凍融循環(huán)對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)性能影響的研究進(jìn)展

孟亞,徐超,2,李格燁,杜春雪

(1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海 200092; 2.同濟(jì)大學(xué),巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092)

現(xiàn)代加筋土的概念最早由法國工程師Vidal[1]提出,隨后提出土的加筋方法和設(shè)計(jì)理念,1965年成功修建了世界上第一座加筋土擋墻。加筋土技術(shù)在法國的成功運(yùn)用,引起世界各國的重視,加筋土技術(shù)的研究和工程應(yīng)用在全世界被廣泛推廣。20世紀(jì)80年代,中國專家學(xué)者開始加筋土技術(shù)的研究,隨著土工合成材料的研究,加筋土技術(shù)也越來越成熟。加筋土結(jié)構(gòu)一般指在土體中加入筋材,充分利用土體抗壓強(qiáng)度和筋材抗拉強(qiáng)度的穩(wěn)定結(jié)合體,常見的加筋土結(jié)構(gòu)類型主要包括加筋土擋墻和邊坡、加筋土橋臺(tái)、加筋路基。加筋土結(jié)構(gòu)具有因地制宜、提高整體穩(wěn)定性以及良好的抗震性能等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、水利、建筑和港口等領(lǐng)域。

世界各地建造的加筋土結(jié)構(gòu)承受不同溫度變化的影響,尤其是在季節(jié)性凍土地區(qū)建造的加筋土結(jié)構(gòu),在使用壽命期間經(jīng)歷了長(zhǎng)期的凍融循環(huán)。通常,凍融循環(huán)會(huì)對(duì)含有細(xì)顆粒土和水分的土工結(jié)構(gòu)的性能產(chǎn)生負(fù)面影響,例如土壓力的變化、側(cè)向變形的增加,甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定問題。研究發(fā)現(xiàn),加筋可以起到削減水平凍脹力,減少工程凍害的作用。因此在季節(jié)性凍土地區(qū),加筋土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮季節(jié)性溫度變化引起的凍融及相關(guān)問題。Regehr等[2]指出低溫凍土地區(qū)土工結(jié)構(gòu)常見問題大多由凍土的空間分布、凍土內(nèi)的溫度分布及凍融循環(huán)等因素引起的。盡管季節(jié)性凍土地區(qū)的巖土工程取得了較大進(jìn)步和發(fā)展,但這些地區(qū)土工結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期性能卻不盡人意。凍融循環(huán)會(huì)對(duì)土工結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[3],世界各地已有關(guān)于土工結(jié)構(gòu)在冬季因低溫引起凍脹而失效的報(bào)道[4-5]。Koerner等[6]對(duì)全球171座加筋土擋墻進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析表明,由于溫度變化引起的凍融問題,其中約60%的墻體出現(xiàn)了過度的側(cè)向位移,甚至面板產(chǎn)生裂縫或坍塌。因此,為保證加筋土結(jié)構(gòu)在季節(jié)性凍土地區(qū)發(fā)揮正常使用功能,需要對(duì)凍融循環(huán)下加筋土結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行深入的研究認(rèn)識(shí),為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。

目前國內(nèi)外學(xué)者主要采用以下方法對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)受凍融循環(huán)的影響進(jìn)行研究:①采用室內(nèi)試驗(yàn)分別研究加筋材料、回填土以及加筋土單元體在凍融循環(huán)下的特性,包括對(duì)土工合成材料進(jìn)行溫度影響下的拉伸、穿刺和蠕變?cè)囼?yàn),對(duì)回填土進(jìn)行凍融循環(huán)下的三軸、直剪試驗(yàn)等,對(duì)加筋土單元體進(jìn)行凍融循環(huán)下平面應(yīng)變?cè)囼?yàn);②利用試驗(yàn)對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)受凍融循環(huán)的影響進(jìn)行研究,包括室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),研究加筋土結(jié)構(gòu)在縮尺或足尺模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)條件下的變形及失效機(jī)理;③借助數(shù)值分析軟件對(duì)凍融循環(huán)下加筋土結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行分析研究。

現(xiàn)結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研分析凍融循環(huán)對(duì)加筋材料、回填土及加筋土單元體的影響,從室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及數(shù)值模擬三個(gè)方面結(jié)合實(shí)際案例總結(jié)凍融循環(huán)對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)性能影響的研究成果,討論目前本領(lǐng)域研究中存在的一些問題,并提出進(jìn)一步的研究方向。

