内蒙古地区沙漠广布，“十四五”规划以来，内蒙古自治区交通基础建设需求不断扩大，沙漠地区路基填料匮乏成为亟待解决的难题。根据“就地取材”和“绿色发展”原则，选用在沙漠地区储量丰富、成本低廉的风积沙作为路基填料成为解决这一问题的关键[1]。风积沙具有颗粒均匀、持水能力差、抗剪强度低等特点，受内蒙古地区干旱、半干旱气候影响，其天然含水率较低。近年来，全球气候变暖导致内蒙古自治区境内暴雨事件发生频率和强度均呈上升的趋势。降雨事件的出现改变了风积沙路基内部的湿度场，降雨结束后，环境温度上升导致了路基内部的水分蒸发。在强降雨和温度影响下，土体含水率和孔隙水压力的大幅度、快速改变显著影响路基的强度和变形，极易发生病害或破坏，如翻浆冒泥、路基沉降、滑坡等。目前，已经有大量学者开展了关于降雨和温度影响下路基/边坡用非饱和土水力特性的研究。研究结果表明，降雨和温度影响下的路基水力特性的变化是一个多因素耦合的动态过程。主要的影响因素可以归结为2个方面，一个是路基本身的特点，如路面结构[2-3]、路基材料[4-5]、深度[6-8]等。另一方面是外部环境因素，如降雨量[8-9]、降雨强度[5-6, 10]、温度[11-12]等。LIU等[5]通过室内模型试验对不同降雨强度下的土质边坡含水率进行监测，结果显示，高强度降雨将导致边坡含水率在短时间内大幅度上升至稳定最大含水率。ZHANG等[12]基于土柱试验结果提出，在表面热辐射作用下，路基土的水分蒸发散失使得表层含水率降低。上述研究大多是针对粉土、黏土类等路基展开的，且多以单一降水或蒸发事件为主。对于风积沙路基土在降雨入渗-蒸发条件下的水力行为的研究相对较少。并且，模拟强降雨和高温天气引起的路基含水率快速、大幅度变化对风积沙路基土水力特性的影响，对于研究沙漠地区铁路、公路路基在强降雨和高温天气下的变形规律及机理分析，具有十分重要的现实意义。基于此，本文以内蒙古某沙漠地区风积沙路基为研究对象，结合内蒙古中部地区气候特征，通过数值模拟方法对风积沙路基在强降雨-高温条件下的水力行为进行分析，探讨不同降雨类型和多次降雨-蒸发(干湿循环)对风积沙路基非饱和状态和稳定性的影响。
1 风积沙路基水力行为分析
1.1 风积沙的水力特性
风积沙主要由岩屑、长石和石英3种矿物颗粒组成。图1展示了毛乌素风积沙[13]与其他路基土[4]的级配曲线。风积沙路基土粒径分布均匀单一，集中于0.075～0.25 mm之间，占整体沙样的70.22%，属于细砂。与一般路基土相比，风积沙路基土中细粒(粒径<0.075 mm)含量极少，仅为4.96%。
根据MAO等[4]提出的不同土壤性质(低液限黏土、粉土和细砂)对路基内部水分迁移的影响，可以认为，由于风积沙颗粒(细砂)比一般路基土更大，细粒含量低，使得其孔隙体积更高，导水率远高于其他路基土。因此，在相同降雨条件下，风积沙路基具有更快的入渗速率和更大的降雨入渗深度。
土水特征曲线(SWCC)是描述非饱和土的含水率与基质吸力之间关系的基础本构关系曲线，能够反映非饱和路基土持水性能、渗透特性以及抗剪强度等众多工程性质。采用Van Genuchten模型[14](下文简称VG模型)对不同路基土的土水特征曲线进行拟合，VG模型表达式如下：
式中：
如图2所示[13,16-17]，在相同基质吸力下，风积沙的体积含水率远低于其他路基土，说明风积沙的持水能力较差，这是由风积沙的颗粒尺寸、级配和孔隙结构决定的。同时，结合表1拟合参数所代表的实际意义分析可知：由于风积沙颗粒组成比较单一、大孔隙占比较高，因此风积沙的饱和体积含水率和进气值较小，土水特征曲线过渡段的脱水速率较大。这意味着，当风积沙路基的含水率受强降雨影响在短时间内快速增大时，其基质吸力会迅速下降，甚至消失。降雨结束后，温度上升导致风积沙路基土中的水分向外部环境迁移，表层土体中的水分在蒸发作用下迅速散失，基质吸力随之升高。
| 土样 |  |  |  |  |  |  |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 细砂 | 0.021 | 0.223 | 1.304 | 1.56 | 0.36 | 0.96 |
