季節(jié)凍融條件下新型筏板地基承載特性的模型試驗(yàn)研究及數(shù)值分析*

趙 影 毛雪松 張騰達(dá) 唐 可 黃萬(wàn)俊

(①長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 西安 710086， 中國(guó))

(②濟(jì)南城建集團(tuán)有限公司， 濟(jì)南 250000， 中國(guó))

0 引 言

在島狀凍土地區(qū)，季凍層融化及凍土整體退化時(shí)，土體內(nèi)部冰膠體的融化導(dǎo)致含水率急速增大，地基承載力也會(huì)迅速衰減。在自重作用下，季節(jié)活動(dòng)層將融化的水分?jǐn)D出，土體顆粒擠密的同時(shí)地基中產(chǎn)生較大的沉降量(Цытович， 1985； 姚曉亮， 2010； 駱斌斌， 2013)。因此，季節(jié)活動(dòng)層凍融壓縮和多年凍土層不均勻融化將會(huì)導(dǎo)致路基的不均勻變形(李金平等， 2015； 彭惠等， 2015； 李金平， 2016)。加之路基特殊的結(jié)構(gòu)形式，路基、路面自重與行車(chē)荷載作用傳遞到地基表面的應(yīng)力呈中間大兩邊小的梯形形狀，地基應(yīng)力的不均勻分布也將導(dǎo)致路基出現(xiàn)不均勻變形現(xiàn)象。

現(xiàn)有研究表明，筏板基礎(chǔ)可以有效地緩解地基不均勻沉降現(xiàn)象，多用于高層建筑領(lǐng)域或地基承載力較差的地區(qū)(黃熙齡， 2002； 宮劍飛等， 2014； 劉朋輝， 2017； 李培等， 2018)。最初Meyerhof(1953)對(duì)基礎(chǔ)與地基的相互作用進(jìn)行了首次闡述。對(duì)于剛性筏板基礎(chǔ)，在外部荷載作用下，筏板在調(diào)節(jié)地基差異沉降的同時(shí)，使應(yīng)力向筏板兩側(cè)集中，造成邊緣地基反力大于筏板中部，呈“馬鞍形”分布； 對(duì)于柔性筏板基礎(chǔ)，筏板中心地基反力較大，呈“盆形”分布(Hain et al.，1974； 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組， 1999； 石金龍等， 2010)。上述現(xiàn)象均是由于筏板結(jié)構(gòu)將應(yīng)力向筏板邊緣及角部轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到減小差異沉降的結(jié)果(劉冬林等， 2007； 劉朋輝， 2018)。筏板基礎(chǔ)沉降及基底反力的分布與上部結(jié)構(gòu)形式及剛度密切相關(guān)(Small， 2010； Zhao et al.，2011)。干騰君等(2006)考慮了上部結(jié)構(gòu)共同作用，利用有限元和邊界元耦合方法對(duì)筏板基礎(chǔ)受力及變形特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)隨著上部結(jié)構(gòu)荷載的增大，筏板基礎(chǔ)撓曲線性增加，差異沉降增大?？蚣?筏板-基礎(chǔ)的協(xié)同作用也影響著結(jié)構(gòu)內(nèi)力及整體沉降(王小平， 2016； 張艷， 2016)。隨著筏板基礎(chǔ)的發(fā)展，多配合樁對(duì)承載力較低的地基進(jìn)行治理，樁與筏板的相互作用使樁筏系統(tǒng)承載特性得到優(yōu)化，同時(shí)可以減小地基不均勻沉降(Horikoshi et al.，1998; Katzenbach et al.，2000; Park et al.，2015)。上述研究發(fā)現(xiàn)，筏板基礎(chǔ)或樁筏地基在提高地基承載力的同時(shí)，緩解了地基的差異沉降現(xiàn)象，且多用于建筑領(lǐng)域，而在道路上的應(yīng)用研究較少。