1 凍融循環(huán)對(duì)材料的影響

加筋土是通過在土體中鋪設(shè)或摻和土工合成材料作為加筋體,來增強(qiáng)土體強(qiáng)度,改善土體的力學(xué)特性。目前關(guān)于凍融循環(huán)對(duì)材料影響的研究主要分為兩個(gè)方向:一是將加筋材料和回填土分開考慮,研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)加筋材料和回填土本身特性的影響;二是通過室內(nèi)試驗(yàn),研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)加筋土單元體的影響。

1.1 凍融循環(huán)對(duì)加筋材料的影響

土工合成材料,如土工格柵和土工布,作為加筋土結(jié)構(gòu)中最常用的加筋材料,已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。由于土工合成材料是由聚合物為原料制造而成的不同類型產(chǎn)品,因此加筋土結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中通?？紤]其長(zhǎng)期性能[7-9],研究結(jié)果表明,土工合成材料的長(zhǎng)期性能和老化特性受外部溫度周期性變化的影響[10-12]。在季節(jié)性凍土區(qū)建造的加筋土結(jié)構(gòu),其中的加筋材料承受長(zhǎng)期凍融循環(huán)的影響,因此需要探究土工合成材料能否承受正負(fù)溫度的交替變化而正常工作。

為研究溫度對(duì)聚丙烯土工織物性能的影響,Calhoun[13]分別在82 ℃和-18 ℃下進(jìn)行了拉伸試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,溫度對(duì)聚丙烯土工織物拉伸強(qiáng)度無顯著影響,但土工布的斷裂伸長(zhǎng)率隨溫度的下降而減小。Allen等[14-15]將五種土工織物置于不同介質(zhì)(空氣、鹽水和淡水)中,在正負(fù)溫下循環(huán)50次,然后分別在22 ℃和-12 ℃下進(jìn)行拉伸試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn),土工織物在正溫和負(fù)溫下的拉伸強(qiáng)度基本相同,且五種土工織物的應(yīng)力應(yīng)變特征不受溫度循環(huán)的影響。Henry等[16]研究了干濕和溫度循環(huán)下土工織物的性能,發(fā)現(xiàn)在潮濕條件下的土工織物在負(fù)溫時(shí)的抗拉強(qiáng)度和拉伸模量相較于干燥狀態(tài)下均增大。

對(duì)于土工格柵,有研究指出,環(huán)境溫度升高會(huì)增加土工格柵的總?cè)渥儜?yīng)變和蠕變應(yīng)變率[17]。汪恩良等[18]在-25～25 ℃環(huán)境溫度下,將土工格柵在水中和空氣中分別經(jīng)歷50次正負(fù)溫循環(huán)后,在五種環(huán)境溫度下進(jìn)行拉伸試驗(yàn),以研究溫度循環(huán)變化對(duì)土工格柵性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明,聚丙烯土工格柵在低溫時(shí)抗拉強(qiáng)度明顯提高,而兩種狀態(tài)的凍融循環(huán)對(duì)塑料土工格柵力學(xué)性能沒有影響。Chantachot等[19]對(duì)土工格柵進(jìn)行了一系列拉伸試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其斷裂強(qiáng)度和拉伸剛度隨環(huán)境溫度升高而降低。此外趙立財(cái)[20]、Segrestin等[21]學(xué)者通過研究得到了相同的結(jié)論。

以上針對(duì)土工布及土工格柵受凍融循環(huán)影響的研究說明,低溫對(duì)土工布及土工格柵強(qiáng)度的影響較小,主要是由于土工合成材料大多由高分子聚合物制成,這種非晶態(tài)聚合物從玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界玻璃化溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于極端工況所產(chǎn)生的最低溫度,且低溫會(huì)導(dǎo)致材料中的非結(jié)晶區(qū)分子活動(dòng)能力降低,分子鍵不易移動(dòng),因此溫度降低對(duì)加筋材料的影響較小。而高溫會(huì)增加土工合成材料的蠕變應(yīng)變,因此其抗拉強(qiáng)度會(huì)降低。然而,土工合成材料發(fā)揮的性能在很大程度上還是受其實(shí)際工程所處環(huán)境的影響,目前的研究均未考慮土工合成材料在實(shí)際工程的填土中受凍融循環(huán)影響后的性能變化,今后還應(yīng)深入研究土工布和土工格柵在加筋土結(jié)構(gòu)中實(shí)際的凍融循環(huán)情況以及多次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度變化。

