季節(jié)性凍土區(qū)風積土結(jié)構(gòu)性和滲透的研究現(xiàn)狀

李剛

摘要：風積土在我國分布范圍較廣，其具有顯著的結(jié)構(gòu)性，在溫度、應力和滲流作用下，路基常有凍脹、融沉、強度降低等病害發(fā)生，路基填料結(jié)構(gòu)性的損傷與演變是根本原因，給基礎建設造成嚴重經(jīng)濟損失。本論文闡述我國西部高緯度和北方地區(qū)風積土，在季節(jié)性凍脹、應力和滲流耦合作用下，風積土路基填料結(jié)構(gòu)性的研究現(xiàn)狀。

【關鍵詞】路基；結(jié)構(gòu)性；凍融；滲流

我國在西部大開發(fā)戰(zhàn)略中，凍土（尤其是多年凍土）問題已經(jīng)嚴重影響了公路、鐵路、機場等基本建設，為此中國科學院蘭州寒旱區(qū)研究所凍土工程國家重點實驗室進行了大量并卓有成效的研究工作。在我國路網(wǎng)規(guī)劃建設中，高速公路、高速鐵路和城市地鐵等都會遇到凍土這一技術難題。但與西部大開發(fā)不同的是東北的大部分地區(qū)屬于季節(jié)凍土區(qū)風積土的范疇，風積土是指在干旱的氣候條件下，巖石的風化碎屑物被風吹揚，搬運一段距離后，在有利的條件下堆積起來的一類土。

1.季節(jié)性凍土區(qū)風積土結(jié)構(gòu)性的研究現(xiàn)狀

1.1季節(jié)性凍土區(qū)風積土結(jié)構(gòu)性研究方法國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

土的結(jié)構(gòu)性是指它們之間形狀、空隙大小、聯(lián)結(jié)和排列組合以及土顆粒以及土中顆粒合體等一系列綜合特征。根據(jù)近期研究數(shù)據(jù)不難看出，土體的宏觀力學性質(zhì)直接與其結(jié)構(gòu)性有關。由內(nèi)因來看，在滲透系數(shù)、各向異性以及固結(jié)系數(shù)等方面，土體的初始結(jié)構(gòu)性會導致其出現(xiàn)一定差異性；由外因來看，就應力的路徑、水平、作用過程以及凍融循環(huán)等方面，可以對形成此生結(jié)構(gòu)以及自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，使即使同一種土，當形態(tài)不同的情況下都有可能出現(xiàn)不同的力學性質(zhì)。土的應力-應變關系、孔隙水壓力-應變曲線和固結(jié)曲線等都與土的結(jié)構(gòu)性有明顯的關系。因此，對于工程力學性質(zhì)來說，土的結(jié)構(gòu)具有很大影響。由于各地區(qū)的土質(zhì)都不同，因此對于力學性質(zhì)的影響也不盡相同，因此，土體結(jié)構(gòu)性的研究離不開具體的工程地質(zhì)環(huán)境、氣候條件和工程條件。

1973年，N.K.Tovey采用微觀圖象定量分析系統(tǒng)來研究定量描述微結(jié)構(gòu)形態(tài)諸要素的方法。同時，O.Hideki和R.N.Yong等人對土微結(jié)構(gòu)的變化進行了力學模擬。近些年來，CT技術等也參與到土的結(jié)構(gòu)性的研究。隨著先進技術的應用，土的微觀結(jié)構(gòu)研究更加深入，土體的結(jié)構(gòu)性參數(shù)概念逐漸被提出，直接聯(lián)系著土的物理性質(zhì)、工程性質(zhì)以及力學性質(zhì)等。

1.2季節(jié)性凍土區(qū)風積土結(jié)構(gòu)性對土體力學性質(zhì)影響的研究現(xiàn)狀

在對非飽和黃土以及結(jié)構(gòu)性黏土等進行試驗后，將結(jié)構(gòu)性黏土的堆砌體模型進行了提出，同時對結(jié)構(gòu)性黏土可利用電競技術進行剪切，對其周圍土體的微觀結(jié)構(gòu)進行了相關總結(jié)與分析；謝定義、齊吉琳等人將描述土結(jié)構(gòu)性的綜合結(jié)構(gòu)式以及定量化參數(shù)進行提出，同時對土體變形、強度以及綜合結(jié)構(gòu)式之間的關系進行了研究；將架構(gòu)性土體的損傷全過程以及損傷特性運用斷裂力學以及損傷力學等理論等，同時將相應的耦合解以及數(shù)學模型建立起來；陳云敏等人利用共振柱儀和動三軸儀對粉土和粉砂的動力特性進行了試驗研究，提出利用剪切波速來反映重塑樣與原位土的結(jié)構(gòu)性差異；以及結(jié)構(gòu)性對土的固結(jié)變形、微觀變形、卸載體縮現(xiàn)象和機理的研究等。

