降雨入渗对黄土拓宽路基变形影响的离心模型试验

段丹军，杨烜宇

（山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032）

含水率的变化将影响路基的稳定。当强降雨发生时，黄土路基边坡会出现滑塌、坍塌等病害。当拓宽黄土路基时，受降雨的影响，路基会出现不均匀沉降。降雨入渗会引起黄土路基特别是黄土拓宽路基产生一系列工程的病害，甚至引发地基湿陷，导致整体路基失稳等严重病害［1-2］。近年来，中国中西部地区广泛覆盖黄土，其高速公路改扩建项目也逐渐增多，在拓宽处治和运营的过程中，难免遇到强降雨的情况。比如2021年10月，山西省遭受历时7 d的强降雨，晋南地区部分黄土路基及边坡出现沉降、滑塌等病害，对当地交通出行造成了极大困难及安全隐患。老路基早已固结沉降，降雨入渗并不会大幅度影响路基内部含水率，但新拓宽路基含水率将有较大变化，且拓宽后新旧路基含水率存在动态平衡现象，这样直接影响拓宽路基横、纵向的变形。因此，本研究针对降雨入渗引发黄土路基以及拓宽黄土路基的变形情况提出工程处治措施。

关于黄土路基受含水率变化影响的研究已经取得较为丰硕的成果。李家春等［3］利用人工模拟降雨装置和路堤土工模型，在不同初始含水率和不同降雨条件下，进行了黄土路堤边坡湿润峰和入渗率的试验，分析了降雨历时和降雨强度对黄土路堤边坡稳定性敏感程度及入渗变化规律。沈波等［4］对压实黄土路基边坡在七因素变化条件下进行降雨冲刷试验，推导了压实黄土边坡降雨冲蚀强度经验公式，以及坡面最大冲刷强度的临界坡度。关于含水率变化引起的拼接路基差异沉降的控制技术也取得了系列成果。翁效林等［5］研制了离心场土工构造物变形测试系统，进行离心试验，研究了浸水增湿后拓宽路基的沉降变形特征和拓宽地基强夯处治效果。黄琴龙等［6］在路基拓宽室内试槽试验中预填一定厚度的易溶性化肥，再注水溶解，模拟了新老路基的形成。傅珍等［7］分析了拓宽路基差异沉降特性和影响因素。

地质导向随钻测量是在钻井的同时利用传感器探测井下信息并实时传到地面的技术。根据需求可分为随钻测量（MWD）、随钻测井（LWD）等，其中MWD一般仅测量井斜、方位和工具面角等工程参数；LWD主要提供地层参数，基本的需要配备伽马和电阻率仪器。

关于离心试验模型方面取得了一些成果。张军辉［8］建立了高速公路加宽工程加筋路堤离心模型。曹杰等［9］在不同边界条件下，建立了黄土高填方沉降离心模型。然而，目前针对典型黄土路基及黄土拓宽路基受降雨入渗情况建立模型，以及此类情况下引发的路基变形特性和边坡变形规律分析的研究鲜见。

因此，本研究在前人的成果基础上，研制降雨入渗测试系统，升级模型试验变形监测技术，分析典型黄土路基降雨入渗后含水率的变化情况以及黄土拓宽路基降雨入渗后的变形规律，检验黄土拓宽路基采取的处治措施，针对性地提出工程技术处治措施。

确定泡沫剂注入量（每环用量不少于100L）和配合比等参数，提高发泡率和渣土改良效果，严格控制每个渣土斗出渣量对应的掘进行和每环出渣量，严禁超挖，确保每环出渣量不大于63m3。

1 离心模型试验设计

1.1 相似比

本模型试验所涉及的相关参数可表达为F（σ，ρ，φ，g，l，ε，t）=0。其中，σ、ρ、φ、g、l、ε、t分别为土中应力、土体密度、土体内摩擦角、重力加速度、模型尺寸大小、土工格室应变、运行时间。根据相似理论，计算土体各关键参数的相似比：Cσ=n2，Cρ=n2，Cl=n，Cε=n，Ct=n2。其中，n=Lp/LM，Lp为原型几何尺寸，LM为试样几何尺寸。

中国有机肥协会专家委员会高级农艺师、国家二级农技师闫保福在分享中表示，农用化学品不合理投入等问题让耕地不堪重负，导致了土传病害增加、土壤有机质下降，土壤酸化、板结、盐渍化问题不断加重。另一方面，经销商在面对土壤问题和农民种植需求时力不从心，专业知识、技术力量、产品资源等缺乏使经销商无法应对日益激烈的市场竞争。在满足土壤和作物需求的同时，帮助基层经销商转型服务商，成为推动行业及企业发展的重要方向之一。

