冻融循环对加筋土结构性能影响的研究进展.pdf

投稿网址:2023 年 第23 卷 第27 期2023,23(27):11496-09科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T引用格式:孟亚,徐超,李格烨,等.冻融循环对加筋土结构性能影响的研究进展J.科学技术与工程,2023,23(27):11496-11504.Meng Ya,Xu Chao,Li Geye,et al.Research status of the effect of freeze-thaw cycles on the properties of reinforced soil structureJ.Sci-ence Technology and Engineering,2023,23(27):11496-11504.建筑科学冻融循环对加筋土结构性能影响的研究进展孟亚1,徐超1,2,李格烨1,杜春雪1(1.同济大学地下建筑与工程系,上海 200092;2.同济大学,岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 200092)摘 要 加筋土结构因其具有因地制宜、性能优越和节能减碳等优点而在全球广泛应用。但在季节性冻土地区建造的加筋土结构在全生命周期内会经历多次冻融循环,而冻融循环对加筋土结构性能影响的研究尚不充分。基于已有研究,总结了冻融循环对加筋材料、回填土及加筋土单元体的影响,从室内试验、现场监测以及数值模拟三个方面并结合实际案例总结了加筋土结构在冻融循环作用下性能变化规律,指出了现有研究在冻融循环对加筋土结构的作用机理和评价指标等方面的不足,并展望了在冻融循环影响加筋土结构研究领域未来的发展方向,为加筋土结构的设计及长期稳定性分析提供支撑。关键词 土工合成材料;加筋土结构;冻融循环;研究进展中图法分类号 TU445;文献标志码 A收稿日期:2022-09-06;修订日期:2023-06-27基金项目:安徽省交通运输行业重点科技项目(2021-KJQD-016,2022-KJQD-008)第一作者:孟亚(1998),男,汉族,安徽淮北人,博士研究生。研究方向:土工合成材料加筋土结构。E-mail:2011181 。Research Status of the Effect of Freeze-thaw Cycles on theProperties of Reinforced Soil StructureMENG Ya1,XU Chao1,2,LI Ge-ye1,DU Chun-xue1(1.Department of Geotechnical Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;2.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract The reinforced soil structure is promoted worldwide due to its advantages of adapting to local conditions,superior per-formance,energy saving and carbon reduction.However,the reinforced soil structure built in seasonal frozen soil area will experiencemultiple freeze-thaw cycles in the whole life,and the research on the performance of reinforced soil structures influenced by freeze-thawcycles is still insufficient.The results of investigations into the effect of freeze-thaw cycles on the