1.2 凍融循環(huán)對(duì)回填土的影響

事實(shí)上,長(zhǎng)期的凍融循環(huán)不僅會(huì)影響加筋材料的性能,還會(huì)改變回填土的力學(xué)特性?；靥钔恋奶匦?如土顆粒間的空隙、含水量以及回填土類型等,對(duì)凍融循環(huán)造成的損害程度起著重要作用。凍融過程是處于不穩(wěn)定狀態(tài)的土壤發(fā)展為動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)的過程,反復(fù)凍融循環(huán)將改變土壤結(jié)構(gòu),使其進(jìn)入新的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定平衡狀態(tài)[22]。因此,了解加筋土結(jié)構(gòu)回填土與凍融相關(guān)的性質(zhì)對(duì)于避免凍融循環(huán)造成的損壞至關(guān)重要。

已有部分研究探討了凍融循環(huán)對(duì)回填土力學(xué)特性的影響,結(jié)果表明,凍融循環(huán)對(duì)回填土的力學(xué)性能影響顯著。Klaveren等[23]通過研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)歷凍融循環(huán)后土壤的臨界抗剪強(qiáng)度低于未凍結(jié)土壤的臨界抗剪強(qiáng)度。Wang等[24]對(duì)青藏鐵路沿線地區(qū)的黏土進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn),以研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明,青藏地區(qū)黏土的黏聚力與凍融循環(huán)次數(shù)成反比關(guān)系,而內(nèi)摩擦角卻隨循環(huán)次數(shù)的增加而增加,但總的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線形狀不受凍融過程的影響,所研究黏土的彈性模量和破壞強(qiáng)度受到較大影響,而Simonsen等[25]指出,凍融循環(huán)后土壤的彈性模量下降 20%～60%,具體取決于土壤類型。Kamei等[26]研究發(fā)現(xiàn),凍融循環(huán)次數(shù)的增加會(huì)降低軟黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,而對(duì)土樣的干密度和含水量影響較小,但試樣的體積會(huì)隨凍融循環(huán)而變化,最大體積變化發(fā)生在首次凍融循環(huán)中。寧俊等[27]通過電子顯微鏡觀察凍融循環(huán)對(duì)黃土微結(jié)構(gòu)的影響后發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用使黃土內(nèi)部大顆粒分解為若干小顆粒,試樣顆粒間的膠結(jié)作用會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減小。

上述對(duì)回填土受凍融影響下的特性研究主要針對(duì)黏性土,而在實(shí)際工程中填料可能為粉土、粉砂或礫石等。在此情形下,填料受凍融影響下的特性可能與上述不同。例如,針對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)的粉砂受凍融影響的試驗(yàn)表明,粉砂的凍融變形隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈波浪式起伏,并最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)[28]。這些試驗(yàn)結(jié)果加深了凍融循環(huán)對(duì)回填土特性影響的認(rèn)識(shí),但對(duì)于其他類型填料的凍融研究仍需更進(jìn)一步探討。

1.3 凍融循環(huán)對(duì)加筋土單元體的影響

加筋土在凍融循環(huán)下通常會(huì)經(jīng)歷體積變化、剪切強(qiáng)度損失和壓縮性增加,且由凍融循環(huán)引起的附加內(nèi)部應(yīng)變和應(yīng)力可能對(duì)加筋土的性能產(chǎn)生較大影響。為進(jìn)一步了解加筋土受凍融影響下的性能,部分學(xué)者對(duì)加筋土進(jìn)行了三軸、直剪、平面應(yīng)變等小型室內(nèi)試驗(yàn),研究?jī)鋈趯?duì)加筋土單元體的影響。

徐麗娜等[29]通過無側(cè)限壓縮試驗(yàn)研究了玄武巖纖維加固水泥土的凍融行為,試驗(yàn)結(jié)果表明,纖維的添加可以有效降低水泥土受凍融影響的強(qiáng)度損失,提高了水泥土抵抗凍融循環(huán)的能力。Alfaro等[30]為研究?jī)鋈谘h(huán)下未加筋和土工格柵加筋粉土的變形特征,進(jìn)行了室內(nèi)小型平面應(yīng)變?cè)囼?yàn),通過試驗(yàn)分析了凍融循環(huán)期間粉土與土工格柵的相互作用,結(jié)果表明,凍融循環(huán)期間,土和土工格柵間發(fā)生了相對(duì)滑動(dòng),且主要發(fā)生于解凍期間。Gong等[31]進(jìn)行了凍融循環(huán)下聚丙烯纖維加筋土的直剪試驗(yàn),研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)加筋土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響,結(jié)果表明,凍融循環(huán)會(huì)使加筋土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角均增大,且內(nèi)摩擦角在首次凍融循環(huán)過程中增加較明顯;是由于纖維的存在,土中水分易粘附在纖維表面,在凍結(jié)過程中,冰晶體沿纖維分布使土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加破碎,孔隙數(shù)量增加,孔隙形狀趨向不規(guī)則,原本完整處出現(xiàn)不規(guī)則形狀。凍融循環(huán)使土樣內(nèi)部得空間重新排列,使土顆粒與纖維緊密接觸并增加土壤顆粒之間的接觸點(diǎn),從而使黏聚力和內(nèi)摩擦角增加。

