基于離心模型試驗(yàn)技術(shù)的填方沉降研究進(jìn)展

周遠(yuǎn)強(qiáng),曹 杰,高 鵬,王東晶,陳 建,楊 騰

(1. 機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710043;2. 陜西省特殊巖土性質(zhì)與處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710043;3. 陜西省既有工程檢測(cè)與鑒定平臺(tái), 西安 710043)

0 前 言

隨著離心模型試驗(yàn)的思想提出[1]和離心機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)[2-3],離心模型試驗(yàn)逐漸成為研究巖土工程問(wèn)題的重要手段。利用離心模型試驗(yàn)手段研究眾多巖土工程問(wèn)題,已經(jīng)取得了一系列的研究成果。包承綱[4-5]、張煒[6]、周健等[7]系統(tǒng)歸納了離心模型試驗(yàn)技術(shù)在水壩、邊坡?lián)鯄?、地基基礎(chǔ)、地下結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的運(yùn)用。于玉貞等[8]綜述了離心模型試驗(yàn)在邊坡工程的抗震反應(yīng)、地震大變形機(jī)理、土與結(jié)構(gòu)物相互作用研究進(jìn)展。油新華等[9],介紹了國(guó)外離心模型試驗(yàn)在邊坡工程中的運(yùn)用現(xiàn)狀,重點(diǎn)關(guān)注了邊坡穩(wěn)定性影響因素的離心模型試驗(yàn)研究進(jìn)展。陳正發(fā)等[10],詳細(xì)總結(jié)了國(guó)內(nèi)外土工動(dòng)力離心模型試驗(yàn)的研究進(jìn)展。馮振等[11]分3個(gè)階段回顧了中國(guó)離心模型試驗(yàn)技術(shù)在巖土工程運(yùn)用和發(fā)展歷史。

近年來(lái),隨著我國(guó)中西部大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),填方工程及相關(guān)問(wèn)題研究日益增多,填方工程有高、大、深的特點(diǎn),做現(xiàn)場(chǎng)原型極其耗時(shí)耗力,一般模型試驗(yàn)無(wú)法反應(yīng)真實(shí)的填方應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng),而離心模型試驗(yàn)?zāi)軌蚰M填方工程的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、變形及破壞機(jī)理,能夠避免這些問(wèn)題。離心模型試驗(yàn)是巖土工程領(lǐng)域最佳的物理模擬方法[12],離心模型試驗(yàn)對(duì)填方工程模擬具有優(yōu)點(diǎn):與普通(1g)模型試驗(yàn)相比可以解決高填方模型的重力問(wèn)題,可模擬填方工程的實(shí)際高度;可解決時(shí)間尺度的問(wèn)題,可以模擬工后的長(zhǎng)期沉降,直至穩(wěn)定。而離心模型試驗(yàn)在填方工程中的研究現(xiàn)狀尚未討論和總結(jié),本文介紹了土工離心模型試驗(yàn)的發(fā)展?fàn)顩r,總結(jié)了離心模型試驗(yàn)在填方工程沉降相關(guān)研究成果,在此基礎(chǔ)上作出了相應(yīng)展望。

1 離心模型試驗(yàn)發(fā)展歷程

1.1 離心模型試驗(yàn)發(fā)展歷程

Phillips[1]于1869年提出了離心模型試驗(yàn)技術(shù)的基本思想。20世紀(jì)30年代[1-3,13],僅有前蘇聯(lián)和美國(guó)進(jìn)行基于離心模型試驗(yàn)相關(guān)研究工作,并將此思想理論付諸于實(shí)踐。1931年[3]誕生了世界上第1臺(tái)土工離心機(jī),隨后離心模型試驗(yàn)技術(shù)越來(lái)越受到重視;20世紀(jì)60年代[1],英國(guó)、日本等國(guó)也開(kāi)始跟進(jìn)離心模型試驗(yàn)研究工作;20世紀(jì)90年代[15],已有大量離心模型試驗(yàn)技術(shù)和離心機(jī)硬件相關(guān)的會(huì)議論文,使離心模型試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大,該技術(shù)手段儼然成為巖土工程領(lǐng)域研究的強(qiáng)有力工具。

相對(duì)于國(guó)外,國(guó)內(nèi)將離心模型試驗(yàn)技術(shù)用于巖土工程實(shí)踐及研究的時(shí)間較晚,但國(guó)內(nèi)的離心模型試驗(yàn)發(fā)展迅猛。我國(guó)土工離心模型試驗(yàn)研究自20世紀(jì)50年代開(kāi)始起步[11],之后歷經(jīng)50 a左右的發(fā)展,到1999年DL/T 5102—2013 《土工離心模型試驗(yàn)規(guī)程》的實(shí)施[16],標(biāo)志著我國(guó)離心模型試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)成熟。到目前為止,在“超重力離心模擬”領(lǐng)域已取得突破性進(jìn)展[17]。