reinforced materials,backfill and re-inforced soil unit were presented,and the research results of performance changes of reinforced soil structures under freeze-thaw cycleswere summarized from three aspects:laboratory test,field monitoring and numerical simulation,combined with practical cases.The in-adequacy of the existing studies on the mechanism and evaluation index of freeze-thaw cycles on reinforced soil structure are pointedout,and the perspective on the evolution of this research area is proposed,which provides support for the design and long-term stabilityanalysis of reinforced soil structures.Keywords geosynthetics;reinforced soil structure;freeze-thaw cycle;research progress 现代加筋土的概念最早由法国工程师 Vidal1提出,随后提出土的加筋方法和设计理念,1965 年成功修建了世界上第一座加筋土挡墙。加筋土技术在法国的成功运用,引起世界各国的重视,加筋土技术的研究和工程应用在全世界被广泛推广。20世纪 80 年代,中国专家学者开始加筋土技术的研究,随着土工合成材料的研究,加筋土技术也越来越成熟。加筋土结构一般指在土体中加入筋材,充分利用土体抗压强度和筋材抗拉强度的稳定结合体,常见的加筋土结构类型主要包括加筋土挡墙和边坡、加筋土桥台、加筋路基。加筋土结构具有因地制宜、提高整体稳定性以及良好的抗震性能等优点,已被广泛应用于铁路、公路、水利、建筑和港口等领域。世界各地建造的加筋土结构承受不同温度变化的影响,尤其是在季节性冻土地区建造的加筋土结构,在使用寿命期间经历了长期的冻融循环。通常,冻融循环会对含有细颗粒土和水分的土工结构的性能产生负面影响,例如土压力的变化、侧向变形的增加,甚至出现不稳定问题。研究发现,加筋投稿网址:2023,23(27)孟亚,等:冻融循环对加筋土结构性能影响的研究进展11497可以起到削减水平冻胀力,减少工程冻害的作用。因此在季节性冻土地区,加筋土结构的设计应该考虑季节性温度变化引起的冻融及相关问题。Regehr等2指出低温冻土地区土工结构常见问题大多由冻土的空间分布、冻土内的温度分布及冻融循环等因素引起的。尽管季节性冻土地区的岩土工程取得了较大进步和发展,但这些地区土工结构的长期性能却不尽人意。冻融循环会对土工结构的稳定性产生影响3,世界各地已有关于土工结构在冬季因低温引起冻胀而失效的报道4-5。Koerner 等6对全球 171 座加筋土挡墙进行的统计分析表明,由于温度变化引起的冻融问题,其中约 60%的墙体出现了过度的侧向位移,甚至面板产生裂缝或坍塌。因此,为保证加筋土结构在季节性冻土地区发挥正常使用功能,需要对冻融循环下加筋土结构的性能进行深入的研究认识,为工程实践提供指导。目前国内外学者主要采用以下方法对加筋土结构受冻融循环的影响进行研究:采用室内试验分别研究加筋材料、回填土以及加筋土单元体在冻融循环下的特性,包括对土工合成材料进行温度影响下的拉伸、穿刺和蠕变试验,对回填土进行冻融循环下的三轴、直剪试验等,对加筋土单元体进行冻融循环下平面应变试验;利用试验对加筋土结构受冻融循环的影响进行研究,包括室内模型试验和现场试验,研究加筋土结构在缩尺或足尺模型试验和现场监测条件下的变形及失效机理;借助数值分析软件对冻融循环下加筋土结构的性能进行分析研究。