| 黄土 | 0.179 | 0.339 | 0.013 | 1.36 | 0.26 | 0.99 |
| 含砂黏质土 | 0.224 | 0.503 | 0.079 | 1.59 | 0.37 | 0.98 |
1.2 强降雨-高温天气对风积沙路基水力行为的影响
降雨入渗和蒸发是路基土含水率随降雨和蒸发时间变化的饱和-非饱和动态过程。路基土的入渗能力是决定降雨入渗对路基水力行为影响的重要参数，由土体性质和降雨条件二者共同控制。在降雨初期，由于风积沙路基天然含水率低，其入渗能力一般大于降雨强度，此时降雨入渗过程受降雨强度的控制，即雨水全部入渗。对于强降雨情况，单位时间内水分入渗量高，风积沙路基体积含水率快速上升，土体入渗能力下降，阻碍雨水的进一步入渗[18]。随着降雨过程的持续进行，风积沙路基的入渗能力不断下降直至低于降雨强度，此时路基表面产生积水并逐渐形成地表径流，入渗深度持续增加。当路基含水率达到饱和时，入渗速率即为风积沙的饱和渗透系数
降雨结束后，受外部环境温度变化的影响，风积沙路基上部温度上升，水分在表面热辐射作用下转化为气态水蒸发散失，路基表层含水率下降。而路基底部温度变化受环境温度变化影响较小，其温度增长幅度远低于路基表层，含水率无显著变化。
近年来，强降雨事件发生的频率增加，外部气候环境对风积沙路基水力特性的影响为一个降雨入渗-蒸发多次循环的复杂过程。蒸发作用改变了土体孔隙中水分的赋存形态和分布，土水特征曲线向右下方偏移，风积沙路基的饱和体积含水率降低[15]。此时若出现降雨，路基将更易达到饱和状态。
由此可见，强降雨-高温天气对路基水力行为的影响是一个多因素耦合的动态过程，随着降雨和蒸发过程的不断推进，路基土本身的水力特性发生改变，进而影响风积沙路基土的强度和变形特性。
2 数值模拟
基于上述强降雨-高温天气对风积沙路基土水力行为影响的分析，以内蒙古某沙漠地区风积沙路基为例，参考内蒙古中部地区的降雨和高温天气特征，通过COMSOL软件建立了风积沙路基的有限元模型，基于Richards方程和强度折减法实现了风积沙路基在降雨条件下的非饱和渗流过程模拟和干湿循环过程中的稳定性计算，探讨了不同降雨类型和多次强降雨-高温事件(干湿循环)对路基水力行为和稳定性的影响。
2.1 计算工况
内蒙古中部地区属于温带干旱、半干旱大陆性季风气候，最热月集中于7月中下旬，5―7月蒸发量占全年蒸发量50%以上[20]，汛期主要为5―9月，尤其以7月下旬至8月中旬为强降雨事件的高发期。这一时期的降雨事件具有降雨强度大、降雨历时短、发生频率高、间隔时间短[21-23]的特点。由此可见，强降雨和高温天气事件在短时间内呈现出多次交替出现的规律。
为了探讨强降雨和高温天气对风积沙路基水力行为的影响，依据内蒙古中部实际降雨和蒸发情况，建立了考虑降雨类型和干湿循环次数影响的数值模型。此次降雨事件发生于2022年8月13日21时―14日3时，降水总量达到98.1 mm，降雨历时7 h，最大小时降雨量为34.1 mm/h，为暴雨级别。图3显示了此次降雨事件降水量随时间的变化。蒸发量参考同月份平均日蒸发量，取3.9 mm/d[24]。
基于上述实际降雨量和蒸发强度设计模拟工况，如表2所示。按照降雨总量相同但降雨强度不同设计连续降雨(R1)和短时强降雨(R2)2种降雨类型。其中，连续降雨工况为24 h持续降雨，降雨强度为4.67 mm/h；短时强降雨工况的降雨强度与实际降雨情况一致。根据降雨事件间隔时间和发生频率[22-23]，设计降雨结束后的蒸发时长为72 h，降雨-蒸发循环次数为3次。不同干湿循环(降雨-蒸发)次数(1次和3次)被表示为N1和N3。如表2所示，工况“R1-N3”是指降雨类型为连续降雨，干湿循环3次。图4展示了不同降雨类型和循环次数下，降雨强度和蒸发强度随时间的变化。
| 工况 | 最大降雨强 度/(mm∙h-1) | 降雨工况时长/h | 蒸发强度/(mm∙h-1) | 蒸发工况时长/h |
|---|---|---|---|---|
| R1-N1 | 4.67 | 24 | 0.16 | 72 |
