基于离心模型试验技术的填方沉降研究进展

周远强,曹 杰,高 鹏,王东晶,陈 建,杨 腾

(1. 机械工业勘察设计研究院有限公司,西安 710043;2. 陕西省特殊岩土性质与处理重点实验室,西安 710043;3. 陕西省既有工程检测与鉴定平台, 西安 710043)

0 前 言

随着离心模型试验的思想提出[1]和离心机技术的出现[2-3],离心模型试验逐渐成为研究岩土工程问题的重要手段。利用离心模型试验手段研究众多岩土工程问题,已经取得了一系列的研究成果。包承纲[4-5]、张炜[6]、周健等[7]系统归纳了离心模型试验技术在水坝、边坡挡墙、地基基础、地下结构等领域的运用。于玉贞等[8]综述了离心模型试验在边坡工程的抗震反应、地震大变形机理、土与结构物相互作用研究进展。油新华等[9],介绍了国外离心模型试验在边坡工程中的运用现状,重点关注了边坡稳定性影响因素的离心模型试验研究进展。陈正发等[10],详细总结了国内外土工动力离心模型试验的研究进展。冯振等[11]分3个阶段回顾了中国离心模型试验技术在岩土工程运用和发展历史。

近年来,随着我国中西部大规模的基础设施建设,填方工程及相关问题研究日益增多,填方工程有高、大、深的特点,做现场原型极其耗时耗力,一般模型试验无法反应真实的填方应力场、位移场,而离心模型试验能够模拟填方工程的应力应变状态、变形及破坏机理,能够避免这些问题。离心模型试验是岩土工程领域最佳的物理模拟方法[12],离心模型试验对填方工程模拟具有优点:与普通(1g)模型试验相比可以解决高填方模型的重力问题,可模拟填方工程的实际高度;可解决时间尺度的问题,可以模拟工后的长期沉降,直至稳定。而离心模型试验在填方工程中的研究现状尚未讨论和总结,本文介绍了土工离心模型试验的发展状况,总结了离心模型试验在填方工程沉降相关研究成果,在此基础上作出了相应展望。

1 离心模型试验发展历程

1.1 离心模型试验发展历程

Phillips[1]于1869年提出了离心模型试验技术的基本思想。20世纪30年代[1-3,13],仅有前苏联和美国进行基于离心模型试验相关研究工作,并将此思想理论付诸于实践。1931年[3]诞生了世界上第1台土工离心机,随后离心模型试验技术越来越受到重视;20世纪60年代[1],英国、日本等国也开始跟进离心模型试验研究工作;20世纪90年代[15],已有大量离心模型试验技术和离心机硬件相关的会议论文,使离心模型试验技术的应用范围迅速扩大,该技术手段俨然成为岩土工程领域研究的强有力工具。

相对于国外,国内将离心模型试验技术用于岩土工程实践及研究的时间较晚,但国内的离心模型试验发展迅猛。我国土工离心模型试验研究自20世纪50年代开始起步[11],之后历经50 a左右的发展,到1999年DL/T 5102—2013 《土工离心模型试验规程》的实施[16],标志着我国离心模型试验技术已经成熟。到目前为止,在“超重力离心模拟”领域已取得突破性进展[17]。

1.2 离心模型试验的相似比规则

据专家学者们的研究[19],离心模型试验利用离心机产生的离心力来等效模拟重力,为了达到原型的尺寸,模型的加速度为a=ng,g是重力加速度,n是模型尺缩的比例。结合填方工程的特点及离心模型试验情况[10,20-21],土工离心模型试验涉及的主要物理的相似关系见表1。

表1 离心模型试验常用物理量相似关系

从表1中可知,对于填方工程的离心模型试验大多数静、动力情况,表中物理量相似关系都是协调的。

2 填方工程离心模型试验沉降研究进展

填方工程一般由经过处理的原始下卧沟谷地基和人工压实的上覆填筑体组成。填方工程的沉降量从空间上可以分为原始沟谷地基沉降和填筑体沉降两部分;从时间上以工程竣工时间为节点,其沉降可以划分为施工期沉降和工后长期沉降。填方工程主要涉及的工程领域有道路路基、机场地基、城市建设地基、水力土石坝等。总的来说,填方地基自身沉降的计算和试验还处于探索阶段,目前还没有成熟的方法。

2.1 基于离心模型试验填方工程模拟概况

根据实际填方区场地约束条件,可将填方工程分为有侧限填方与无侧限填方两种情况。相应的,现有离心模型试验中的铁路路基、高速公路路基多属“线状”、“梯”型无侧限填方;城建造地工程则多属于“U”型或“V”型有侧限的沟谷型填方;填方机场既具有“线状”属性,也受原沟谷形状影响。