1.2 试验材料

1） 典型黄土。

2） 模拟降雨工况，离心机继续运行至变形稳定，三次降雨引起的LDS1、LDS2和LDS4的变形增量分别为0.68、0.50、-0.20 mm（转化后的原型值分别为34.00、25.00、-10.00 mm），LDS3的变形增量为0.28 mm（转化后的原型值为14.00 mm），表明降雨入渗对黄土路基变形影响最大部位为路基顶面中部，其次是路基顶面肩部，路基坡脚处有隆起变形，边坡中部也有内陷情况，但隆起与内陷变形量较小，可忽略不计。

2） 土工格室。

模型材料以模拟土工格室的尺寸大小、格室整体的变形模量和强度为主要依据。在实际工程中，土工格室材料变形以5%作为容许的最大变形量，并用此变形量对应的强度作为在正常使用条件下的极限强度。制作模型时，很难找到强度和厚度与理论值完全相同的材料。因此，选用力学指标与其接近的材料，实体工程中铺设的土工格室宽度为50.00 mm，当变形量为5%时，其拉伸屈服强度为25.9 MPa，模型材料的实际宽度为10.00 mm，厚度为0.06 mm，实际测量拉伸屈服强度为23.3 MPa，为理论值的90%，符合试验要求。

1.3 降雨模拟

本次离心试验研制了降雨模拟系统，其工作原理是：将高速流动、高压的液体挤压进入喷嘴，撞击在喷嘴内部放置的铁片，反弹后形成雾化颗粒，并通过喷嘴出口喷出。其主要优点为：① 离心场雾化雨滴非常小，合理布设雾化喷头位置，可以使降雨更均匀，更好地模拟原型降雨。② 通过控制进水管的通水时间来控制降雨时间。③ 降雨喷头均匀布置在模型箱的中间断面，水平间距12 cm，可覆盖模型顶部全部区域。

本次离心试验共进行4次降雨，前3次降雨均为黄土路基填筑完成后进行降雨，每次降雨量均为500 ml（相当于晋南地区1 a降雨量），路基变形稳定后再进行下一次降雨；第4次降雨为加铺拓宽路基且路基变形稳定后进行，降雨量也为500 ml。

1.4 模型设计与制作

模型试验采用长江科学院土工离心试验机，模型箱尺寸大小为100 cm×40 cm×80 cm，模拟黄土地基厚15.00 m，路基填高8.00 m，单侧加宽4.00 m。为能直观地模拟典型黄土路基及其拓宽路基降雨入渗的变形，在试验中对模型土层的制备须量化控制，尽量与黄土路基拓宽措施保持一致，包括新旧路基搭接台阶宽度和高度、土工格室布置层位和层数、路基和地基的压实度等。其中，模型新旧路基搭接台阶宽为1.5 m，高为1.0 m；搭接台阶最低、中间及最高位置分别设置一层土工格室；黄土地基压实度以85%控制，地基以上至下路床的压实度按90%控制，上路床的压实度按93%控制。

黄土路基受降雨入渗后体积含水率随时间的变化规律如图3（a）所示。

2） 随着降雨次数增加，虽每次降雨量相同，但路基及地基内部的体积含水率增加幅度降低。第一次降雨145 d（5 000 s）后，路基上部体积含水率由原来的15%增加到23%，路基中部体积含水率由原来的15%增加到20%，地基内体积含水率由原来的15%增加到17%；第二次降雨后，路基上部、中部及地基的体积含水率分别增大4个百分点、4个百分点、2个百分点；第三次降雨后，路基上部、中部及地基的体积含水分别增大2个百分点、1个百分点、1个百分点。

模型内部埋设孔隙水压力、土压力传感器，监测路基内部含水率及土压力随时间的变化情况。采用4个激光位移计对路基顶面中部、路肩、路基边坡中部、路基坡脚地基顶面4个位置进行变形监测。离心试验模型及传感器布置示意如图1所示。