1.2 離心模型試驗(yàn)的相似比規(guī)則

據(jù)專(zhuān)家學(xué)者們的研究[19],離心模型試驗(yàn)利用離心機(jī)產(chǎn)生的離心力來(lái)等效模擬重力,為了達(dá)到原型的尺寸,模型的加速度為a=ng,g是重力加速度,n是模型尺縮的比例。結(jié)合填方工程的特點(diǎn)及離心模型試驗(yàn)情況[10,20-21],土工離心模型試驗(yàn)涉及的主要物理的相似關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 離心模型試驗(yàn)常用物理量相似關(guān)系

從表1中可知,對(duì)于填方工程的離心模型試驗(yàn)大多數(shù)靜、動(dòng)力情況,表中物理量相似關(guān)系都是協(xié)調(diào)的。

2 填方工程離心模型試驗(yàn)沉降研究進(jìn)展

填方工程一般由經(jīng)過(guò)處理的原始下臥溝谷地基和人工壓實(shí)的上覆填筑體組成。填方工程的沉降量從空間上可以分為原始溝谷地基沉降和填筑體沉降兩部分;從時(shí)間上以工程竣工時(shí)間為節(jié)點(diǎn),其沉降可以劃分為施工期沉降和工后長(zhǎng)期沉降。填方工程主要涉及的工程領(lǐng)域有道路路基、機(jī)場(chǎng)地基、城市建設(shè)地基、水力土石壩等?？偟膩?lái)說(shuō),填方地基自身沉降的計(jì)算和試驗(yàn)還處于探索階段,目前還沒(méi)有成熟的方法。

2.1 基于離心模型試驗(yàn)填方工程模擬概況

根據(jù)實(shí)際填方區(qū)場(chǎng)地約束條件,可將填方工程分為有側(cè)限填方與無(wú)側(cè)限填方兩種情況。相應(yīng)的,現(xiàn)有離心模型試驗(yàn)中的鐵路路基、高速公路路基多屬“線狀”、“梯”型無(wú)側(cè)限填方;城建造地工程則多屬于“U”型或“V”型有側(cè)限的溝谷型填方;填方機(jī)場(chǎng)既具有“線狀”屬性,也受原溝谷形狀影響。

2.1.1離心模型試驗(yàn)填方高度與離心加速度

本文對(duì)近年來(lái)的道路填方工程、機(jī)場(chǎng)填方工程、城建填方工程的填方高度與離心模型試驗(yàn)中離心加速度概況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)[22-25],具體如圖1所示。

圖1填方工程離心模型試驗(yàn)填方高度與離心加速度統(tǒng)計(jì)

由圖1可以看出,已有的機(jī)場(chǎng)填方工程離心模型試驗(yàn)?zāi)M高度范圍在20～180 m;城建填方工程離心模型試驗(yàn)?zāi)M高度范圍在60～112 m;路基填方工程離心模型試驗(yàn)?zāi)M高度范圍在7.5～68 m。

對(duì)應(yīng)實(shí)際工程,機(jī)場(chǎng)填方工程填方高度范圍最大,與機(jī)場(chǎng)選址的地形起伏大小密切相關(guān);相對(duì)于機(jī)場(chǎng)填方工程和城建填方工程,路基填方工程高度最小,原因是對(duì)于鐵路路基或公路路基,當(dāng)實(shí)際工程填方高度過(guò)大,則會(huì)選擇更為經(jīng)濟(jì)的橋基。各類(lèi)填方工程離心加速度取值離散性較大,與離心機(jī)性能有關(guān)。

2.1.2離心模型試驗(yàn)?zāi)M過(guò)程及穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

離心模型試驗(yàn)的離心力加載過(guò)程和加載方式所反映出的應(yīng)力路徑和應(yīng)力歷史對(duì)填方工程的模擬結(jié)果至關(guān)重要。本文將現(xiàn)有填方離心模型試驗(yàn)加載過(guò)程及每級(jí)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)文獻(xiàn)分類(lèi)整理如表2所示。

表2 離心模型試驗(yàn)加載過(guò)程及每級(jí)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