现结合文献调研分析冻融循环对加筋材料、回填土及加筋土单元体的影响,从室内试验、现场监测以及数值模拟三个方面结合实际案例总结冻融循环对加筋土结构性能影响的研究成果,讨论目前本领域研究中存在的一些问题,并提出进一步的研究方向。1 冻融循环对材料的影响加筋土是通过在土体中铺设或掺和土工合成材料作为加筋体,来增强土体强度,改善土体的力学特性。目前关于冻融循环对材料影响的研究主要分为两个方向:一是将加筋材料和回填土分开考虑,研究冻融循环对加筋材料和回填土本身特性的影响;二是通过室内试验,研究冻融循环对加筋土单元体的影响。1.1 冻融循环对加筋材料的影响土工合成材料,如土工格栅和土工布,作为加筋土结构中最常用的加筋材料,已经得到了广泛的应用。由于土工合成材料是由聚合物为原料制造而成的不同类型产品,因此加筋土结构在设计中通常考虑其长期性能7-9,研究结果表明,土工合成材料的长期性能和老化特性受外部温度周期性变化的影响10-12。在季节性冻土区建造的加筋土结构,其中的加筋材料承受长期冻融循环的影响,因此需要探究土工合成材料能否承受正负温度的交替变化而正常工作。为研究温度对聚丙烯土工织物性能的影响,Calhoun13分别在 82 和-18 下进行了拉伸试验,试验结果表明,温度对聚丙烯土工织物拉伸强度无显著影响,但土工布的断裂伸长率随温度的下降而减小。Allen 等14-15将五种土工织物置于不同介质(空气、盐水和淡水)中,在正负温下循环 50次,然后分别在 22 和-12 下进行拉伸试验,研究发现,土工织物在正温和负温下的拉伸强度基本相同,且五种土工织物的应力应变特征不受温度循环的影响。Henry 等16研究了干湿和温度循环下土工织物的性能,发现在潮湿条件下的土工织物在负温时的抗拉强度和拉伸模量相较于干燥状态下均增大。对于土工格栅,有研究指出,环境温度升高会增加土工格栅的总蠕变应变和蠕变应变率17。汪恩良等18在-25 25 环境温度下,将土工格栅在水中和空气中分别经历 50 次正负温循环后,在五种环境温度下进行拉伸试验,以研究温度循环变化对土工格栅性能的影响,试验结果表明,聚丙烯土工格栅在低温时抗拉强度明显提高,而两种状态的冻融循环对塑料土工格栅力学性能没有影响。Chantachot 等19对土工格栅进行了一系列拉伸试验,发现其断裂强度和拉伸刚度随环境温度升高而降低。此外赵立财20、Segrestin 等21学者通过研究得到了相同的结论。以上针对土工布及土工格栅受冻融循环影响的研究说明,低温对土工布及土工格栅强度的影响较小,主要是由于土工合成材料大多由高分子聚合物制成,这种非晶态聚合物从玻璃态向高弹态转变的临界玻璃化温度远远低于极端工况所产生的最低温度,且低温会导致材料中的非结晶区分子活动能力降低,分子键不易移动,因此温度降低对加筋材料的影响较小。而高温会增加土工合成材料的蠕变应变,因此其抗拉强度会降低。然而,土工合成材料发挥的性能在很大程度上还是受其实际工程所处环境的影响,目前的研究均未考虑土工合成材料在实际工程的填土中受冻融循环影响后的性能变化,今后还应深入研究土工布和土工格栅在加投稿网址:11498科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(27)筋土结构中实际的冻融循环情况以及多次冻融循环后的强度变化。1.2 冻融循环对回填土的影响事实上,长期的冻融循环不仅会影响加筋材料的性能,还会改变回填土的力学特性。回填土的特性,如土颗粒间的空隙、含水量以及回填土类型等,对冻融循环造成的损害程度起着重要作用。冻融过程是处于不稳定状态的土壤发展为动态稳定状态的过程,反复冻融循环将改变土壤结构,使其进入新的动态稳定平衡状态22。因此,了解加筋土结构回填土与冻融相关的性质对于避免冻融循环造成的损坏至关重要。已有部分研究探讨了冻融循环对回填土力学特性的影响,结果表明,冻融循环对回填土的力学性能影响显著。Klaveren 等23通过研究发现,经历冻融循环后土壤的临界抗剪强度低于未冻结土壤的临界抗剪强度。