基于離心模型試驗技術的填方沉降研究進展

周遠強,曹 杰,高 鵬,王東晶,陳 建,楊 騰

(1. 機械工業勘察設計研究院有限公司,西安 710043;2. 陜西省特殊巖土性質與處理重點實驗室,西安 710043;3. 陜西省既有工程檢測與鑒定平臺, 西安 710043)

0 前 言

隨著離心模型試驗的思想提出[1]和離心機技術的出現[2-3],離心模型試驗逐漸成為研究巖土工程問題的重要手段。利用離心模型試驗手段研究眾多巖土工程問題,已經取得了一系列的研究成果。包承綱[4-5]、張煒[6]、周健等[7]系統歸納了離心模型試驗技術在水壩、邊坡擋墻、地基基礎、地下結構等領域的運用。于玉貞等[8]綜述了離心模型試驗在邊坡工程的抗震反應、地震大變形機理、土與結構物相互作用研究進展。油新華等[9],介紹了國外離心模型試驗在邊坡工程中的運用現狀,重點關注了邊坡穩定性影響因素的離心模型試驗研究進展。陳正發等[10],詳細總結了國內外土工動力離心模型試驗的研究進展。馮振等[11]分3個階段回顧了中國離心模型試驗技術在巖土工程運用和發展歷史。

近年來,隨著我國中西部大規模的基礎設施建設,填方工程及相關問題研究日益增多,填方工程有高、大、深的特點,做現場原型極其耗時耗力,一般模型試驗無法反應真實的填方應力場、位移場,而離心模型試驗能夠模擬填方工程的應力應變狀態、變形及破壞機理,能夠避免這些問題。離心模型試驗是巖土工程領域最佳的物理模擬方法[12],離心模型試驗對填方工程模擬具有優點:與普通(1g)模型試驗相比可以解決高填方模型的重力問題,可模擬填方工程的實際高度;可解決時間尺度的問題,可以模擬工后的長期沉降,直至穩定。而離心模型試驗在填方工程中的研究現狀尚未討論和總結,本文介紹了土工離心模型試驗的發展狀況,總結了離心模型試驗在填方工程沉降相關研究成果,在此基礎上作出了相應展望。

1 離心模型試驗發展歷程

1.1 離心模型試驗發展歷程

Phillips[1]于1869年提出了離心模型試驗技術的基本思想。20世紀30年代[1-3,13],僅有前蘇聯和美國進行基于離心模型試驗相關研究工作,并將此思想理論付諸于實踐。1931年[3]誕生了世界上第1臺土工離心機,隨后離心模型試驗技術越來越受到重視;20世紀60年代[1],英國、日本等國也開始跟進離心模型試驗研究工作;20世紀90年代[15],已有大量離心模型試驗技術和離心機硬件相關的會議論文,使離心模型試驗技術的應用范圍迅速擴大,該技術手段儼然成為巖土工程領域研究的強有力工具。

相對于國外,國內將離心模型試驗技術用于巖土工程實踐及研究的時間較晚,但國內的離心模型試驗發展迅猛。我國土工離心模型試驗研究自20世紀50年代開始起步[11],之后歷經50 a左右的發展,到1999年DL/T 5102—2013 《土工離心模型試驗規程》的實施[16],標志著我國離心模型試驗技術已經成熟。到目前為止,在“超重力離心模擬”領域已取得突破性進展[17]。

1.2 離心模型試驗的相似比規則

據專家學者們的研究[19],離心模型試驗利用離心機產生的離心力來等效模擬重力,為了達到原型的尺寸,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。結合填方工程的特點及離心模型試驗情況[10,20-21],土工離心模型試驗涉及的主要物理的相似關系見表1。

表1 離心模型試驗常用物理量相似關系

從表1中可知,對于填方工程的離心模型試驗大多數靜、動力情況,表中物理量相似關系都是協調的。

2 填方工程離心模型試驗沉降研究進展

填方工程一般由經過處理的原始下臥溝谷地基和人工壓實的上覆填筑體組成。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;從時間上以工程竣工時間為節點,其沉降可以劃分為施工期沉降和工后長期沉降。填方工程主要涉及的工程領域有道路路基、機場地基、城市建設地基、水力土石壩等?？偟膩碚f,填方地基自身沉降的計算和試驗還處于探索階段,目前還沒有成熟的方法。