為了緩解島狀凍土地區(qū)由季節(jié)凍融導(dǎo)致的地基的不均勻沉降現(xiàn)象，本文提出將筏板基礎(chǔ)應(yīng)用于島狀凍土地區(qū)道路。然而，由于傳統(tǒng)筏板結(jié)構(gòu)自重較大，同時(shí)考慮季節(jié)性凍融后土體強(qiáng)度急劇下降的問(wèn)題，本文在原有筏板形式的基礎(chǔ)上改變其結(jié)構(gòu)形式提出了新型筏板結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)筏板基礎(chǔ)相比，新型筏板在滿足承載力需求的同時(shí)，減輕了筏板自重對(duì)地基的壓力，減少了鋼筋混凝土的用料，具有更好的經(jīng)濟(jì)性。因此，本文填筑了新型筏板地基模型，進(jìn)行常溫及經(jīng)歷凍融循環(huán)后的地基模型分級(jí)加載試驗(yàn)，對(duì)地基模型的沉降特征，土體內(nèi)部應(yīng)力分布及筏板內(nèi)力分布進(jìn)行了研究分析，同時(shí)分析了凍融循環(huán)對(duì)新型筏板模型地基承載特性的影響。此外，利用FLAC3D軟件建立了室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)值模型，對(duì)比了數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)所得結(jié)果，驗(yàn)證了數(shù)值分析方法的適用性。

1 新型筏板地基模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 新型筏板地基工作特性

本文在傳統(tǒng)筏板形式的基礎(chǔ)上提出了新型筏板結(jié)構(gòu)，如圖1所示。新型筏板由縱向混凝土枕梁和橫向U型槽鋼組成，U型槽鋼用于固定枕梁的縱向，鋼板用于固定枕梁的橫向。將新型筏板結(jié)構(gòu)應(yīng)用于實(shí)際道路中(圖2)，新型筏板在減輕自重的同時(shí)，本身具有較大的剛度，可以承受上部荷載，極大地增加路地基剛度，通過(guò)剛度調(diào)節(jié)作用改變地基內(nèi)部應(yīng)力分布，從而緩解路基的不均勻沉降。

圖1 傳統(tǒng)與新型筏板結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic of traditional and new raft structuresa. 傳統(tǒng)筏板結(jié)構(gòu)； b. 新型筏板結(jié)構(gòu)

圖2 新型筏板地基示意圖Fig. 2 Schematic of new raft foundation in highway

1.2 試驗(yàn)方案的提出

為了分析島狀凍土地區(qū)新型筏板地基的承載特性，本文通過(guò)填筑3個(gè)地基模型，即一般地基(無(wú)新型筏板)模型(SFM)，新型筏板地基模型(RFM)以及經(jīng)歷凍融循環(huán)的新型筏板地基模型(F-TRFM)，進(jìn)行分級(jí)加載試驗(yàn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中地基沉降、地基內(nèi)部應(yīng)力及筏板應(yīng)變。通過(guò)對(duì)比SFM與RFM地基的試驗(yàn)結(jié)果，分析新型筏板地基的承載特性； 對(duì)比分析RFM與F-TRFM的試驗(yàn)結(jié)果，研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)新型筏板地基承載特性的影響。對(duì)于島狀凍土地區(qū)，季凍層融化時(shí)地基承載力最低，此時(shí)地基處于最不利狀態(tài)。需要說(shuō)明的是，地基在首次經(jīng)歷凍融循環(huán)后土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著的擾動(dòng)(Othman et al.，1993)，導(dǎo)致回彈模量及破壞強(qiáng)度衰減程度最為顯著(Wang et al.， 2007)。因此，本文將新型筏板地基模型進(jìn)行了一次凍結(jié)、融化過(guò)程，模擬島狀凍土地區(qū)地基的最不利狀態(tài)。

1.3 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土樣為粉質(zhì)黏土，粉碎后過(guò)2mm篩，置于干燥處備用。試驗(yàn)用土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，其顆粒級(jí)配曲線如圖3所示。由于本文模擬的黏土層屬于多冰凍土，根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，多冰凍土含水率w區(qū)間范圍wp

圖3 粉質(zhì)黏土的顆粒級(jí)配曲線Fig. 3 Grading curve of silty clay

表1 試驗(yàn)用土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical-mechanical properties of specimen