Wang 等24对青藏铁路沿线地区的黏土进行了冻融循环试验,以研究冻融循环对其物理力学性质的影响,试验结果表明,青藏地区黏土的黏聚力与冻融循环次数成反比关系,而内摩擦角却随循环次数的增加而增加,但总的应力-应变关系曲线形状不受冻融过程的影响,所研究黏土的弹性模量和破坏强度受到较大影响,而 Simonsen等25指 出,冻 融 循 环 后 土 壤 的 弹 性 模 量 下 降20%60%,具体取决于土壤类型。Kamei 等26研究发现,冻融循环次数的增加会降低软黏土的无侧限抗压强度,而对土样的干密度和含水量影响较小,但试样的体积会随冻融循环而变化,最大体积变化发生在首次冻融循环中。宁俊等27通过电子显微镜观察冻融循环对黄土微结构的影响后发现冻融循环作用使黄土内部大颗粒分解为若干小颗粒,试样颗粒间的胶结作用会随着冻融循环次数的增加而不断减小。上述对回填土受冻融影响下的特性研究主要针对黏性土,而在实际工程中填料可能为粉土、粉砂或砾石等。在此情形下,填料受冻融影响下的特性可能与上述不同。例如,针对季节性冻土区的粉砂受冻融影响的试验表明,粉砂的冻融变形随冻融循环次数的增加呈波浪式起伏,并最终趋于稳定状态28。这些试验结果加深了冻融循环对回填土特性影响的认识,但对于其他类型填料的冻融研究仍需更进一步探讨。1.3 冻融循环对加筋土单元体的影响加筋土在冻融循环下通常会经历体积变化、剪切强度损失和压缩性增加,且由冻融循环引起的附加内部应变和应力可能对加筋土的性能产生较大影响。为进一步了解加筋土受冻融影响下的性能,部分学者对加筋土进行了三轴、直剪、平面应变等小型室内试验,研究冻融对加筋土单元体的影响。徐丽娜等29通过无侧限压缩试验研究了玄武岩纤维加固水泥土的冻融行为,试验结果表明,纤维的添加可以有效降低水泥土受冻融影响的强度损失,提高了水泥土抵抗冻融循环的能力。Alfaro等30为研究冻融循环下未加筋和土工格栅加筋粉土的变形特征,进行了室内小型平面应变试验,通过试验分析了冻融循环期间粉土与土工格栅的相互作用,结果表明,冻融循环期间,土和土工格栅间发生了相对滑动,且主要发生于解冻期间。Gong等31进行了冻融循环下聚丙烯纤维加筋土的直剪试验,研究冻融循环对加筋土体抗剪强度参数的影响,结果表明,冻融循环会使加筋土样的黏聚力和内摩擦角均增大,且内摩擦角在首次冻融循环过程中增加较明显;是由于纤维的存在,土中水分易粘附在纤维表面,在冻结过程中,冰晶体沿纤维分布使土样内部结构更加破碎,孔隙数量增加,孔隙形状趋向不规则,原本完整处出现不规则形状。冻融循环使土样内部得空间重新排列,使土颗粒与纤维紧密接触并增加土壤颗粒之间的接触点,从而使黏聚力和内摩擦角增加。此外有研究发现在平面应变条件下,加筋材料的加入减少了单元体冻融循环期间的水平位移,与未加筋试样相比,加筋土试样的水平位移减少约45%32。这种现象可以用加筋土的荷载传递机制来解释,在垂直载荷下,加筋土单元体在垂直和水平方向上会发生变形,土体和筋材之间的摩阻力减少了单元体的水平变形。目前,冻融循环对加筋土单元体的研究大部分是针对纤维材料加筋的单元体,而对土工格栅或土工布加筋单元体的研究较少,但在实际工程中加筋土结构基本都采用土工格栅或土工布作为加筋材料,因此还需对采用土工格栅和土工布加筋的加筋土单元体进行室内试验,研究加筋材料与填土的复合体在冻融循环条件下的适应情况。2 冻融循环对加筋土结构性能的影响冻融循环对加筋土结构产生影响的机理是,随着大气温度的下降,在结构和空气热交换过程中,回填土内部温度达到土中水结晶点时,便产生冻结,随着土中水迁移结晶而形成多晶体、透镜体、冰夹层等形式的冰侵入体,引起土体体积增大,导致结构产生冻胀现象;温度回升,冻结后的土体从表层开始融化,而冻土层的下层尚未融化,水分无法投稿网址:2023,23(27)孟亚,等:冻融循环对加筋土结构性能影响的研究进展11499下渗,使土体处于饱和及过饱和状态,一旦土体中冰侵入体消融成水,而土体又未能完全排水固结,就会使加筋土结构发生沉陷变形。研究结果表明,冻融循环过程中,由于水分场、温度场对结构的耦合作用,导致结构内部水分及温度变化并引起水分及温度场的重分布,从而引起道路路基等结构的冻胀融沉33。