此外有研究發(fā)現(xiàn)在平面應(yīng)變條件下,加筋材料的加入減少了單元體凍融循環(huán)期間的水平位移,與未加筋試樣相比,加筋土試樣的水平位移減少約45%[32]。這種現(xiàn)象可以用加筋土的荷載傳遞機(jī)制來解釋,在垂直載荷下,加筋土單元體在垂直和水平方向上會(huì)發(fā)生變形,土體和筋材之間的摩阻力減少了單元體的水平變形。

目前,凍融循環(huán)對(duì)加筋土單元體的研究大部分是針對(duì)纖維材料加筋的單元體,而對(duì)土工格柵或土工布加筋單元體的研究較少,但在實(shí)際工程中加筋土結(jié)構(gòu)基本都采用土工格柵或土工布作為加筋材料,因此還需對(duì)采用土工格柵和土工布加筋的加筋土單元體進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),研究加筋材料與填土的復(fù)合體在凍融循環(huán)條件下的適應(yīng)情況。

2 凍融循環(huán)對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)性能的影響

凍融循環(huán)對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的機(jī)理是,隨著大氣溫度的下降,在結(jié)構(gòu)和空氣熱交換過程中,回填土內(nèi)部溫度達(dá)到土中水結(jié)晶點(diǎn)時(shí),便產(chǎn)生凍結(jié),隨著土中水遷移結(jié)晶而形成多晶體、透鏡體、冰夾層等形式的冰侵入體,引起土體體積增大,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象;溫度回升,凍結(jié)后的土體從表層開始融化,而凍土層的下層尚未融化,水分無法下滲,使土體處于飽和及過飽和狀態(tài),一旦土體中冰侵入體消融成水,而土體又未能完全排水固結(jié),就會(huì)使加筋土結(jié)構(gòu)發(fā)生沉陷變形。研究結(jié)果表明,凍融循環(huán)過程中,由于水分場(chǎng)、溫度場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)的耦合作用,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部水分及溫度變化并引起水分及溫度場(chǎng)的重分布,從而引起道路路基等結(jié)構(gòu)的凍脹融沉[33]。目前國內(nèi)外學(xué)者主要采用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬三種方法研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)性能的具體影響。

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)

與直剪和平面應(yīng)變等試驗(yàn)相比,室內(nèi)模型試驗(yàn)通過對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行縮尺能較好地對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)的特征進(jìn)行模擬和分析,揭示了加筋土結(jié)構(gòu)的變形特征及其內(nèi)部溫度分布情況,為深入研究加筋土結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)下的性能提供依據(jù)。眾多學(xué)者通過控制凍融循環(huán)次數(shù)、填土含水率、凍融溫度以及填土類型等因素對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)中內(nèi)部土壓力、水分遷移、位移及溫度的變化進(jìn)行了研究。

汪恩良[34]在凍融循環(huán)下對(duì)加筋土擋墻進(jìn)行了室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn),試驗(yàn)采用土工格柵作為加筋材料,回填土為粉質(zhì)黏土,凍融循環(huán)的溫度為-15～23 ℃。降溫過程模擬哈爾濱萬家野外凍土觀測(cè)場(chǎng)2006—2007年實(shí)測(cè)降溫過程線和凍深過程線,符合季節(jié)凍土區(qū)加筋土擋墻實(shí)際凍脹變形的規(guī)律。通過在擋墻頂面施加荷載作用,分析了加筋復(fù)合體內(nèi)部土壓力分布、筋土復(fù)合體變形以及加筋格柵的應(yīng)變變化。凍深達(dá)到最大值時(shí)加筋土擋墻內(nèi)部溫度場(chǎng)分布情況如圖1所示,可知,加筋土擋墻頂面和墻面板方向溫度較低,而內(nèi)部融土層溫度較擋墻頂面和墻面板側(cè)溫度要高,符合季節(jié)凍土區(qū)擋土墻雙向凍結(jié)溫度場(chǎng)分布規(guī)律。通過模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),由于回填土凍結(jié),墻后及加筋土擋墻內(nèi)部側(cè)向土壓力增大,且凍結(jié)引起的側(cè)向土壓力隨深度的增加而增加,說明在凍結(jié)過程中產(chǎn)生了水平凍脹力,而土工格柵在水平凍脹力的作用下產(chǎn)生拉應(yīng)變,此外還發(fā)現(xiàn)通過土工格柵加筋可以起到削減水平凍脹力的作用。曲祥民等[35]在文獻(xiàn)[34]的基礎(chǔ)上研究了加筋土擋墻后土體在凍融循環(huán)過程中水分遷移規(guī)律,得出結(jié)論:在黏土凍結(jié)過程中,未凍區(qū)土體的水分向凍結(jié)鋒面遷移,且水分遷移量與凍結(jié)速率有關(guān);凍結(jié)期水分遷移使加筋土擋墻墻后土體含水量增大,擋墻在自身重力作用下易產(chǎn)生較大的融沉變形。