| R1-N3 | ||||
| R2-N1 | 34.10 | |||
| R2-N3 |
2.2 材料参数
根据文献调研，获得风积沙路基填料和地基土的各项物理力学参数和饱和渗透系数，如表3所示[6, 25-30]。研究假定路基各层都由均质、各向同性的弹塑性材料组成，各层结构之间的接触完全连续。
| 材料 | 密度/(g∙cm-3) | 弹性模量/MPa | 泊松比 | 黏聚力/kPa | 内摩擦角/(°) | 饱和渗透系数/(m∙h-1) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A组填料 | 2.41 | 49 | 0.3 | 15.2 | 41.7 | 1.260 |
| B组填料 | 1.95 | 45 | 0.3 | 14.5 | 39.4 | 0.120 |
| 风积沙 | 1.70 | 30 | 0.3 | 1 | 45.6 | 0.070 |
| 粉细砂 | 1.77 | 23 | 0.3 | 3 | 33.0 | 0.120 |
| 砂质黄土 | 1.80 | 30 | 0.3 | 29 | 31.0 | 0.003 |
2.3 几何条件与边界条件
依据内蒙古沙漠地区某路基横断面[6]，选取半幅路基，按照二维有限元模型进行强降雨-蒸发条件下的风积沙路基土渗流场的数值模拟计算。模型尺寸和地下水位设置见图5(a)。在模型边界条件中，路基和地基两侧约束水平位移，底部约束竖向和横向位移；在饱和-非饱和计算过程中，根据降雨速率和蒸发速率将路基表面和地表设为单位流量边界q(m/h)，其他为不排水边界；地下水位以下设置沿深度分布的孔隙水压。为便于分析风积沙层的水力特性，建立垂直坡面的坐标轴AZ，令其为深度方向，如图5(b)所示。
3 结果和讨论
3.1 初始状态
按照地下水位对风积沙路基进行初始体积含水率和初始孔隙水压力计算，分布情况如图6所示。
3.2 降雨类型对入渗深度的影响
为探究降雨类型对入渗深度的影响，图7和图8分别绘制了连续降雨条件和短时强降雨条件下，不同时刻风积沙路基孔隙水压力和体积含水率随深度的分布。在降雨过程中，体积含水率增加，负孔隙水压力随之减小，表层风积沙受降雨影响最为显著。
以孔隙水压力无显著变化(与初始孔隙水压力差值小于10 kPa)的深度定义为最大入渗深度。24 h后，连续降雨条件下，雨水的入渗深度(5.65 m)显著高于短时强降雨条件下的入渗深度(3.29 m)，这是由风积沙的渗透能力决定的。短时强降雨在单位时间内的降雨量远高于土体入渗能力，边坡表面形成径流，导致其降雨入渗量低于连续降雨工况，故而入渗深度偏小。降雨后期，降雨强度逐渐减弱，直至低于风积沙路基的入渗能力。此时，路基内水分的再分布过程成为决定风积沙路基含水率的主要因素，雨水在重力势作用下向下层入渗，导致入渗深度持续增加，表层风积沙负孔隙水压力明显增大。
3.3 降雨类型对风积沙路基水力行为的影响
不同降雨类型下，风积沙层不同深度的孔隙水压力和体积含水率随时间的变化曲线如图9所示。
不同降雨类型下，风积沙路基表层的孔隙水压力和体积含水率均对应于降雨量的改变而急剧变化。连续降雨与短时强降雨条件下，路基表层孔隙水压力变化量分别为48.98 kPa和27.32 kPa。分析认为，连续降雨的累计入渗量高于短时强降雨，因此其含水率和孔隙水压力变化幅度更高。
对不同深度的孔隙水压力随降雨时间的变化进行分析，可以得知，相较于降雨强度减小的时间，表层孔隙水压的响应表现出一定的滞后性。这是由入渗能力与降雨强度的关系决定的。降雨强度减小初期，降雨强度仍高于风积沙的入渗能力，因此负孔隙水压力在此阶段呈现缓慢降低的趋势。随着路基深度的增加，水力行为变化的滞后性逐渐增强。路基中部的孔隙水压力在降雨结束后0.6～5.3 h内达到峰值，这是由于降雨过后路基上层水分在重力势作用下向下迁移，造成了下层体积含水率增加，负孔隙水压力随之减小。
3.4 干湿循环对风积沙路基水力特性的影响