實(shí)際工程中，混凝土枕梁的邊長(zhǎng)為30cm，每5m×7.2m為一聯(lián)，枕梁間距80cm，通過(guò)40a型槽鋼連接，枕梁采用C25水泥混凝土進(jìn)行預(yù)制，垂直于路線方向鋪設(shè)。

新型筏板模型采用有機(jī)玻璃板(PMMA)代替混凝土枕梁，按實(shí)際新型筏板尺寸比例1︰30制成，橫向枕梁尺寸為1cm×1cm×17cm，間距2.6cm，并通過(guò)縱向有機(jī)玻璃板連接在一起。新型筏板模型每17cm×33cm為一聯(lián)，兩聯(lián)之間通過(guò)鐵片及固定膠黏結(jié)在一起?；炷潦軌簯?yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4a所示，混凝土受壓經(jīng)歷了3個(gè)階段，即彈性階段，屈服階段及應(yīng)變軟化階段。由槽鋼的拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，槽鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為4個(gè)階段，分別為彈性、屈服、強(qiáng)化及頸縮階段，如圖4b所示。由于低碳鋼壓縮時(shí)屈服前力學(xué)性能與拉伸時(shí)大體相同，所以一般通過(guò)拉伸試驗(yàn)即可得到其壓縮時(shí)的主要力學(xué)性能(陳章華， 2017)。而對(duì)于PMMA，受壓過(guò)程經(jīng)歷了4個(gè)階段，分別為彈性階段，屈服階段，應(yīng)變軟化階段及應(yīng)變硬化階段，如圖4c所示。筏板基礎(chǔ)主要為承壓結(jié)構(gòu)，在路基荷載作用下基本處于彈性變形階段，對(duì)比混凝土、槽鋼和PMMA的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)三者具有相似性，并完全滿足筏板基礎(chǔ)的承壓需求，因此本研究采用PMMA代替新型筏板材料具有可行性。

圖4 混凝土與有機(jī)玻璃受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€Fig. 4 Compression stress-strain curves for concrete and PMMA(polymethylmethacrylate)a. 混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(過(guò)鎮(zhèn)海等， 1982)； b. 槽鋼拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(沈祖炎等， 2005)； c. 有機(jī)玻璃受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€ (Richeton et al.，2006)

1.4 試驗(yàn)裝置

新型筏板地基室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置主要包括：模型試桶、監(jiān)測(cè)裝置以及邊界條件施加裝置，如圖5～圖6所示。

圖5 新型筏板測(cè)試元件分布Fig. 5 Distribution of new raft test elementsa. 新型筏板表面應(yīng)變片布置圖； b. 新型筏板底部土壓力盒布置圖

圖6 新型筏板地基承載特性模型試驗(yàn)裝置Fig. 6 Setup of plate loading test of new raft foundationa. 新型筏板復(fù)合路基模型， b. 控溫系統(tǒng)； ①. 荷載傳感器， ②. 千斤頂， ③. 荷載板， ④. 反力桁架

(1)模型試桶的直徑和高度均為60cm，由有機(jī)玻璃護(hù)筒、剛性護(hù)環(huán)、剛性底座及剛性立柱圍構(gòu)而成。

(2)監(jiān)測(cè)裝置主要包括土壓力盒、應(yīng)變傳感器以及DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)，溫度傳感器以及采集儀，百分表。

為了分析筏板軸向應(yīng)變特征，沿筏板中線不同位置處粘貼應(yīng)變片，分別為1#、3#、5#與6#，距筏板中心0cm、3cm、9cm與17cm； 為了分析新型筏板縱向邊緣及橫向邊緣處應(yīng)變特征，在相應(yīng)位置處粘貼應(yīng)變片，分別為2#與4#，如圖5a所示。

在筏板底部對(duì)角方向布置了1#， 2#與3#土壓力傳感器，用于監(jiān)測(cè)筏板對(duì)地基應(yīng)力分布的影響，見(jiàn)圖5b。同時(shí)在4#位置沿地基深度布置土壓力傳感器，間距8cm，如圖6a所示，用以分析新型筏板地基不同深度處應(yīng)力分布特征。