圖1 凍深最大時(shí)加筋土擋墻內(nèi)部溫度場(chǎng)分布(根據(jù)文獻(xiàn)[34]修改)

呂建航等[36]為研究土工格柵對(duì)膨脹土邊坡在凍融循環(huán)過程中的穩(wěn)定效果,開展了加筋膨脹土邊坡模型試驗(yàn),結(jié)果表明,土工格柵加筋可約束膨脹土凍融裂縫,同時(shí)減小邊坡位移,且與黏土邊坡不同,膨脹土邊坡凍融循環(huán)中呈現(xiàn)凍縮融脹特點(diǎn),最終得出加筋可有效提升凍融循環(huán)下膨脹土邊坡穩(wěn)定性的結(jié)論。Cui等[37]對(duì)1.0 m高的加筋土擋墻在-15～35 ℃的溫控箱中進(jìn)行了五次凍融循環(huán)模型試驗(yàn),凍融分別持續(xù)12 h,以研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)加筋土擋墻性能的影響。室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果表明:①加筋土擋墻內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布及其力學(xué)性能的變化取決于環(huán)境溫度的改變和凍融循環(huán)次數(shù)的增加;②加筋土擋墻頂部的沉降及側(cè)向變形隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加;③加筋土擋墻的性能變化主要發(fā)生于最初的兩到三次凍融循環(huán)中。此外,Chen等[38]、Sato等[39]分別通過一系列室內(nèi)試驗(yàn)研究觀察到加筋土結(jié)構(gòu)的凍脹融沉、頂部沉降以及側(cè)向變形與上述學(xué)者研究成果相似。

綜上分析可知,對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)的研究主要集中于凍融循環(huán)次數(shù)以及填土含水率對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)的影響,由于凍融循環(huán)對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生影響機(jī)理的復(fù)雜性,以及室內(nèi)試驗(yàn)方法的局限性,迄今還不能完全對(duì)其凍融過程進(jìn)行完整的實(shí)驗(yàn)室模擬。此外,實(shí)際工程中加筋土結(jié)構(gòu)除了受到凍融循環(huán)的影響,還有可能遭受降雨、地震等復(fù)雜工況,因此,如何更為有效地進(jìn)行室內(nèi)模擬及評(píng)估凍融循環(huán)-地震-降雨的耦合工況對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)性能影響還具有很大挑戰(zhàn)性。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

室內(nèi)試驗(yàn)受尺寸、試驗(yàn)條件以及邊界效應(yīng)等因素的影響而具有一定的局限性?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可以通過對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),獲取加筋土結(jié)構(gòu)的變形、壓力、內(nèi)部溫度等數(shù)據(jù),不僅可以判斷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,還可以驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模型,因此現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在長(zhǎng)期的加筋土結(jié)構(gòu)實(shí)踐中普遍進(jìn)行。近些年對(duì)凍融循環(huán)下加筋土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及其細(xì)節(jié)匯總見表1。眾多學(xué)者對(duì)加筋土路基、加筋土邊坡、加筋土擋墻以及加筋土橋臺(tái)受凍融循環(huán)影響下結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了研究。Hayden等[40]在美國緬因州一條長(zhǎng)3 km的道路建設(shè)中使用土工合成材料,以評(píng)估低溫凍土地區(qū)經(jīng)土工合成材料處理的路段的性能。Ge等[41]討論了土工合成材料在青藏鐵路路基工程中的應(yīng)用,現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表明,土工合成材料在保護(hù)永久性凍土、減小不均勻沉降以及抑制縱向裂縫方面表現(xiàn)良好。Henry等[42]通過在路基頂部和下方鋪設(shè)土工合成材料排水網(wǎng)、Zhang等[43]研發(fā)了一種新型尼龍排水織物并應(yīng)用于實(shí)際工程,試驗(yàn)結(jié)果均表明,通過土工合成材料使得路基有良好的排水條件,一定程度上緩解了道路的凍脹和融沉變形。

