128、29、45、15 kPa；隨著降雨入滲，土壓力有所波動，但其總體在增大，三次降雨結束后，土壓力分別為165、153、40、64、30 kPa。

從圖3（a）可以看出：

2.3 變形

2.3.1 典型黃土路基降雨入滲變形

我回答道：“剛來一年，我特別喜歡看教育方面的東西，我現在專科已經畢業了，將來想當一名小學老師，我很想學習這方面的知識，但不知道怎么下手。”

典型黃土路基變形隨時間的變化曲線如圖6所示。

圖6 典型黃土路基降雨入滲變形情況Fig.6 Rainfall infiltration deformation of typical loess subgrade

從圖6可以看出：

1） 隨著加速度的逐級增大，沉降變形量逐漸增大，水平位移LDS3的變形量也逐漸增大；當加速度為50g運行至變形趨于穩定時，LDS1、LDS2和LDS4的沉降值分別為1.41、1.27、-0.44 mm（轉化后的原型值分別為70.5、63.5、-22.0 mm，負值表示隆起），水平位移LDS3為0.45 mm（轉化后的原型值為22.5 mm），黃土路基固結沉降過程中，路基頂面中部位置沉降量最大達70.5 mm。

模型試驗取山西某改擴建高速公路沿線的典型黃土作為填料，通過室內重型擊實、界限含水率、固結及滲透等試驗，獲得重塑黃土基本物理性質的結果見表1。

分析三次降雨入滲后對典型黃土路基變形影響情況，變形增量見表3。由表3可知，路基頂面中間位置隨降雨次數增加，沉降變形量減少，由第一次降雨后的增量0.38 mm（相當于增加19 mm），降為第三次降雨后增量僅為0.11 mm（相當于增加6 mm）。

表3 降雨入滲次數與路基變形增量Table 3 Rainfall infiltration times and subgrade deformation increment mm

2.3.2 黃土拓寬路基降雨入滲變形

黃土路基拓寬后再經歷降雨入滲后路基變形隨時間的變化規律如圖7所示。黃土路基拓寬后降雨入滲對路基變形的影響見表4。

圖7 黃土拓寬路基變形隨時間變化關系曲線Fig.7 Relation curves of deformation changing with time for loess widened subgrade

表4 黃土路基拓寬后降雨入滲對路基變形影響Table 4 Influence of rainfall infiltration on subgrade deformation after loess subgrade widening mm

由圖7和表4，可得出以下結論：

黃土路基拓寬后，最大沉降變形為路基頂面肩部位置，而不是路基頂面中部位置。黃土路基路堤中心和拓寬路基路肩處的沉降差為1.28 mm（轉化后的原型值為64 mm）；水平位移LDS3為1.71 mm（轉化后的原型值為85.5 mm），即路基邊坡中部內陷85.5 mm；LDS4為1.83 mm（轉化后的原型值為91.5 mm），說明路基坡腳位置向上隆起91.5 mm。其原因是新拓寬路基整體產生向下滑移的趨勢，引起路肩下滑，路基邊坡內陷，地基底部向上隆起等變形情況。

“我倒是喜歡這么想：討厭他們其實是幫了他們大忙，我是想提醒他們，他們并不是什么上帝的寵兒，別整天揚揚得意，不知天高地厚。”

離心試驗結束后，黃土拓寬路基受降雨影響后的變形規律如圖8所示。從圖8可以看出，由于下滑，拓寬路基的頂部從搭接位置開始發生縱向裂縫，同時在靠近路基坡腳位置地基向上隆起，引起地基開裂現象。這也進一步印證了2021年10月份山西省連續強降雨引起晉南地區大量黃土路基邊坡局部滑塌病害的原因。因此，為防止因強降雨而引起該災害的發生，應在黃土路基邊坡采取種植灌木或者生態草皮等固結邊坡土體的主動防護措施。而針對黃土拓寬路基，還應在坡腳采取反壓措施，減少拓寬路基的側滑趨勢，有效控制差異沉降及裂縫病害。

采用SPSS22.0進行數據處理。卡方用以檢驗計數資料，t值用以檢驗計量資料，組間差異以P＜0.05具有統計學意義。

圖8 離心試驗結束模型變形情況Fig.8 Model deformation at the end of centrifuge test

本研究采用的黃土拓寬路基模擬措施，參考了實體工程的實施結果。為研究其變形規律，采取降低壓實度和加強降雨量兩個措施。從模型試驗結果發現，拓寬路基差異沉降路拱橫坡度的增大值為0.8%，較規范［10］要求的大。

3 結論

通過對黃土路基以及拓寬路基進行降雨入滲離心模型試驗，得到以下結論：

1） 黃土路基受降雨入滲影響，路基頂面中部位置的沉降變形最大，路肩位置的變形較小；黃土拓寬路基受降雨入滲影響，路基頂面肩部位置的沉降變形最大。與未拓寬黃土路基相比，拓寬路基邊坡中部內陷變形較大，拓寬路基坡腳位置隆起變形顯著，引起整體側滑。為減少黃土拓寬路基的側滑，建議應在路基坡腳地基處采取反壓措施，同時邊坡采用柔性主動防護，減少強降雨引起的邊坡坍塌和路基與地基裂縫病害。

2） 黃土路基受降雨入滲后，路基內部含水率逐漸增大，隨著降雨次數增加，含水率增加幅度降低。黃土路基內部含水率存在動態平衡，一般動態平衡需260 d（9 000 s）左右，但受季節影響，動態平衡時間會有一定波動。

總之，中學教學合作學習的運用實踐是培養學生合作能力的需要，也是提升學生社會適應性的需要。中學教師要從全體學生素質發展的高度，積極探索合作學習的模式，結合中學階段的教學內容，貼近學情，貼近學生生活，切實有效地提升教學實效性。

3） 在降雨入滲作用下，無論是對黃土路基，還是拓寬路基，其內部土壓力無較大影響。

4） 在降低壓實度、增加降水量的情況下，黃土拓寬路基的差異沉降導致路拱橫坡度增大0.8%，大于規范［10］設計細則的要求。