溫度傳感器沿地基深度間距8cm埋設(shè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凍脹過(guò)程中地基模型內(nèi)部的溫度場(chǎng)。

百分表置于承載板頂面兩側(cè)，取平均值作為地基模型頂面沉降。

(3)邊界條件施加裝置包括：控溫系統(tǒng)、施加荷載系統(tǒng)。

地基模型荷載的施加通過(guò)反力桁架、荷載板、千斤頂、TJH-4A荷載傳感器及TY5D/A數(shù)字顯示儀實(shí)現(xiàn)，如圖6a所示。反力桁架固定在模型試桶頂部，由千斤頂施加荷載，荷載傳感器測(cè)量施加荷載的大小。

1.5 試驗(yàn)過(guò)程

對(duì)每個(gè)模型地基，按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》配置含水率21%的土樣備用。模型地基分為3個(gè)部分，最底層為4cm厚的碎石墊層，碎石粒徑不超過(guò)1mm； 碎石層上部土層高度共48cm，分層填筑，每層填筑厚度為8cm，壓實(shí)后干密度達(dá)到15.3g·cm-3； 在距模型地基頂面8cm處鋪設(shè)1cm厚細(xì)砂填充筏板空隙。對(duì)于RFM、F-TRFM模型地基，筏板模型埋設(shè)在細(xì)砂層，填筑過(guò)程中溫度傳感器，土壓力傳感器均按設(shè)計(jì)埋設(shè)。

F-TRFM模型地基填筑完成、固結(jié)12h后，按圖6b進(jìn)行凍結(jié)-融化過(guò)程，冷媒介質(zhì)通過(guò)循環(huán)通道流經(jīng)冷端蓋板，與土體進(jìn)行熱量交換后回到冷凍循環(huán)水浴，如此循環(huán)達(dá)到凍結(jié)土體的作用。融化過(guò)程在常溫下進(jìn)行，認(rèn)為土體內(nèi)部溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)即融化過(guò)程結(jié)束。隨后對(duì)各模型地基進(jìn)行分級(jí)加載試驗(yàn)，將路基自重及路面行車(chē)荷載均轉(zhuǎn)化為均布荷載，計(jì)算得到荷載為100kPa，正式進(jìn)行加載試驗(yàn)時(shí)參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組，2011)分8級(jí)進(jìn)行荷載的施加，每級(jí)荷載為12.5kPa。記錄試驗(yàn)過(guò)程中溫度，筏板應(yīng)變，土體應(yīng)力及模型地基沉降的實(shí)時(shí)變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 新型筏板模型地基承載特性分析

2.1.1 沉降特性

記錄加載過(guò)中荷載板頂面沉降，繪制了荷載-沉降曲線，如圖7所示。荷載共分8級(jí)施加，分為低應(yīng)力水平(12.5～37.5kPa)、中應(yīng)力水平(37.5～75.0kPa)與高應(yīng)力水平(75.0～100kPa)。由圖7可知，新型筏板地基(RFM)沉降整體上小于SFM地基。低應(yīng)力水平階段SFM與RFM地基沉降差異較小，最大差1.76mm，此時(shí)沉降主要以上部土體壓縮變形為主。在中應(yīng)力水平，SFM與RFM地基沉降差異最大，可達(dá)3.95mm，新型筏板開(kāi)始發(fā)揮其承載作用。高應(yīng)力水平階段，SFM與RFM地基沉降差異逐漸減小，最大差異沉降為2.5mm，此階段地基進(jìn)入整體破壞階段。對(duì)比發(fā)現(xiàn)新型筏板提高了地基整體剛度，減小了地基沉降，并在中高應(yīng)力水平范圍內(nèi)發(fā)揮較大作用?？梢?jiàn)，筏板在地基中是作為土體的“加固結(jié)構(gòu)”存在。