目前国内外学者主要采用室内试验、现场监测及数值模拟三种方法研究冻融循环对加筋土结构性能的具体影响。2.1 室内试验与直剪和平面应变等试验相比,室内模型试验通过对实际工程进行缩尺能较好地对加筋土结构的特征进行模拟和分析,揭示了加筋土结构的变形特征及其内部温度分布情况,为深入研究加筋土结构在冻融循环下的性能提供依据。众多学者通过控制冻融循环次数、填土含水率、冻融温度以及填土类型等因素对加筋土结构在冻融循环中内部土压力、水分迁移、位移及温度的变化进行了研究。图 1 冻深最大时加筋土挡墙内部温度场分布(根据文献34修改)Fig.1 Distribution of temperature field in reinforced retainingwall with maximum frozen depth(revised from ref34)汪恩良34在冻融循环下对加筋土挡墙进行了室内缩尺模型试验,试验采用土工格栅作为加筋材料,回填土为粉质黏土,冻融循环的温度为-15 23。降温过程模拟哈尔滨万家野外冻土观测场20062007 年实测降温过程线和冻深过程线,符合季节冻土区加筋土挡墙实际冻胀变形的规律。通过在挡墙顶面施加荷载作用,分析了加筋复合体内部土压力分布、筋土复合体变形以及加筋格栅的应变变化。冻深达到最大值时加筋土挡墙内部温度场分布情况如图 1 所示,可知,加筋土挡墙顶面和墙面板方向温度较低,而内部融土层温度较挡墙顶面和墙面板侧温度要高,符合季节冻土区挡土墙双向冻结温度场分布规律。通过模型试验发现,由于回填土冻结,墙后及加筋土挡墙内部侧向土压力增大,且冻结引起的侧向土压力随深度的增加而增加,说明在冻结过程中产生了水平冻胀力,而土工格栅在水平冻胀力的作用下产生拉应变,此外还发现通过土工格栅加筋可以起到削减水平冻胀力的作用。曲祥民等35在文献34的基础上研究了加筋土挡墙后土体在冻融循环过程中水分迁移规律,得出结论:在黏土冻结过程中,未冻区土体的水分向冻结锋面迁移,且水分迁移量与冻结速率有关;冻结期水分迁移使加筋土挡墙墙后土体含水量增大,挡墙在自身重力作用下易产生较大的融沉变形。吕建航等36为研究土工格栅对膨胀土边坡在冻融循环过程中的稳定效果,开展了加筋膨胀土边坡模型试验,结果表明,土工格栅加筋可约束膨胀土冻融裂缝,同时减小边坡位移,且与黏土边坡不同,膨胀土边坡冻融循环中呈现冻缩融胀特点,最终得出加筋可有效提升冻融循环下膨胀土边坡稳定性的结论。Cui 等37对1.0 m 高的加筋土挡墙在-15 35 的温控箱中进行了五次冻融循环模型试验,冻融分别持续12 h,以研究冻融循环对加筋土挡墙性能的影响。室内模型试验结果表明:加筋土挡墙内部的温度场分布及其力学性能的变化取决于环境温度的改变和冻融循环次数的增加;加筋土挡墙顶部的沉降及侧向变形随冻融循环次数的增加而增加;加筋土挡墙的性能变化主要发生于最初的两到三次冻融循环中。此外,Chen 等38、Sato 等39分别通过一系列室内试验研究观察到加筋土结构的冻胀融沉、顶部沉降以及侧向变形与上述学者研究成果相似。综上分析可知,对于室内试验的研究主要集中于冻融循环次数以及填土含水率对加筋土结构的影响,由于冻融循环对加筋土结构性能产生影响机理的复杂性,以及室内试验方法的局限性,迄今还不能完全对其冻融过程进行完整的实验室模拟。此外,实际工程中加筋土结构除了受到冻融循环的影响,还有可能遭受降雨、地震等复杂工况,因此,如何更为有效地进行室内模拟及评估冻融循环-地震-降雨的耦合工况对加筋土结构性能影响还具有很大挑战性。2.2 现场监测室内试验受尺寸、试验条件以及边界效应等因素的影响而具有一定的局限性。现场试验可以通过对加筋土结构进行长期监测,获取加筋土结构的变形、压力、内部温度等数据,不仅可以判断结构的稳定性,还可以验证室内试验结果和数值模型,因此现场试验在长期的加筋土结构实践中普遍进行。近些年对冻融循环下加筋土结构的现场监测及其细节汇总见表 1。