由表2可知,填方工程主要通過(guò)離心加速度的提升模擬土方填筑過(guò)程,主要分為兩種:① 級(jí)加載,當(dāng)離心加速度加載到每一級(jí)對(duì)應(yīng)加速度后,保持該加速度穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間,一般穩(wěn)定時(shí)間在2～10 min,沉降穩(wěn)定后再加載下一級(jí)離心加速度,直到設(shè)定的離心加速度為止。此種加速度加載方式適用于模擬實(shí)際填方工程分層填筑情況;② 次性加載,即離心加速度由1g一次性加載至設(shè)定的加速度。此種加速度加載方式適用于模擬實(shí)際填方工程不考慮工歇期沉降的填筑情況。

上述兩種模擬土方填筑是近似方法,而最為合理的實(shí)際填筑施工過(guò)程模擬是在離心加速度恒定情況下,借助專(zhuān)用加料裝置或者機(jī)械臂進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬填筑,既應(yīng)滿足模型幾何尺寸的相似比,又應(yīng)達(dá)到填料的密度或壓實(shí)度相似。目前,由于技術(shù)限制還很難完全實(shí)現(xiàn)這一功能,需要進(jìn)一步深入地嘗試和研究。

2.2 基于離心模型試驗(yàn)填方工程沉降影響因素及規(guī)律研究進(jìn)展

在過(guò)去的十幾年里,離心模型試驗(yàn)已經(jīng)作為強(qiáng)大的技術(shù)手段用于填方工程,并在沉降影響因素、沉降規(guī)律方面取得了豐富研究成果。本文依據(jù)已有研究文獻(xiàn),歸納道路填方工程、機(jī)場(chǎng)填方工程、城建填方工程的沉降因素,再對(duì)沉降規(guī)律進(jìn)行分析總結(jié)。

2.2.1基于離心模型試驗(yàn)填方工程沉降影響因素

本文列出了基于離心模型試驗(yàn)道路填方工程、機(jī)場(chǎng)填方工程、城建填方工程的沉降影響因素,具體如表3所示。

表3 基于離心模型試驗(yàn)填方工程沉降影響因素

由表3可知,填方工程、機(jī)場(chǎng)填方工程、城建填方工程地基沉降影響因素眾多,共有影響沉降主要因素是填料自身的工程特性以及填筑土壓實(shí)度。對(duì)于道路填方工程,包括公路填方路基或者鐵路填方路基,都是“線性”工程。道路兩側(cè)都是邊坡,屬于臨空面,側(cè)向變形對(duì)頂部沉降影響巨大,因此填方坡比是影響道路填方工程沉降的其他主要因素。對(duì)于需要填方工程機(jī)場(chǎng),大多數(shù)位于像西南山地、黃土溝壑區(qū)這些地形起伏大的地區(qū),故溝谷形狀是影響機(jī)場(chǎng)填方工程沉降的其他主要因素。對(duì)于城建填方工程,除了與機(jī)場(chǎng)填方工程所處大起伏的地形相似外,還有填方面積規(guī)模大的特點(diǎn),所以填筑體的填筑效率是影響城建填方工程沉降的其他主要因素。

2.2.2基于離心模型試驗(yàn)填方工程沉降規(guī)律

對(duì)于上述諸多的影響填方工程沉降因素,本文列出了基于離心模型試驗(yàn)道路填方工程、機(jī)場(chǎng)填方工程、城建填方工程典型因素影響下的沉降規(guī)律,具體如表4所示。

表4 基于心理模型試驗(yàn)填方工程沉降規(guī)律

表4中,穩(wěn)定沉降指在離心模型試驗(yàn)中離心加速度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)填方工程頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大的沉降,穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)可參考表2。為了對(duì)比不同高度填方工程的沉降,可采用相對(duì)變形[46]Δδ=S/H,定量分析不同高度填方工程的沉降規(guī)律。具體如下:

(1) 某黃土公路路基[23],在同一壓實(shí)度和填方高度下,路基坡比由1.20提高至1.75,穩(wěn)定沉降由25 cm降至15 cm;相對(duì)變形Δδ由0.83%降至0.50%。提高坡比能有有效減小路基填方工程沉降。

(2) 以圓礫土、卵石土為主的綿陽(yáng)機(jī)場(chǎng)[40],在離心模型試驗(yàn)中,壓實(shí)度由0.90提高至0.98,相對(duì)變形Δδ由0.73%降至0.33%。壓實(shí)度對(duì)填方工程沉降影響顯著。