圖7 SFM與RFM地基沉降-荷載曲線Fig. 7 Load-settlement curve of SFM and RFM foundation

2.1.2 新型筏板應(yīng)變特征

圖8顯示了新型筏板不同位置處的應(yīng)變特征。圖8a為距筏板中心不同距離處的應(yīng)變分布規(guī)律。荷載為0.4kN時(shí)，距筏板中心3cm、9cm及17cm位置處的應(yīng)變比中心位置依次減小11.1%， 28.9%與55.6%； 荷載2.0kN時(shí)，依次減小2.9%， 18.9%與60.2%； 荷載為3.2kN時(shí)，依次減小2.3%， 26.4%與62.4%。筏板應(yīng)變隨著距中心距離的增大逐漸減小，這是由于筏板并不是完全的剛性體，導(dǎo)致中心應(yīng)變大于邊緣處，應(yīng)變呈現(xiàn)不均勻分布，U型變形特征隨著荷載分級(jí)逐漸顯著。隨著荷載的增加，筏板邊緣處應(yīng)變也隨之增大，雖然其不在承載板直接作用范圍內(nèi)，但是由于筏板應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng)，導(dǎo)致邊緣處也產(chǎn)生一定變形。

圖8 新型筏板模型底面應(yīng)變分布Fig. 8 Strain distribution on the bottom of new raft modela. 距筏板中心不同距離應(yīng)變； b. 筏板縱向及橫向邊緣處應(yīng)變

圖8b對(duì)比了筏板縱向邊緣(2#)與橫向邊緣(6#)的應(yīng)變值，發(fā)現(xiàn)各級(jí)荷載下筏板的縱向應(yīng)變(2#)始終大于橫向應(yīng)變(6#)，應(yīng)變?cè)黾勇试?4%～31%之間，表明筏板產(chǎn)生變形時(shí)，荷載更多地沿縱向傳遞，這可能與縱向枕梁的設(shè)置有關(guān)。

2.1.3 地基內(nèi)力分布特性

圖9顯示了一般地基(SFM)與新型筏板地基(RFM)在不同荷載條件下土體內(nèi)部應(yīng)力的分布規(guī)律。由圖9a可以看出新型筏板對(duì)地基內(nèi)部應(yīng)力的影響主要集中于深度0.08～0.24m處。在低應(yīng)力水平時(shí)，有無(wú)筏板地基內(nèi)力并無(wú)顯著區(qū)別，此時(shí)外部荷載較小，傳到新型筏板處的荷載有限。在中高應(yīng)力水平時(shí)，筏板地基應(yīng)力低于一般地基應(yīng)力，最大差值0.5kPa，此時(shí)筏板開(kāi)始發(fā)揮承載作用，這與新型筏板地基沉降階段特性一致。由此說(shuō)明新型筏板可以減小地基內(nèi)部應(yīng)力，并改變應(yīng)力的傳遞路徑。

圖9 SFM與RFM地基內(nèi)部應(yīng)力分布Fig. 9 Stress distribution in SFM and RFM foundationa. 筏板下方不同深度處土壓力； b. 筏板基底壓力曲線

圖9b對(duì)比了筏板中心與對(duì)角位置的土壓力值，即筏板下部的地基反力?？梢园l(fā)現(xiàn)，地基反力呈U型分布，兩邊小中間大。在荷載水平較小時(shí)，筏板范圍內(nèi)的地基反力分布較為均勻。隨著荷載水平的增加，地基反力自中心向邊緣急劇衰減。同時(shí)可以看出，各級(jí)荷載作用下RFM地基反力始終小于SFM地基反力，兩者差異隨著荷載水平的增加逐漸增大。產(chǎn)生上述地基反力特點(diǎn)的原因是筏板結(jié)構(gòu)相對(duì)土體剛度較大，將荷載逐漸向外圍傳遞。由此說(shuō)明，新型筏板結(jié)構(gòu)可以在一定程度上擴(kuò)散路基荷載的作用，使得地基沉降均勻發(fā)展。