众多学者对加筋土路基、加筋土边坡、加筋土挡墙以及加筋土桥台受冻融循环影响投稿网址:11500科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(27)表 1 冻融循环下加筋土结构现场试验研究汇总Table 1 Summary of field monitoring research of reinforced earth structure under freeze-thaw cycle参考文献现场监测地点 加筋结构类型 填土类型土工合成材料类型监测时长研究内容赵立财20中国加筋路堤砂土土工格栅1 a加筋土路堤对冻融循环的适应性Hayden 等40美国加筋路基黏土土工格栅/土工布1 a季节性冻土地区经土工合成材料处理路基的性能Ge 等41中国加筋路基多年冻土土工格栅4 a土工合成材料处理多年冻土路基的效果Zhang 等43美国加筋路基黏土新型排水土工织物2 a验证良好的排水通道是否能减少路基冻害Liu 等45加拿大加筋边坡砂土土工格栅7 a冻融循环对加筋土边坡侧向位移的影响Stulgis 等47美国加筋土挡墙粉砂土工格栅1 a加筋土挡墙受冻融影响产生冻胀和融沉Fishman 等49美国加筋土挡墙碎石土土工格栅8 a加筋土挡墙内部温度分布规律Atsuko 等51日本加筋土挡墙火山灰土工布1 a冻融循环次数对加筋挡墙冻胀变形的影响Talebi52美国加筋土桥台碎石土工格栅2 a冻融循环次数对加筋土桥台内部压力的影响苏艺等54中国加筋边坡砂土土工格栅1 a多年冻土区加筋路堤边坡的性能Fannin 等55挪威加筋边坡多年冻土土工格栅10 a加筋边坡应力、变形随温度的变化下结构的性能进行了研究。Hayden 等40在美国缅因州一条长3 km 的道路建设中使用土工合成材料,以评估低温冻土地区经土工合成材料处理的路段的性能。Ge 等41讨论了土工合成材料在青藏铁路路基工程中的应用,现场数据表明,土工合成材料在保护永久性冻土、减小不均匀沉降以及抑制纵向裂缝方面表现良好。Henry 等42通过在路基顶部和下方铺设土工合成材料排水网、Zhang 等43研发了一种新型尼龙排水织物并应用于实际工程,试验结果均表明,通过土工合成材料使得路基有良好的排水条件,一定程度上缓解了道路的冻胀和融沉变形。由于路堤填料在多年冻融循环下可能产生空隙,因此 Kinney 等44根据张力膜效应研究了冻土区的土工合成材料加筋路堤的性能并计算在空隙上方支撑路堤所需的土工合成材料的强度,并进行了四次现场试验以验证该理论解析解。Liu 等45、Zarnani46对加拿大一个高 12 m 的加筋黏土边坡分别进行了为期 7 年和 10 年的现场监测,结果均表明在施工完成后,由于冻融循环作用,试验段加筋路堤边坡坡面出现了多次位移,且会造成路堤边坡表面脱落,冻融循环对路堤边坡的影响持续了 2 3年。赵立财20为研究在多年冻土区路基边坡的工程效果与使用条件,在拉萨日喀则铁路进行加筋土路堤设计并开展现场试验,结果表明,加筋土路堤的总体变形趋势和规律是:在施工期间由于施工扰动导致变形明显,经历 1 个冻融循环后,路堤边坡变形增加,而后变形曲线趋于平缓,因此加筋土路堤适应冻融循环下的变形,可用于多年冻土区的边坡防护。在季节性冻土地区,加筋土挡墙一般被用来作为支挡结构,墙面附近和墙体顶部含有细颗粒的填料可能会因冻融循环而受损,最终导致加筋土挡墙破坏(图 2)。Stulgis47通过自动化监测系统对加筋土挡墙进行了为期 1 年的现场监测,发现季节性冻融循环会产生冰晶体、透镜体和其他冻融特征,对含有细颗粒的填料产生影响,导致墙面产生冻胀变形。因此加筋土挡墙施工时应使用粗颗粒作为填料,以防止水分滞留于填料中,导致冻胀和融沉48。Fishman 等49、Wayne 等50学者对同一加筋土挡墙进行实地调研或现场长期监测后,获得加筋土挡墙在冻融影响下的工作特性与上述文献的结论基本相符,但新增了对加筋土挡墙内部温度分布规律的认识,并发现冻融循环可能导致挡墙的坍塌。Atsu-ko 等51研究发现,季节性冻土地区建造的加筋土挡墙出现的冻胀变形会随着冻融循环次数而累积。图 2 冻融循环引起加筋土挡墙的坍塌(根据文献6修改)Fig.2 Collapse of reinforced soil retaining wall caused byfreeze-thaw cycle(revised from ref6)Talebi52对美国一加筋土桥台进行实地观测,研究了温度循环变化对桥台安全性能的影响。