(3) 某黃土丘陵溝壑區(qū)高填方[43],對(duì)于剛性溝谷填筑地基,填筑厚度由20 m提高至60 m,沉降量由43.7 cm增加至86.1 cm,相對(duì)變形Δδ由2.19%降至1.44%;對(duì)于柔性溝谷填筑地基,填筑厚度由20 m提高至60 m,沉降量由179.8 cm增加至214.0 cm,相對(duì)變形Δδ由8.99%降至3.57%。填筑體高度越高沉降越大,而相對(duì)變形呈減小趨勢(shì)。對(duì)于同一填筑高度,相對(duì)柔性溝谷剛性溝谷的沉降量和相對(duì)變形較小,剛性溝谷對(duì)填筑體有顯著沉降約束作用。

2.3 基于離心模型試驗(yàn)填方工程沉降控制技術(shù)研究進(jìn)展

由上述可知,道路填方工程、機(jī)場(chǎng)填方工程、城建填方工程此3類(lèi)填方工程,增強(qiáng)填料自身的工程特性、提高填筑土壓實(shí)度均可減小填筑體沉降量。對(duì)此,專(zhuān)家學(xué)者們已經(jīng)做了大多基于離心模型試驗(yàn)填方沉降控制技術(shù)研究,目前主要有:強(qiáng)夯技術(shù)、加筋土技術(shù)、土層置換技術(shù)、群樁技術(shù)研究等。本文整理了近年來(lái)基于離心模型試驗(yàn)填方工程沉降控制技術(shù)的相關(guān)研究成果,具體如表5所示。

表5 基于離心模型試驗(yàn)填方工程沉降控制技術(shù)

從表5可以看出,基于離心模型試驗(yàn)填方工程沉降控制技術(shù)的研究?jī)?nèi)容越來(lái)越豐富,研究范圍日益見(jiàn)廣,研究深度也逐漸深入。研究?jī)?nèi)容,從之前單項(xiàng)的加筋土技術(shù)[26,48-49]強(qiáng)夯技術(shù)[4,50-51]、土層置換技術(shù)[41-52]研究到現(xiàn)在的群樁與加筋土復(fù)合技術(shù)[53]研究等;研究范圍從填方工程的填挖交界差異沉降到填方工程整體沉降,從填方工程的豎向變形到填方工程水平位移,從研究高填方填筑地基穩(wěn)定性到高填方填筑體下方的持力層穩(wěn)定性;研究深度,從之前的定性研究到現(xiàn)在的定量研究,從之前的驗(yàn)證結(jié)論性研究到現(xiàn)在的探索性研究,從之前的沉降控制規(guī)律總結(jié)性性研究到現(xiàn)在的解釋規(guī)律機(jī)理研究。

3 展 望

本文回顧了國(guó)內(nèi)外填方工程離心模型試驗(yàn)及技術(shù)發(fā)展歷程,通過(guò)對(duì)現(xiàn)有研究成果進(jìn)行總結(jié),綜述了基于離心模型試驗(yàn)填方工程模擬技術(shù)與方法、填方沉降影響因素與沉降規(guī)律、填方沉降控制技術(shù)方面取得的諸多研究成果。在此基礎(chǔ)上,對(duì)近年來(lái)基于離心模型試驗(yàn)填方工程沉降研究展望如下:

(1) 填方工程沉降控制的關(guān)鍵在于對(duì)施工質(zhì)量嚴(yán)格把控,離心模型試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際填筑施工過(guò)程,需要在離心加速度不變情況下,利用專(zhuān)用加料裝置或者機(jī)械臂進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬填筑過(guò)程,而這需要進(jìn)行更深入嘗試和研究工作,也是國(guó)內(nèi)離心模型試驗(yàn)技術(shù)今后的研究方向之一。

(2) 施工過(guò)程模擬中的沉降穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)是填方工程離心模型試驗(yàn)的重要內(nèi)容。已有基于離心模型試驗(yàn)填方工程沉降研究文獻(xiàn)中,模擬填方工程穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一,基于離心模型試驗(yàn)填方沉降穩(wěn)定條標(biāo)準(zhǔn)有待進(jìn)一步探究。

(3) 數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究及儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)目前相對(duì)薄弱,尤其是在離心力狀態(tài)下土體的孔隙水壓力、土壓力量測(cè)設(shè)備。對(duì)模型影響小、質(zhì)量輕、尺寸小、精度高的孔隙水壓力、土壓力監(jiān)測(cè)設(shè)備仍然是未來(lái)研究方向之一。

(4) 地下水環(huán)境對(duì)填方工程地基沉降影響極大,關(guān)于地下水對(duì)填方地基沉降影響,以及地下水變化與非飽和土特性互相作用機(jī)理的離心模型試驗(yàn)研究工作有待進(jìn)一步開(kāi)展。