2.2 凍脹融沉對(duì)新型筏板地基模型承載變形特性的影響

2.2.1 凍脹特性

為了進(jìn)一步研究新型筏板地基在島狀凍土地區(qū)最不利條件下(即地基處于融化狀態(tài))的工作機(jī)理，新型筏板地基模型進(jìn)行了凍結(jié)-融化過(guò)程。圖10為新型筏板地基模型凍脹過(guò)程及最終凍脹變形曲線。在地基凍結(jié)過(guò)程中，凍結(jié)鋒面逐漸向下移動(dòng)，在經(jīng)歷120h后穩(wěn)定于深度16cm處，見(jiàn)圖10a。由于土體內(nèi)的水分在溫度梯度的作用下向凍結(jié)鋒面聚集，使得地基內(nèi)部產(chǎn)生了大量的凍脹裂縫及冰透晶體，土體孔隙比增大，新型筏板地基模型最終凍脹變形達(dá)到了1.2cm(圖10b)，較大的凍脹變形與粉質(zhì)黏土的凍脹敏感性密切相關(guān)。

圖10 新型筏板路基凍脹及凍脹變形曲線Fig. 10 Frost heaving process and frost heaving deformation curve of new raft subgradea. 凍脹過(guò)程溫度變化規(guī)律； b. 凍脹變形曲線

2.2.2 沉降特性

經(jīng)歷過(guò)凍脹融沉，各級(jí)荷載作用下F-TRFM地基沉降明顯大于RFM地基，見(jiàn)圖11。在低、中、高應(yīng)力水平階段最大差異沉降分別為3.87mm、8.47mm與7.98mm，差異沉降呈先增大后減小趨勢(shì)。凍融循環(huán)后筏板地基沉降的增加主要是由于土體中的水分在低溫條件下發(fā)生凍脹，破壞了土顆粒之間的連接強(qiáng)強(qiáng)度，導(dǎo)致土體孔隙增多(許健等， 2017)，筏板-土體作用系統(tǒng)整體強(qiáng)度降低。因此，在相同荷載的作用下，凍融循環(huán)后的筏板地基強(qiáng)度顯著降低，沉降增大。

圖11 RFM地基與F-TRFM地基沉降對(duì)比圖Fig. 11 Comparison of settlement between RFM and F-TRFM

2.2.3 新型筏板應(yīng)變特征

對(duì)比分析凍融前后不同應(yīng)力水平下新型筏板的應(yīng)力分布特征(圖12)，可以看出，經(jīng)歷凍融循環(huán)后新型筏板(F-TRFM)應(yīng)變整體上高于RFM地基，差異主要集中于距筏板中心0～9cm范圍內(nèi)，尤其以筏板中心位置處的應(yīng)變?cè)黾于厔?shì)最為顯著。隨著荷載的增加，凍融循環(huán)后筏板U型應(yīng)變特性更加顯著。筏板作為“加固結(jié)構(gòu)”，與土體形成一個(gè)整體作用體系，共同分擔(dān)上部荷載，當(dāng)凍融后土體強(qiáng)度衰減時(shí)，筏板將承受更多的荷載，因此造成凍融循環(huán)后筏板應(yīng)變較大?？梢?jiàn)，筏板地基的承載特性與地基土體的工程特性密切相關(guān)。

圖12 不同應(yīng)力水平下筏板應(yīng)變特征Fig. 12 Strain characteristics of raft under different load levels

2.2.4 地基內(nèi)力分布

圖13對(duì)比了凍融前后不同荷載水平下新型筏板模型地基不同深度處的土壓力分布規(guī)律。分析發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)對(duì)地基應(yīng)力分布的影響深度主要集中在0.08～0.24m范圍內(nèi)，這與凍融循環(huán)作用深度范圍一致，且地基應(yīng)力隨著荷載水平的增加影響程度逐漸顯著。經(jīng)歷凍脹融沉后的新型筏板地基模型(F-TRFM)內(nèi)部應(yīng)力在低、中、高應(yīng)力水平時(shí)，分別最大增加了0.15kPa， 1.02kPa與1.66kPa。究其原因，考慮到土體-筏板相互作用過(guò)程，新型筏板地基應(yīng)力由兩部分組成：(1)由筏板結(jié)構(gòu)傳遞到地基內(nèi)部的應(yīng)力； (2)由土體傳遞到地基內(nèi)部的應(yīng)力。凍融循環(huán)后筏板下方土體強(qiáng)度大幅度衰減，造成筏板承擔(dān)了更多的荷載，導(dǎo)致由筏板傳遞的應(yīng)力增加，因此在相同荷載水平下凍融后地基內(nèi)部的應(yīng)力值較大。