表1 凍融循環(huán)下加筋土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究匯總

由于路堤填料在多年凍融循環(huán)下可能產(chǎn)生空隙,因此Kinney等[44]根據(jù)張力膜效應(yīng)研究了凍土區(qū)的土工合成材料加筋路堤的性能并計(jì)算在空隙上方支撐路堤所需的土工合成材料的強(qiáng)度,并進(jìn)行了四次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以驗(yàn)證該理論解析解。Liu等[45]、Zarnani[46]對(duì)加拿大一個(gè)高12 m的加筋黏土邊坡分別進(jìn)行了為期7年和10年的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),結(jié)果均表明在施工完成后,由于凍融循環(huán)作用,試驗(yàn)段加筋路堤邊坡坡面出現(xiàn)了多次位移,且會(huì)造成路堤邊坡表面脫落,凍融循環(huán)對(duì)路堤邊坡的影響持續(xù)了 2～3年。趙立財(cái)[20]為研究在多年凍土區(qū)路基邊坡的工程效果與使用條件,在拉薩—日喀則鐵路進(jìn)行加筋土路堤設(shè)計(jì)并開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),結(jié)果表明,加筋土路堤的總體變形趨勢(shì)和規(guī)律是:在施工期間由于施工擾動(dòng)導(dǎo)致變形明顯,經(jīng)歷1個(gè)凍融循環(huán)后,路堤邊坡變形增加,而后變形曲線趨于平緩,因此加筋土路堤適應(yīng)凍融循環(huán)下的變形,可用于多年凍土區(qū)的邊坡防護(hù)。

在季節(jié)性凍土地區(qū),加筋土擋墻一般被用來作為支擋結(jié)構(gòu),墻面附近和墻體頂部含有細(xì)顆粒的填料可能會(huì)因凍融循環(huán)而受損,最終導(dǎo)致加筋土擋墻破壞(圖2)。Stulgis[47]通過自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)加筋土擋墻進(jìn)行了為期1年的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)季節(jié)性凍融循環(huán)會(huì)產(chǎn)生冰晶體、透鏡體和其他凍融特征,對(duì)含有細(xì)顆粒的填料產(chǎn)生影響,導(dǎo)致墻面產(chǎn)生凍脹變形。因此加筋土擋墻施工時(shí)應(yīng)使用粗顆粒作為填料,以防止水分滯留于填料中,導(dǎo)致凍脹和融沉[48]。Fishman等[49]、Wayne等[50]學(xué)者對(duì)同一加筋土擋墻進(jìn)行實(shí)地調(diào)研或現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)后,獲得加筋土擋墻在凍融影響下的工作特性與上述文獻(xiàn)的結(jié)論基本相符,但新增了對(duì)加筋土擋墻內(nèi)部溫度分布規(guī)律的認(rèn)識(shí),并發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)可能導(dǎo)致?lián)鯄Φ奶?。Atsuko等[51]研究發(fā)現(xiàn),季節(jié)性凍土地區(qū)建造的加筋土擋墻出現(xiàn)的凍脹變形會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)而累積。

圖2 凍融循環(huán)引起加筋土擋墻的坍塌(根據(jù)文獻(xiàn)[6]修改)

Talebi[52]對(duì)美國一加筋土橋臺(tái)進(jìn)行實(shí)地觀測(cè),研究了溫度循環(huán)變化對(duì)橋臺(tái)安全性能的影響。該橋是美國特拉華州第一座土工合成材料加筋土柔性橋臺(tái)復(fù)合結(jié)構(gòu)(geosynthetic reinforced soil-integrated bridge system,GRS-IBS)形式的橋梁(設(shè)計(jì)剖面圖如圖3所示,該橋名為Br.1-366)。該橋梁為兩車道單跨結(jié)構(gòu),總跨度約8.7 m。GRS橋臺(tái)高約4.8 m,寬約14.6 m,位于0.63 m厚的加筋土基礎(chǔ)之上,加筋間距0.2 m。本項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)從橋臺(tái)施工始,直至橋臺(tái)竣工后兩年。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:①溫度升高時(shí),上部結(jié)構(gòu)傾向于膨脹,對(duì)橋臺(tái)整體產(chǎn)生壓力,并有使橋臺(tái)處橋面抬高的趨勢(shì);當(dāng)空氣溫度降低時(shí),會(huì)出現(xiàn)相反的情況;②溫度的循環(huán)變化會(huì)引起橋臺(tái)變形及側(cè)向土壓力的循環(huán)變化,隨著凍融循環(huán)次數(shù)增多,溫度變化引起的側(cè)向土壓力峰值逐漸衰減,且溫度的變化會(huì)導(dǎo)致橋跨結(jié)構(gòu)的熱脹冷縮,對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)自身變形及橋臺(tái)綜合引道的側(cè)向土壓力均有影響。