图1 离心模型布置（单位：cm）Fig.1 Centrifuge model arrangement （unit： cm）

具体试验步骤为：① 将地基土层晒干、破碎，配制最佳含水率，静置24 h，保证水分均匀，按照设定密度分层铺筑、击实；② 吊装模型箱至离心机的吊篮内，同时吊装配重至吊篮内；③ 安装降雨装置和位移传感器，按照设定位置安装供水箱和降雨喷头；④ 固定激光位移传感器，连接传感器信号线，测试采集系统；⑤ 加速度逐级增大至设计加速度，本次离心试验运行加速度分别为10g、20g、30g、40g、50g，即相似比为50；⑥ 离心机保持50g加速度运行至变形稳定后，开始降雨模拟，再次运行至稳定后进行第二次降雨，如此重复，在三次降雨模拟变形稳定后停机；⑦ 开挖原黄土路基的台阶，铺筑拓宽路基，严格控制开挖台阶宽度与高度，并按要求铺设土工格室替代材料，分层铺筑压实；⑧ 开始第二次离心试验，运行至拓宽路基变形稳定后，再次进行降雨且变形稳定后，结束试验；⑨ 试验完成后，通过开挖模型不同深度土样，测量其含水率。

1.5 传感器率定

试验前对加速度为20g、40g、60g、80g、100g时的孔隙水压力及土压力传感器测量值进行率定，但激光位移传感器不会产生偏移，未做率定，率定结果见表2及图2。

图2 不同加速度时传感器测量值和计算值的对比曲线Fig.2 Comparison curves of sensor measurements and calculated values at different accelerations

表2 不同加速度时传感器测量值和计算值的对比Table 2 Comparison of sensor measurements and calculated values at different accelerations

由表2和图2可知，试验所采用的孔隙水压力与土压力传感器量测值呈线性关系，测量结果稳定，其与计算值吻合度达99%，能够满足试验要求。

2 结果分析

2.1 含水率

2.1.1 典型黄土路基降雨入渗含水率变化

4.2.5 标本放反 在观察细胞形态时，如白细胞分类通常使用油镜观察，但血涂片经染色后，有的学生会把标本反放在载物台上。因为油镜头镜口率较小，需要标本非常接近油镜头，如果放反，物体超出了显微镜工作距离，无论如何也找不到物像。解决方法：（1）发现载玻片放反，直接翻转过来；（2）在制作载玻片时在其一端做标记，防止观察时放反。

图3 黄土路基及其拓宽路基降雨入渗后体积含水率变化Fig.3 Changes in volumetric water content after rainfall infiltration for loess subgrade and its widened subgrade

2） 路基拓宽并经历一次降雨后，随着加速度和土压力逐级增大，TY1～TY5的测量值分别为176、161、74、61、57 kPa。比较黄土路基固结沉降后的土压力和拓宽后的，以及由降雨入渗后的两者土压力可知，即使拓宽后经历了降雨，路基内土压力的变化也不大。

1） 总体上，随着降雨入渗，路基及地基的体积含水率均增大。其中，路基上部、中部的体积含水率变化较大，地基的体积含水率变化较小。其主要原因：地基上面覆盖路基，埋深最大，水分入渗慢，体积含水率变化最小。

在例（5）和（6）中时间词或空间词被省略或被隐含在句子之中不被指出，这些成分可以补充，但没有补充的必要。例（5）中茶果端上来自然是要放在桌几之上的，此时处所词未曾出现，但隐含在以上句子之中；同理例（6）之中，这位年轻的公子按常理必然是从房门而入，众人皆知没有提及的必要，在这个句子之中，存在主体-年轻的公子是突出重点，其他次要元素可以忽略不计。

结合试验结果对水稻的经济性状与产量影响因素进行分析，结果发现对照最高为处理2区，其有效穗数值最高，达到190.8穗/m2，最低为处理5区，即采用常规施肥的对比区；在每穗实粒数方面，处理1区表现最高，可达到313.9粒，而处理3区最低，只有294.8粒。不同施肥处理情况下水稻产量平均值为1.2～1.28kg/m2，其中处理2区最高，采用了脲甲醛缓释肥对水稻产量影响较大，而采用常规施肥处理后的试验5区在水稻产量上位居第4位，超过了木质素缓控释肥处理的处理1区。

磁链观测的精度会直接影响模型预测直接转矩控制系统的性能,为了提高磁链观测的精度,本工作将全阶磁链观测器引入控制系统中.所采用的全阶磁链观测器数学模型[20]如下:

3） 降雨开始到体积含水率稳定时间约为20 d（700 s），表明降雨到路基内部体积含水率相对稳定的时间约为20 d（700 s）。

2.1.2 黄土拓宽路基降雨入渗含水率变化

黄土路基拓宽稳定后，再模拟强降雨，含水率测试点仍为黄土路基原体积含水率测试点。拓宽路基后降雨入渗引起的路基及地基的体积含水率变化情况如图3（b）所示，从图3（b）可以看出：