圖13 RFM與F-TRFM地基不同深度土壓力Fig. 13 Soil pressure at different depth of RFM and F-TRFM

3 新型筏板地基工作特性數(shù)值模擬

3.1 模型的建立及材料參數(shù)

為了進(jìn)一步研究新型筏板地基的承載特性，通過(guò)FLAC3D建立了與上述試驗(yàn)填筑的地基模型具有一致性的數(shù)值計(jì)算地基模型，尺寸如圖14所示。采用Beam結(jié)構(gòu)作為新型筏板模型的單元，并假設(shè)每個(gè)Beam單元是各向同性及無(wú)屈服的線彈性材料。粉質(zhì)黏土與砂土的本構(gòu)模型采用庫(kù)侖莫爾模型，新型筏板由于其較大的剛度采用彈性變形模型，保溫層采用彈性變形模型作為其本構(gòu)模型。圖14為本次計(jì)算模型網(wǎng)格劃分情況，共有節(jié)點(diǎn)2256個(gè)，網(wǎng)格2100個(gè)。

圖14 FLAC3D新型筏板地基模型Fig. 14 Model of new raft foundation in FLAC3Da. 無(wú)新型筏板模型地基; b. 新型筏板模型地基

地基模型中材料力學(xué)參數(shù)與熱學(xué)參數(shù)如表2所示。土體干密度、剪切模量、體積模量、內(nèi)摩擦角及黏聚力根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組，2007)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)得。新型筏板物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)(Richrton, 2006)獲得。董曉宏等(2010), 龐旭卿等(2016)指出前5次凍融循環(huán)對(duì)土體力學(xué)特性的影響最為顯著，因此本文針對(duì)1、3、5次凍融循環(huán)后新型筏板地基變形特性進(jìn)行了模擬分析。

表2 室內(nèi)試驗(yàn)材料的力學(xué)參數(shù)與熱學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical and thermal parameters of materials in laboratory test

3.2 邊界條件的施加

由于保溫層并不參與變形，因此將地基模型外圍的保溫層及剛性底板限制x、y、z方向的位移，并在地基模型與保溫層間設(shè)置接觸面，為了防止接觸面出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象，將法向、切向剛度設(shè)置為保溫層等效剛度的10倍。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)荷載施加方式，在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中應(yīng)力通過(guò)均布荷載施加于地基模型頂面半徑0.1m的范圍內(nèi)，并采用分級(jí)加載的方式施加荷載，荷載水平為12.5～100kPa，共8級(jí)，每級(jí)增加12.5kPa。

3.3 數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果分析

圖15為新型筏板地基模型在凍結(jié)過(guò)程中試驗(yàn)監(jiān)測(cè)與數(shù)值計(jì)算得到的溫度與凍脹變形對(duì)比圖。圖15a顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果得到溫度變化規(guī)律基本一致。試驗(yàn)監(jiān)測(cè)溫度稍高于模擬溫度，這是由于在試驗(yàn)過(guò)程中，裝置的保溫措施并不能實(shí)現(xiàn)絕對(duì)隔熱，地基模型與外界環(huán)境的熱交換持續(xù)進(jìn)行，因此試驗(yàn)結(jié)果較高。同時(shí)，由于室溫經(jīng)歷晝夜溫差并不能維持恒定，會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。分析圖15b發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)凍脹過(guò)程與FLAC-3D模擬結(jié)果具有較好的一致性，地基模型的凍脹變形分為3個(gè)階段組成：線性變形、非線性變形及穩(wěn)定階段。然而，在非線性階段與穩(wěn)定階段模擬凍脹量均小于試驗(yàn)所得值，分析原因發(fā)現(xiàn)在實(shí)際凍結(jié)過(guò)程中除了土體的凍脹外，由于水汽遷移后冷凝凍結(jié)，在冷端蓋板底面會(huì)形成一定厚度的冰層。雖然凍脹變形的模擬結(jié)果較試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果較小，但是整體凍脹變形趨勢(shì)一致，且最大差異僅為0.8mm。