在多次干湿循环作用下，风积沙层不同深度的孔隙水压力和体积含水率随时间的变化曲线如图10所示。降雨导致风积沙路基体积含水率上升，负孔隙水压力随之降低。降雨结束后，风积沙路基表层的水分在蒸发作用下散失，体积含水率下降。路基底部受表面热辐射影响较小，含水率受路基内部水分重分布影响呈上升趋势。随着蒸发过程的持续进行，其影响范围逐渐扩大，路基中部含水率降低，其水分蒸发速率小于路基表层。由此可见，降雨和温度对路基水力行为的影响程度在不同深度处存在差异：边坡表面含水率和孔隙水压力受强降雨和高温天气的影响最为显著，随着深度的增加，强降雨和高温的影响逐渐减弱，并伴随着滞后现象。这一模拟结果呈现的规律与李爱国等[8]报告的对人工边坡吸力的监测结论是一致的。
相较于初始孔隙水压力，3次循环结束后，连续降雨和短时强降雨条件下风积沙路基表层的负孔隙水压力分别减小3.80 kPa和1.84 kPa。产生上述现象的原因可由风积沙土水特征曲线加以解释。如图11所示，在降雨或蒸发过程中，风积沙路基并未达到饱和或干燥状态，因此在多次干湿循环中，土体的基质吸力随着含水率的改变沿主曲线内部的扫描曲线变化。因此，不同干湿循环次数下，同一含水率所对应的基质吸力值不同。由于风积沙路基土的主曲线与扫描曲线差异较小，因此循环次数对于路基孔隙水压力的影响程度不大。近年来，强降雨和高温等天气事件发生频率和强度呈上升趋势，将会导致风积沙路基的体积含水率和孔隙水压力变化幅度增加。
4 讨论
为进一步分析强降雨-高温循环对风积沙路基边坡稳定性的影响规律，采用强度折减法(式(2)，式(3))，计算得到不同时刻风积沙路基的安全系数，如图12所示。连续降雨条件下，路基最小安全系数为1.309，相较于路基初始状态，其衰减幅度为4.80%；短时强降雨条件下，路基最小安全系数为1.316，衰减幅度为4.28%。在降雨入渗、水分迁移和地下水位的共同影响下，坡脚处体积含水率显著高于风积沙路基平均体积含水率。体积含水率上升导致风积沙抗剪强度下降，坡脚处产生位移，即局部变形，从而导致风积沙路基稳边坡定性下降。相较于短时强降雨，连续降雨条件下的降雨入渗量更高，路基体积含水率和变形量更大，因此连续降雨条件下的路基边坡稳定性更低。蒸发过程中，体积含水率逐渐降低，风积沙路基安全系数上升。由于坡脚处产生了不可恢复的塑性变形，因此路基边坡安全系数无法恢复至初始值。
式中：
随着干湿循环次数增加，风积沙路基边坡稳定性呈下降趋势。3次循环结束后，连续降雨和短时强降雨条件下的风积沙路基安全系数衰减幅度分别为3.35%和2.55%。相比于短时强降雨-蒸发工况，连续降雨-蒸发工况下风积沙路基的体积含水率和变形量更高，因此其稳定性更低。
降雨导致风积沙路基含水率上升，风积沙抗剪强度随之下降从而引发路基坡脚处位移量增加，导致路基边坡安全系数降低。在多次干湿循环作用下，风积沙路基坡脚处累积塑性变形增加导致路基边坡安全系数呈下降趋势。在长期干湿循环作用下，塑性区不断发展，路基边坡安全系数持续下降。为深入分析干湿循环对风积沙路基边坡稳定性的影响机理，未来将基于风积沙材料的抗剪强度随含水率的变化规律，进一步探讨强降雨和高温对风积沙路基稳定性的影响。
5 结论
1) 在降雨初期，由于风积沙路基天然含水率低，其入渗能力一般大于降雨强度，此时降雨入渗过程受降雨强度的控制，即雨水全部入渗，入渗率等于降雨强度。随着降雨持续进行，路基的入渗能力不断降低，当路基表层含水率接近饱和时，入渗速率取决于风积沙的饱和渗透系数。
2) 对于总降雨量相同(98.1 mm)而降雨类型不同的情况，与降雨历时为7 h的短时强降雨相比，降雨历时为24 h的连续降雨条件下的累计降雨入渗量更高，路基的孔隙水压力和体积含水率变化幅度更大，降雨入渗深度更大。连续降雨和短时强降雨条件下，风积沙路基的降雨入渗深度分别为5.65 m和3.29 m。
3) 降雨导致风积沙路基的体积含水率上升，负孔隙水压力随之下降，高温蒸发对路基水力行为的影响规律则与之相反。强降雨和高温天气对于风积沙路基水力行为的影响随着路基深度的增加而逐渐减弱，且滞后性逐渐增强。
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