控制变量是在确定变量后，构思如何操作自变量、控制无关变量、观测因变量。一般需要遵循单一变量原则等实验设计原则，以排除其他因素对实验的影响，只探究自变量和因变量间的相关性，达到预期的实验目的，因此控制变量成为实验设计的关键环节。控制变量的通常思维路径为：先进行实验分组、操作自变量；再设置对照实验，控制无关变量；最后，确定观测因变量的方法。教学中，教师可结合该思维路径，设计问题串引导学生分析，思考如何设置对照实验、控制变量。

2） 模型继续运行260 d（9 000 s）后，即使没再降雨，路基中部含水率仍有增加，增幅为2个百分点，与路基上部36%的体积含水率逐渐接近，表明路基内部含水率在动态调整，逐渐趋向一致，这与文献［10］结论一致。从图3（b）还可以看出，此时路基内部的上部高体积含水率向下部传输，保持动态平衡。与因降雨入渗引起路基体积含水率的变化时间相比，路基内部含水率动态平衡所需的时间更长。

试验完成后，检测模型不同断面含水率，得到黄土拓宽路基质量含水率分布，如图4所示。

1） 拓宽路基稳定后，旧路基内的体积含水率仍保持原体积含水率，路基上、中部以及地基分别为29%、25%、20%。再对拓宽后路基进行模拟降雨，路基上、中部以及地基的体积含水率分别增大到36%、32%、22%，增加幅度分别为7个百分点、7个百分点、2个百分点，远大于黄土路基受同样降雨入渗后的含水率。其主要原因：拓宽处治压实效果远不如原路基压实效果。因此，路基拓宽时，建议采取强夯措施处治，以保证拓宽路基的压实质量。

图4 试验后开挖测试得到的断面质量含水率分布Fig.4 Distribution of cross-sectional mass water content obtained by the excavation test after the test

从图4可以看出，模型试验结束后，路基及地基含水率呈自上向下逐渐递减的规律，路基顶面的质量含水率最大达24%，路基中部的质量含水率为21%，受路基覆盖的地基的质量含水率为15%～16%（在该典型黄土的塑限附近）。

2.2 土压力变化

黄土路基降雨入渗以及固结沉降过程的土压力变化情况如图5（a）所示，在后降雨入渗以及固结沉降过程中，路基内的土压力变化情况如图5（b）所示。

基于此目标函数，配电网重构是为了使网损尽可能小，即求解目标函数最小值。但评价个体时一般用其适应度函数，习惯将算法优化方向对应适应度值增加方向，所以选择将目标函数的倒数作为适应度函数，考虑到不可行解，因此个体适应度函数确定为：

图5 黄土路基及其拓宽路基土压力随时间变化关系曲线Fig.5 Relation curves of earth pressure changing with time for loess subgrade and its widened subgrade

从图5可以看出：

1） 随着加速度的逐级增大，土压力也逐级增大.当加速度为50g时，TY1～TY5的测量值分别为149、128、29、45、15 kPa；随着降雨入渗，土压力有所波动，但其总体在增大，三次降雨结束后，土压力分别为165、153、40、64、30 kPa。

从图3（a）可以看出：

2.3 变形

2.3.1 典型黄土路基降雨入渗变形

我回答道：“刚来一年，我特别喜欢看教育方面的东西，我现在专科已经毕业了，将来想当一名小学老师，我很想学习这方面的知识，但不知道怎么下手。”

典型黄土路基变形随时间的变化曲线如图6所示。

图6 典型黄土路基降雨入渗变形情况Fig.6 Rainfall infiltration deformation of typical loess subgrade

从图6可以看出：

1） 随着加速度的逐级增大，沉降变形量逐渐增大，水平位移LDS3的变形量也逐渐增大；当加速度为50g运行至变形趋于稳定时，LDS1、LDS2和LDS4的沉降值分别为1.41、1.27、-0.44 mm（转化后的原型值分别为70.5、63.5、-22.0 mm，负值表示隆起），水平位移LDS3为0.45 mm（转化后的原型值为22.5 mm），黄土路基固结沉降过程中，路基顶面中部位置沉降量最大达70.5 mm。

模型试验取山西某改扩建高速公路沿线的典型黄土作为填料，通过室内重型击实、界限含水率、固结及渗透等试验，获得重塑黄土基本物理性质的结果见表1。

分析三次降雨入渗后对典型黄土路基变形影响情况，变形增量见表3。由表3可知，路基顶面中间位置随降雨次数增加，沉降变形量减少，由第一次降雨后的增量0.38 mm（相当于增加19 mm），降为第三次降雨后增量仅为0.11 mm（相当于增加6 mm）。