圖15 凍脹過(guò)程中新型筏板模型地基試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比圖Fig. 15 Comparison of test and simulation results of new raft model foundation during frost heavinga. 凍結(jié)溫度； b. 凍脹變形量

通過(guò)圖16對(duì)比SFM，RFM與F-TRFM地基沉降的試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，數(shù)值計(jì)算得到的地基模型沉降趨勢(shì)與試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)具有相關(guān)性。SFM地基模型的試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算值散點(diǎn)均分布在基準(zhǔn)線附近，具有較好的相關(guān)性，差異處于0.31～2.18mm之間。對(duì)于RFM地基，其數(shù)值計(jì)算得到的沉降值均大于試驗(yàn)沉降值，最大相差3.01mm。F-TRFM地基數(shù)值計(jì)算得到的沉降值均小于試驗(yàn)值，差值為0.22～3.48mm。這是由于數(shù)值計(jì)算過(guò)程會(huì)對(duì)模型邊界條件進(jìn)行簡(jiǎn)化，并對(duì)模型材料進(jìn)行理想假設(shè)。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較好的相關(guān)性說(shuō)明利用FLAC-3D對(duì)凍融條件下新型筏板地基進(jìn)行模擬得到的結(jié)果較為可靠。

圖16 新型筏板模型地基數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)沉降值Fig. 16 Soil deformation comparison of indoor test and numerical simulation of new raft model foundation

圖17為新型筏板地基模型在經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后地基的變形曲線。對(duì)比經(jīng)歷一次凍融循環(huán)的一般地基沉降(F-TSFM1)與新型筏板地基沉降(F-TSFM1)發(fā)現(xiàn)，新型筏板極大的緩解了地基的總體沉降，最大可減小10.73mm，由此說(shuō)明了新型筏板可適用于島狀凍土地區(qū)。對(duì)比經(jīng)歷1、3、5次后新型筏板地基沉降發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，地基整體沉降逐漸增大。在低應(yīng)力水平時(shí)，沉降曲線出現(xiàn)重合，此時(shí)地基處于回彈變形階段。當(dāng)荷載增加至87.5kPa時(shí)， 3次與5次凍融后沉降均出現(xiàn)突增，可能原因是地基表面土體出現(xiàn)剪壞現(xiàn)象。

圖17 不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下新型筏板地基沉降曲線Fig. 17 Settlement curves of new raft foundation under different freeze-thaw cycles

4 結(jié) 論

(1)本文提出了新型筏板結(jié)構(gòu)處治島狀凍土地區(qū)路基，并通過(guò)自制承載特性試驗(yàn)裝置進(jìn)行了新型筏板地基模型試驗(yàn)。

(2)新型筏板的承載作用使地基沉降最大減少了1.76mm，增加了地基的整體剛度，同時(shí)減小了地基一定深度范圍內(nèi)的應(yīng)力，改變了應(yīng)力的傳遞路徑。新型筏板在承受外部荷載的作用時(shí)，將荷載逐漸向外圍傳遞，使地基沉降均勻發(fā)展； 筏板應(yīng)變隨距中心距離的增大逐漸減小，呈U型分布，邊緣位置比中心位置減小了約60%，并且縱向應(yīng)變大于橫向應(yīng)變，說(shuō)明變形更多地沿縱向傳遞。

(3)凍脹融沉導(dǎo)致地基強(qiáng)度急劇減小，使新型筏板地基最終沉降增加了2.5mm。筏板-土體共同承擔(dān)上部荷載，凍融后土體強(qiáng)度衰減，造成筏板應(yīng)變的增加。凍融循環(huán)后一定深度范圍內(nèi)的地基應(yīng)力增大，且隨著荷載的增大應(yīng)力增加程度逐漸顯著。

(4)利用FLAC3D建立了新型筏板地基模型，采用Beam建立了新型筏板模型，數(shù)值計(jì)算得到凍結(jié)溫度、凍脹值及各工況下沉降值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的一致性。本數(shù)值模型可以用于分析島狀凍土地區(qū)新型筏板地基的承載特性。