1.3 季節(jié)性凍土區(qū)風積土結(jié)構(gòu)性對土體物理性質(zhì)影響的研究現(xiàn)狀

在不同壓力下，龔曉南等人進行了重塑土以及原狀土的相關滲透試驗，對黏土結(jié)構(gòu)性對于滲透性的影響進行了研究；通過圖像A.Dathe，S. Eins，J. Niemeyer等人對土體內(nèi)在空隙的分形維數(shù)進行了分析，同時將溶質(zhì)運移以及分形維數(shù)的關系進行建立；A.J.VandenBygaart，C.A.Fox，H.L.Kristensen等人研究了氮、蚯蚓等對土壤結(jié)構(gòu)性的影響；由于對粒間吸力的認識是非飽和土有效應力及變形、強度特性研究的基礎，根據(jù)粒間吸力各組成部分的土粒間吸力的測試原理和方法，對紅粘土的粒間吸力進行了試驗研究；張保華等采用平均結(jié)構(gòu)直徑和結(jié)構(gòu)分形特征進行評價，并研究了土壤滲透性、持水性等水分特性。

1.4季節(jié)性凍土區(qū)風積土結(jié)構(gòu)性對土體工程性質(zhì)影響

T.A.Dijkstra對黃土的對土體滑坡以及結(jié)構(gòu)性的影響；徐永福等人對結(jié)構(gòu)性軟土中，軟土的彈塑性性質(zhì)以及打樁引起的超孔隙壓力及其具體的分布情況進行研究；郝玉龍、王立忠等人將軟土結(jié)構(gòu)性的地基沉降計算方式進行考慮并提出；陳云敏，王軍等以工程實踐以及軟土的結(jié)構(gòu)性試驗為基礎，將兩段式簡化模型進行提出，將一維固結(jié)模型進行設計，同時將一維固結(jié)計算公式進行提出，對其產(chǎn)生影響的因素進行分析；另外，還對含結(jié)構(gòu)性土的土工結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性進行了分析。

綜上所述，季節(jié)性凍土區(qū)風積土存在結(jié)構(gòu)性，且差異較大，對力學、物理及工程性質(zhì)產(chǎn)生不同程度的影響。

2.滲流對路基填土性質(zhì)的影響

近些年來，滲流對路基填土性質(zhì)的影響也引起國內(nèi)外學者的高度重視，它不僅會影響土體中土水的相互作用，還會影響凍土區(qū)路基的溫度場。滲流場和溫度場的耦合作用，會直接影響路基填料的力學性質(zhì)。對于那些多年凍土地區(qū)，在修筑路堤后可能會出現(xiàn)夏季路邊坡積水的情況，在路堤及其下壤在進行滲流的過程中，因為會出現(xiàn)對流換熱，因此必然會在很大程度上影響路堤基地的穩(wěn)定；王瑞剛等研究出了一個滲流使用模型，是建立在降雨作用下非飽和土高填土路堤上的，考慮不同的降雨入滲深度對非飽和土路堤穩(wěn)定的影響；吳紫汪等在滲流理論及傳熱學盧綸的基礎上，將在地表出現(xiàn)積水下滲的情況下，基于滲流場耦合作用以及路基溫度場的作用下，將控制微分方程進行導出；吳世余針對下為砂層、上為粘性土覆蓋層雙層堤基的非穩(wěn)定滲流情況，研究了砂層和覆蓋層因體積脹縮、水動延滯所引起的水頭滯后，對于某些特殊的土質(zhì)條件，導出了解析解；土體的抗剪強度是土體的主要強度指標之一，當土體中存在滲流情況時，在水流物力、化學、力學的共同作用下，土體的抗剪強度會隨之發(fā)生變化，柴軍瑞等人將各種情況下，滲流作用對土體的有效應力、切向力以及抗剪強度指標等在滲流作用下產(chǎn)生的影響，最終得出了土體抗剪輕度在滲流作用下的表達時；朱文彬，劉寶琛院士等人基于飽和-非飽和的滲流理論，分析了降雨時的滲流規(guī)律。

綜上所述，滲流會對路基穩(wěn)定性產(chǎn)生十分重要的影響，研究路基土結(jié)構(gòu)性應當考慮滲流場的影響。

3.結(jié)束語

在我國北方地區(qū)，一年中近四分之一處于凍融情況。對于路基、機場跑道等土工構(gòu)造物來說，受到非穩(wěn)定（動態(tài)）應力場、溫度場和水分場的共同作用，更表現(xiàn)出明顯的結(jié)構(gòu)性。同時，一些地區(qū)由于地下水流作用（滲流場），對地表土工構(gòu)造物的破壞也越來越嚴重。在相關課題的研究過程中發(fā)現(xiàn)，凍融和滲流對土體結(jié)構(gòu)性的影響是不可忽視的，某些情況下由此產(chǎn)生的土體次生結(jié)構(gòu)會成為土體結(jié)構(gòu)性的主導因素，對土體的宏觀力學性質(zhì)將產(chǎn)生很大的影響。綜上所述，在我國北方的廣大地區(qū)路基填料結(jié)構(gòu)性的研究應包括初始結(jié)構(gòu)性、季節(jié)性凍融過程（溫度場）、動態(tài)應力場對結(jié)構(gòu)性的影響，同時還應考慮滲流場的影響。對土體結(jié)構(gòu)性的研究涉及到凍融環(huán)境和滲流的影響，而凍融和滲流又是解決季節(jié)凍土區(qū)路基穩(wěn)定和病害的關鍵問題。

【參考文獻】

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