表3 降雨入渗次数与路基变形增量Table 3 Rainfall infiltration times and subgrade deformation increment mm

2.3.2 黄土拓宽路基降雨入渗变形

黄土路基拓宽后再经历降雨入渗后路基变形随时间的变化规律如图7所示。黄土路基拓宽后降雨入渗对路基变形的影响见表4。

图7 黄土拓宽路基变形随时间变化关系曲线Fig.7 Relation curves of deformation changing with time for loess widened subgrade

表4 黄土路基拓宽后降雨入渗对路基变形影响Table 4 Influence of rainfall infiltration on subgrade deformation after loess subgrade widening mm

由图7和表4，可得出以下结论：

黄土路基拓宽后，最大沉降变形为路基顶面肩部位置，而不是路基顶面中部位置。黄土路基路堤中心和拓宽路基路肩处的沉降差为1.28 mm（转化后的原型值为64 mm）；水平位移LDS3为1.71 mm（转化后的原型值为85.5 mm），即路基边坡中部内陷85.5 mm；LDS4为1.83 mm（转化后的原型值为91.5 mm），说明路基坡脚位置向上隆起91.5 mm。其原因是新拓宽路基整体产生向下滑移的趋势，引起路肩下滑，路基边坡内陷，地基底部向上隆起等变形情况。

“我倒是喜欢这么想：讨厌他们其实是帮了他们大忙，我是想提醒他们，他们并不是什么上帝的宠儿，别整天扬扬得意，不知天高地厚。”

离心试验结束后，黄土拓宽路基受降雨影响后的变形规律如图8所示。从图8可以看出，由于下滑，拓宽路基的顶部从搭接位置开始发生纵向裂缝，同时在靠近路基坡脚位置地基向上隆起，引起地基开裂现象。这也进一步印证了2021年10月份山西省连续强降雨引起晋南地区大量黄土路基边坡局部滑塌病害的原因。因此，为防止因强降雨而引起该灾害的发生，应在黄土路基边坡采取种植灌木或者生态草皮等固结边坡土体的主动防护措施。而针对黄土拓宽路基，还应在坡脚采取反压措施，减少拓宽路基的侧滑趋势，有效控制差异沉降及裂缝病害。

采用SPSS22.0进行数据处理。卡方用以检验计数资料，t值用以检验计量资料，组间差异以P＜0.05具有统计学意义。

图8 离心试验结束模型变形情况Fig.8 Model deformation at the end of centrifuge test

本研究采用的黄土拓宽路基模拟措施，参考了实体工程的实施结果。为研究其变形规律，采取降低压实度和加强降雨量两个措施。从模型试验结果发现，拓宽路基差异沉降路拱横坡度的增大值为0.8%，较规范［10］要求的大。

3 结论

通过对黄土路基以及拓宽路基进行降雨入渗离心模型试验，得到以下结论：

1） 黄土路基受降雨入渗影响，路基顶面中部位置的沉降变形最大，路肩位置的变形较小；黄土拓宽路基受降雨入渗影响，路基顶面肩部位置的沉降变形最大。与未拓宽黄土路基相比，拓宽路基边坡中部内陷变形较大，拓宽路基坡脚位置隆起变形显著，引起整体侧滑。为减少黄土拓宽路基的侧滑，建议应在路基坡脚地基处采取反压措施，同时边坡采用柔性主动防护，减少强降雨引起的边坡坍塌和路基与地基裂缝病害。

2） 黄土路基受降雨入渗后，路基内部含水率逐渐增大，随着降雨次数增加，含水率增加幅度降低。黄土路基内部含水率存在动态平衡，一般动态平衡需260 d（9 000 s）左右，但受季节影响，动态平衡时间会有一定波动。

总之，中学教学合作学习的运用实践是培养学生合作能力的需要，也是提升学生社会适应性的需要。中学教师要从全体学生素质发展的高度，积极探索合作学习的模式，结合中学阶段的教学内容，贴近学情，贴近学生生活，切实有效地提升教学实效性。

3） 在降雨入渗作用下，无论是对黄土路基，还是拓宽路基，其内部土压力无较大影响。

4） 在降低压实度、增加降水量的情况下，黄土拓宽路基的差异沉降导致路拱横坡度增大0.8%，大于规范［10］设计细则的要求。