该桥是美国特拉华州第一座土工合成材料加筋土柔性桥台复合结构(geosynthetic reinforced soil-integrat-ed bridge system,GRS-IBS)形式的桥梁(设计剖面图如图3 所示,该桥名为 Br.1-366)。该桥梁为两车道单跨结构,总跨度约 8.7 m。GRS 桥台高约 4.8 m,投稿网址:2023,23(27)孟亚,等:冻融循环对加筋土结构性能影响的研究进展11501图 3 Br.1-366 桥设计剖面图Fig.3 The design section of Br.1-366 bridge宽约 14.6 m,位于 0.63 m 厚的加筋土基础之上,加筋间距 0.2 m。本项目的现场监测从桥台施工始,直至桥台竣工后两年。监测结果表明:温度升高时,上部结构倾向于膨胀,对桥台整体产生压力,并有使桥台处桥面抬高的趋势;当空气温度降低时,会出现相反的情况;温度的循环变化会引起桥台变形及侧向土压力的循环变化,随着冻融循环次数增多,温度变化引起的侧向土压力峰值逐渐衰减,且温度的变化会导致桥跨结构的热胀冷缩,对桥跨结构自身变形及桥台综合引道的侧向土压力均有影响。其他如 Neely53对一失效的加筋土挡墙实地调研,苏艺等54对青藏铁路路堤边坡的现场监测,Fannin55对一高 5 m 的加筋土陡坡进行了为期 10年的监测等对加筋土结构的调研监测成果都在不同程度上支持了上述结论。综上所述,现场监测能够很好地反映加筋土结构受冻融循环影响的工程性能变化,其研究结果可以很好地为加筋土结构的设计提供案例依据。然而,现场监测由于其价格昂贵、需要与施工配合、设备埋设较为复杂以及监测仪器损坏率高导致监测结果不理想等原因。国外的研究主要针对小型加筋土结构,而目前中国对加筋土结构受冻融循环影响的现场试验研究还较少。因此,对季冻区加筋土结构现场监测的研究还需再深入地考虑,如对监测元件的保护,以及建立现代信息传输通信手段,使其能够长期、系统的进行监测。2.3 数值模拟研究通常采用模型试验对加筋土结构在冻融下的特性做初步的定性分析,而进一步深入的研究采用数值程序来完成。对加筋土结构冻融循环的数值模拟方面,Liu等56对哈尔滨至大连客运专线长春段试验加筋路堤的温度特性进行了分析,通过数值软件模拟了50 年内环境温度变化对路堤的影响,结果表明,加筋却可改善路堤在冻融循环期间的性能。赵荣飞等57利用 ABAQUS 有限元计算软件对多次冻融后加筋黏土路堤进行有限元计算,确定了冻融循环后位移和应力的最大值并发现增加加筋黏土路堤中的格栅层数、增大土体压实度或减小土体的初始含水率都可以减小冻融后加筋路堤的竖向和水平位移。Kasozi 等58采用 ANASYS 数值模拟软件对加筋土挡墙在温度变化影响下的性能进行了研究,并根据亚利桑那州的一个 MSE(mechanically stabilizedearth)挡墙的现场实测数据对本研究中的数值模拟建模(几何尺寸、边界条件、材料性能参数)进行了校准,研究发现数值模拟结果与现场实测结果误差小于 5%。汪恩良等59在室内模型试验的基础上进行了有限元数值模拟,对比研究了加筋土挡墙在冻融循环后所受荷载大小与挡墙位移的关系,计算结果表明,加筋土挡墙冻融循环后加载破坏以沉降变形破坏为主,墙体中部变形量最大,冻融使表层土疏松、局部变形偏大,导致有限元计算结果小于模型试验结果。为了验证试验结果,崔飞龙等60采用数值模拟方法研究了冻融循环对加筋土挡墙内部的温度场的影响,数值模拟结果表明,环境温度对加筋土挡墙内温度场的影响主要集中于边界(顶面及墙面)上,距边界较远处所受冻融循环影响较小。由于数值模拟结果的精确程度取决于参数的合理性,因此仍需要试验对参数进行确定和验证。此外在进行数值建模分析时,需要根据工程特点选择合适的数值模拟程序、合理的本构模型,并结合模型试验结果对模型进行修正,从而得到理想的规律和结论。3 结论与展望3.1 结论本文对加筋土结构在冻融循环影响下性能的研究现状进行了详细的总结分析,得到如下主要结论。