2.1 基于離心模型試驗填方工程模擬概況

根據實際填方區場地約束條件,可將填方工程分為有側限填方與無側限填方兩種情況。相應的,現有離心模型試驗中的鐵路路基、高速公路路基多屬“線狀”、“梯”型無側限填方;城建造地工程則多屬于“U”型或“V”型有側限的溝谷型填方;填方機場既具有“線狀”屬性,也受原溝谷形狀影響。

2.1.1離心模型試驗填方高度與離心加速度

本文對近年來的道路填方工程、機場填方工程、城建填方工程的填方高度與離心模型試驗中離心加速度概況進行了統計[22-25],具體如圖1所示。

圖1填方工程離心模型試驗填方高度與離心加速度統計

由圖1可以看出,已有的機場填方工程離心模型試驗模擬高度范圍在20～180 m;城建填方工程離心模型試驗模擬高度范圍在60～112 m;路基填方工程離心模型試驗模擬高度范圍在7.5～68 m。

對應實際工程,機場填方工程填方高度范圍最大,與機場選址的地形起伏大小密切相關;相對于機場填方工程和城建填方工程,路基填方工程高度最小,原因是對于鐵路路基或公路路基,當實際工程填方高度過大,則會選擇更為經濟的橋基。各類填方工程離心加速度取值離散性較大,與離心機性能有關。

2.1.2離心模型試驗模擬過程及穩定標準

離心模型試驗的離心力加載過程和加載方式所反映出的應力路徑和應力歷史對填方工程的模擬結果至關重要。本文將現有填方離心模型試驗加載過程及每級穩定標準相關文獻分類整理如表2所示。

表2 離心模型試驗加載過程及每級穩定標準

由表2可知,填方工程主要通過離心加速度的提升模擬土方填筑過程,主要分為兩種:① 級加載,當離心加速度加載到每一級對應加速度后,保持該加速度穩定運行一段時間,一般穩定時間在2～10 min,沉降穩定后再加載下一級離心加速度,直到設定的離心加速度為止。此種加速度加載方式適用于模擬實際填方工程分層填筑情況;② 次性加載,即離心加速度由1g一次性加載至設定的加速度。此種加速度加載方式適用于模擬實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,而最為合理的實際填筑施工過程模擬是在離心加速度恒定情況下,借助專用加料裝置或者機械臂進行動態模擬填筑,既應滿足模型幾何尺寸的相似比,又應達到填料的密度或壓實度相似。目前,由于技術限制還很難完全實現這一功能,需要進一步深入地嘗試和研究。

2.2 基于離心模型試驗填方工程沉降影響因素及規律研究進展

在過去的十幾年里,離心模型試驗已經作為強大的技術手段用于填方工程,并在沉降影響因素、沉降規律方面取得了豐富研究成果。本文依據已有研究文獻,歸納道路填方工程、機場填方工程、城建填方工程的沉降因素,再對沉降規律進行分析總結。

2.2.1基于離心模型試驗填方工程沉降影響因素

本文列出了基于離心模型試驗道路填方工程、機場填方工程、城建填方工程的沉降影響因素,具體如表3所示。

表3 基于離心模型試驗填方工程沉降影響因素

由表3可知,填方工程、機場填方工程、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度。對于道路填方工程,包括公路填方路基或者鐵路填方路基,都是“線性”工程。道路兩側都是邊坡,屬于臨空面,側向變形對頂部沉降影響巨大,因此填方坡比是影響道路填方工程沉降的其他主要因素。對于需要填方工程機場,大多數位于像西南山地、黃土溝壑區這些地形起伏大的地區,故溝谷形狀是影響機場填方工程沉降的其他主要因素。對于城建填方工程,除了與機場填方工程所處大起伏的地形相似外,還有填方面積規模大的特點,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基于離心模型試驗填方工程沉降規律