圖3 Br.1-366橋設(shè)計(jì)剖面圖

其他如Neely[53]對(duì)一失效的加筋土擋墻實(shí)地調(diào)研,蘇藝等[54]對(duì)青藏鐵路路堤邊坡的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),Fannin[55]對(duì)一高5 m的加筋土陡坡進(jìn)行了為期10年的監(jiān)測(cè)等對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)的調(diào)研監(jiān)測(cè)成果都在不同程度上支持了上述結(jié)論。

綜上所述,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)能夠很好地反映加筋土結(jié)構(gòu)受凍融循環(huán)影響的工程性能變化,其研究結(jié)果可以很好地為加筋土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供案例依據(jù)。然而,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)由于其價(jià)格昂貴、需要與施工配合、設(shè)備埋設(shè)較為復(fù)雜以及監(jiān)測(cè)儀器損壞率高導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果不理想等原因。國外的研究主要針對(duì)小型加筋土結(jié)構(gòu),而目前中國對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)受凍融循環(huán)影響的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究還較少。因此,對(duì)季凍區(qū)加筋土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的研究還需再深入地考慮,如對(duì)監(jiān)測(cè)元件的保護(hù),以及建立現(xiàn)代信息傳輸通信手段,使其能夠長(zhǎng)期、系統(tǒng)的進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.3 數(shù)值模擬研究

通常采用模型試驗(yàn)對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)在凍融下的特性做初步的定性分析,而進(jìn)一步深入的研究采用數(shù)值程序來完成。

對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)凍融循環(huán)的數(shù)值模擬方面,Liu等[56]對(duì)哈爾濱至大連客運(yùn)專線長(zhǎng)春段試驗(yàn)加筋路堤的溫度特性進(jìn)行了分析,通過數(shù)值軟件模擬了 50年內(nèi)環(huán)境溫度變化對(duì)路堤的影響,結(jié)果表明,加筋卻可改善路堤在凍融循環(huán)期間的性能。趙榮飛等[57]利用ABAQUS有限元計(jì)算軟件對(duì)多次凍融后加筋黏土路堤進(jìn)行有限元計(jì)算,確定了凍融循環(huán)后位移和應(yīng)力的最大值并發(fā)現(xiàn)增加加筋黏土路堤中的格柵層數(shù)、增大土體壓實(shí)度或減小土體的初始含水率都可以減小凍融后加筋路堤的豎向和水平位移。Kasozi等[58]采用ANASYS數(shù)值模擬軟件對(duì)加筋土擋墻在溫度變化影響下的性能進(jìn)行了研究,并根據(jù)亞利桑那州的一個(gè)MSE(mechanically stabilized earth)擋墻的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)本研究中的數(shù)值模擬建模(幾何尺寸、邊界條件、材料性能參數(shù))進(jìn)行了校準(zhǔn),研究發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果誤差小于±5%。汪恩良等[59]在室內(nèi)模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬,對(duì)比研究了加筋土擋墻在凍融循環(huán)后所受荷載大小與擋墻位移的關(guān)系,計(jì)算結(jié)果表明,加筋土擋墻凍融循環(huán)后加載破壞以沉降變形破壞為主,墻體中部變形量最大,凍融使表層土疏松、局部變形偏大,導(dǎo)致有限元計(jì)算結(jié)果小于模型試驗(yàn)結(jié)果。為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果,崔飛龍等[60]采用數(shù)值模擬方法研究了凍融循環(huán)對(duì)加筋土擋墻內(nèi)部的溫度場(chǎng)的影響,數(shù)值模擬結(jié)果表明,環(huán)境溫度對(duì)加筋土擋墻內(nèi)溫度場(chǎng)的影響主要集中于邊界(頂面及墻面)上,距邊界較遠(yuǎn)處所受凍融循環(huán)影響較小。

由于數(shù)值模擬結(jié)果的精確程度取決于參數(shù)的合理性,因此仍需要試驗(yàn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行確定和驗(yàn)證。此外在進(jìn)行數(shù)值建模分析時(shí),需要根據(jù)工程特點(diǎn)選擇合適的數(shù)值模擬程序、合理的本構(gòu)模型,并結(jié)合模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行修正,從而得到理想的規(guī)律和結(jié)論。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