(1)室内试验表明,冻融循环对加筋材料(土工布及土工格栅)的力学性能基本没有影响,而对回填土影响显著,对回填土体物理力学性质的影响主要取决于回填土类型及含水率。(2)加筋土结构中筋材的约束力对土体冻胀有一定的抑制作用,因此加筋可以削弱水平冻胀力,提高加筋土结构的稳定性,减少冻融对工程的冻害,因此加筋土结构在冻融循环下表现出的性能优于普通土工结构。投稿网址:11502科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(27)(3)模型试验、现场监测以及数值模拟结果均表明,加筋土结构内部的温度场分布及其力学性能的变化受到环境温度的改变和冻融循环次数的影响,环境温度对加筋土结构内部温度场的影响主要集中于边界上;而加筋土结构顶部的沉降及侧向变形随冻融循环次数的增加而增加。(4)根据对冻融循环对加筋土结构性能影响研究成果的讨论,可以发现目前关于冻融影响加筋土结构的研究还存在如下问题:由于加筋土结构特性和影响因素的复杂性和多样性,室内及现场试验结果数据的对比性不高;而目前现场试验研究主要是针对小型加筋土结构的,对于体型较大、高度较高的加筋土结构在季节性冻土区的表现鲜有涉及;同时,地震、降雨等因素的耦合叠加会对季冻区的加筋土结构产生更大影响;已有的研究往往集中于试验研究,对于具体的加筋土结构在冻融循环情况下的温度变化响应、变形及稳定性的理论研究并不充分,国内外相关技术标准均未考虑冻融循环的影响,因此,加筋土结构受冻融循环影响下的变形限值的确定仍没有统一的标准,需要进一步的探索。3.2 展望从已有的研究成果出发,针对上述存在的问题,认为可以在如下方面进行更深入或更全面的探讨。实践发现加筋土结构在冻融循环下表现出的性能优于普通土工结构,对于冻融循环下加筋土结构对温度变化响应的理论远远落后于实践的问题,可以通过考虑加筋土结构内部温度变化与外部环境温度、材料导热性质、加筋土结构尺寸等相关因素的关系,提出理论计算公式并通过模型试验、现场监测结果与数值结果对比验证其正确性,进而重点研究相关因素对结构内部温度的影响,并发现冻融循环与加筋土结构变形的相关关系,确定冻融影响下加筋土结构变形的限值,为加筋土结构的设计及长期稳定性分析提供理论基础。随着加筋土结构在西部高寒强震地区的建设,在加筋土结构的应用中,加筋土结构不仅承受着长期的冻融循环,地震、降雨等实际工程条件纷繁复杂,在理论研究及相关工程设计中难以概化。针对这些问题,还应该从模拟真实工况的角度,通过试验及数值方法来研究及评估经历了冻融-地震-降雨耦合条件下加筋土结构的变形规律及失效模式。此外已有研究成果表明,冻融循环会对加筋土结构的性能产生负面影响,严重时可能造成加筋土结构失效,因此不仅需要进一步研究加筋土结构的变形随冻融循环的变化规律,更应结合工程实际,研究相应的工程防护措施,以减少冻融循环对加筋土结构的危害;并通过建立云服务等现代信息通信技术,通过专业监测手段加强季冻区加筋土结构长期监测并预警,为工程运维和科学研究提供必要资料。参考文献1 Vidal H.The principle of reinforced earthJ/Highway ResearchRecord,1969,282:1-16.2 Regehr J D,Milligan C A,Montufar J,et al.Review of effective-ness and costs of strategies to improve roadbed stability in permafrostregionsJ.Journal of Cold Regions Engineering,2013,27(3):109-131.3 宋彦琦,郑俊杰,李向上,等.冻融循环作用对土质边坡稳定性的影响J.科学技术与工程,2020,20(19):7885-7890.Song Yanqi,Zheng Junjie,Li Xiangshang,et 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