對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道路填方工程、機場填方工程、城建填方工程典型因素影響下的沉降規律,具體如表4所示。

表4 基于心理模型試驗填方工程沉降規律

表4中,穩定沉降指在離心模型試驗中離心加速度達到穩定狀態時填方工程頂部監測點最大的沉降,穩定標準可參考表2。為了對比不同高度填方工程的沉降,可采用相對變形[46]Δδ=S/H,定量分析不同高度填方工程的沉降規律。具體如下:

(1) 某黃土公路路基[23],在同一壓實度和填方高度下,路基坡比由1.20提高至1.75,穩定沉降由25 cm降至15 cm;相對變形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、卵石土為主的綿陽機場[40],在離心模型試驗中,壓實度由0.90提高至0.98,相對變形Δδ由0.73%降至0.33%。壓實度對填方工程沉降影響顯著。

(3) 某黃土丘陵溝壑區高填方[43],對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,相對變形Δδ由2.19%降至1.44%;對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,相對變形Δδ由8.99%降至3.57%。填筑體高度越高沉降越大,而相對變形呈減小趨勢。對于同一填筑高度,相對柔性溝谷剛性溝谷的沉降量和相對變形較小,剛性溝谷對填筑體有顯著沉降約束作用。

2.3 基于離心模型試驗填方工程沉降控制技術研究進展

由上述可知,道路填方工程、機場填方工程、城建填方工程此3類填方工程,增強填料自身的工程特性、提高填筑土壓實度均可減小填筑體沉降量。對此,專家學者們已經做了大多基于離心模型試驗填方沉降控制技術研究,目前主要有:強夯技術、加筋土技術、土層置換技術、群樁技術研究等。本文整理了近年來基于離心模型試驗填方工程沉降控制技術的相關研究成果,具體如表5所示。

表5 基于離心模型試驗填方工程沉降控制技術

從表5可以看出,基于離心模型試驗填方工程沉降控制技術的研究內容越來越豐富,研究范圍日益見廣,研究深度也逐漸深入。研究內容,從之前單項的加筋土技術[26,48-49]強夯技術[4,50-51]、土層置換技術[41-52]研究到現在的群樁與加筋土復合技術[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定性到高填方填筑體下方的持力層穩定性;研究深度,從之前的定性研究到現在的定量研究,從之前的驗證結論性研究到現在的探索性研究,從之前的沉降控制規律總結性性研究到現在的解釋規律機理研究。

3 展 望

本文回顧了國內外填方工程離心模型試驗及技術發展歷程,通過對現有研究成果進行總結,綜述了基于離心模型試驗填方工程模擬技術與方法、填方沉降影響因素與沉降規律、填方沉降控制技術方面取得的諸多研究成果。在此基礎上,對近年來基于離心模型試驗填方工程沉降研究展望如下:

(1) 填方工程沉降控制的關鍵在于對施工質量嚴格把控,離心模型試驗模擬實際填筑施工過程,需要在離心加速度不變情況下,利用專用加料裝置或者機械臂進行動態模擬填筑過程,而這需要進行更深入嘗試和研究工作,也是國內離心模型試驗技術今后的研究方向之一。

(2) 施工過程模擬中的沉降穩定標準是填方工程離心模型試驗的重要內容。已有基于離心模型試驗填方工程沉降研究文獻中,模擬填方工程穩定標準尚未統一,基于離心模型試驗填方沉降穩定條標準有待進一步探究。

(3) 數據采集技術研究及儀器設備開發目前相對薄弱,尤其是在離心力狀態下土體的孔隙水壓力、土壓力量測設備。對模型影響小、質量輕、尺寸小、精度高的孔隙水壓力、土壓力監測設備仍然是未來研究方向之一。

(4) 地下水環境對填方工程地基沉降影響極大,關于地下水對填方地基沉降影響,以及地下水變化與非飽和土特性互相作用機理的離心模型試驗研究工作有待進一步開展。