本文對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)影響下性能的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)分析,得到如下主要結(jié)論。

(1)室內(nèi)試驗(yàn)表明,凍融循環(huán)對(duì)加筋材料(土工布及土工格柵)的力學(xué)性能基本沒有影響,而對(duì)回填土影響顯著,對(duì)回填土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響主要取決于回填土類型及含水率。

(2)加筋土結(jié)構(gòu)中筋材的約束力對(duì)土體凍脹有一定的抑制作用,因此加筋可以削弱水平凍脹力,提高加筋土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,減少凍融對(duì)工程的凍害,因此加筋土結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)下表現(xiàn)出的性能優(yōu)于普通土工結(jié)構(gòu)。

(3)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及數(shù)值模擬結(jié)果均表明,加筋土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布及其力學(xué)性能的變化受到環(huán)境溫度的改變和凍融循環(huán)次數(shù)的影響,環(huán)境溫度對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響主要集中于邊界上;而加筋土結(jié)構(gòu)頂部的沉降及側(cè)向變形隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加。

(4)根據(jù)對(duì)凍融循環(huán)對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)性能影響研究成果的討論,可以發(fā)現(xiàn)目前關(guān)于凍融影響加筋土結(jié)構(gòu)的研究還存在如下問題:由于加筋土結(jié)構(gòu)特性和影響因素的復(fù)雜性和多樣性,室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的對(duì)比性不高;而目前現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究主要是針對(duì)小型加筋土結(jié)構(gòu)的,對(duì)于體型較大、高度較高的加筋土結(jié)構(gòu)在季節(jié)性凍土區(qū)的表現(xiàn)鮮有涉及;同時(shí),地震、降雨等因素的耦合疊加會(huì)對(duì)季凍區(qū)的加筋土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大影響;已有的研究往往集中于試驗(yàn)研究,對(duì)于具體的加筋土結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)情況下的溫度變化響應(yīng)、變形及穩(wěn)定性的理論研究并不充分,國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)均未考慮凍融循環(huán)的影響,因此,加筋土結(jié)構(gòu)受凍融循環(huán)影響下的變形限值的確定仍沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),需要進(jìn)一步的探索。

3.2 展望

從已有的研究成果出發(fā),針對(duì)上述存在的問題,認(rèn)為可以在如下方面進(jìn)行更深入或更全面的探討。

實(shí)踐發(fā)現(xiàn)加筋土結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)下表現(xiàn)出的性能優(yōu)于普通土工結(jié)構(gòu),對(duì)于凍融循環(huán)下加筋土結(jié)構(gòu)對(duì)溫度變化響應(yīng)的理論遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于實(shí)踐的問題,可以通過考慮加筋土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度變化與外部環(huán)境溫度、材料導(dǎo)熱性質(zhì)、加筋土結(jié)構(gòu)尺寸等相關(guān)因素的關(guān)系,提出理論計(jì)算公式并通過模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證其正確性,進(jìn)而重點(diǎn)研究相關(guān)因素對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的影響,并發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)與加筋土結(jié)構(gòu)變形的相關(guān)關(guān)系,確定凍融影響下加筋土結(jié)構(gòu)變形的限值,為加筋土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析提供理論基礎(chǔ)。

隨著加筋土結(jié)構(gòu)在西部高寒強(qiáng)震地區(qū)的建設(shè),在加筋土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中,加筋土結(jié)構(gòu)不僅承受著長(zhǎng)期的凍融循環(huán),地震、降雨等實(shí)際工程條件紛繁復(fù)雜,在理論研究及相關(guān)工程設(shè)計(jì)中難以概化。針對(duì)這些問題,還應(yīng)該從模擬真實(shí)工況的角度,通過試驗(yàn)及數(shù)值方法來研究及評(píng)估經(jīng)歷了凍融-地震-降雨耦合條件下加筋土結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律及失效模式。

此外已有研究成果表明,凍融循環(huán)會(huì)對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)的性能產(chǎn)生負(fù)面影響,嚴(yán)重時(shí)可能造成加筋土結(jié)構(gòu)失效,因此不僅需要進(jìn)一步研究加筋土結(jié)構(gòu)的變形隨凍融循環(huán)的變化規(guī)律,更應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際,研究相應(yīng)的工程防護(hù)措施,以減少凍融循環(huán)對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)的危害;并通過建立云服務(wù)等現(xiàn)代信息通信技術(shù),通過專業(yè)監(jiān)測(cè)手段加強(qiáng)季凍區(qū)加筋土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)并預(yù)警,為工程運(yùn)維和科學(xué)研究提供必要資料。