2.1.1离心模型试验填方高度与离心加速度

本文对近年来的道路填方工程、机场填方工程、城建填方工程的填方高度与离心模型试验中离心加速度概况进行了统计[22-25],具体如图1所示。

图1填方工程离心模型试验填方高度与离心加速度统计

由图1可以看出,已有的机场填方工程离心模型试验模拟高度范围在20～180 m;城建填方工程离心模型试验模拟高度范围在60～112 m;路基填方工程离心模型试验模拟高度范围在7.5～68 m。

对应实际工程,机场填方工程填方高度范围最大,与机场选址的地形起伏大小密切相关;相对于机场填方工程和城建填方工程,路基填方工程高度最小,原因是对于铁路路基或公路路基,当实际工程填方高度过大,则会选择更为经济的桥基。各类填方工程离心加速度取值离散性较大,与离心机性能有关。

2.1.2离心模型试验模拟过程及稳定标准

离心模型试验的离心力加载过程和加载方式所反映出的应力路径和应力历史对填方工程的模拟结果至关重要。本文将现有填方离心模型试验加载过程及每级稳定标准相关文献分类整理如表2所示。

表2 离心模型试验加载过程及每级稳定标准

由表2可知,填方工程主要通过离心加速度的提升模拟土方填筑过程,主要分为两种:① 级加载,当离心加速度加载到每一级对应加速度后,保持该加速度稳定运行一段时间,一般稳定时间在2～10 min,沉降稳定后再加载下一级离心加速度,直到设定的离心加速度为止。此种加速度加载方式适用于模拟实际填方工程分层填筑情况;② 次性加载,即离心加速度由1g一次性加载至设定的加速度。此种加速度加载方式适用于模拟实际填方工程不考虑工歇期沉降的填筑情况。

上述两种模拟土方填筑是近似方法,而最为合理的实际填筑施工过程模拟是在离心加速度恒定情况下,借助专用加料装置或者机械臂进行动态模拟填筑,既应满足模型几何尺寸的相似比,又应达到填料的密度或压实度相似。目前,由于技术限制还很难完全实现这一功能,需要进一步深入地尝试和研究。

2.2 基于离心模型试验填方工程沉降影响因素及规律研究进展

在过去的十几年里,离心模型试验已经作为强大的技术手段用于填方工程,并在沉降影响因素、沉降规律方面取得了丰富研究成果。本文依据已有研究文献,归纳道路填方工程、机场填方工程、城建填方工程的沉降因素,再对沉降规律进行分析总结。

2.2.1基于离心模型试验填方工程沉降影响因素

本文列出了基于离心模型试验道路填方工程、机场填方工程、城建填方工程的沉降影响因素,具体如表3所示。

表3 基于离心模型试验填方工程沉降影响因素

由表3可知,填方工程、机场填方工程、城建填方工程地基沉降影响因素众多,共有影响沉降主要因素是填料自身的工程特性以及填筑土压实度。对于道路填方工程,包括公路填方路基或者铁路填方路基,都是“线性”工程。道路两侧都是边坡,属于临空面,侧向变形对顶部沉降影响巨大,因此填方坡比是影响道路填方工程沉降的其他主要因素。对于需要填方工程机场,大多数位于像西南山地、黄土沟壑区这些地形起伏大的地区,故沟谷形状是影响机场填方工程沉降的其他主要因素。对于城建填方工程,除了与机场填方工程所处大起伏的地形相似外,还有填方面积规模大的特点,所以填筑体的填筑效率是影响城建填方工程沉降的其他主要因素。

2.2.2基于离心模型试验填方工程沉降规律

对于上述诸多的影响填方工程沉降因素,本文列出了基于离心模型试验道路填方工程、机场填方工程、城建填方工程典型因素影响下的沉降规律,具体如表4所示。

表4 基于心理模型试验填方工程沉降规律

表4中,稳定沉降指在离心模型试验中离心加速度达到稳定状态时填方工程顶部监测点最大的沉降,稳定标准可参考表2。为了对比不同高度填方工程的沉降,可采用相对变形[46]Δδ=S/H,定量分析不同高度填方工程的沉降规律。具体如下:

(1) 某黄土公路路基[23],在同一压实度和填方高度下,路基坡比由1.20提高至1.75,稳定沉降由25 cm降至15 cm;相对变形Δδ由0.83%降至0.50%。提高坡比能有有效减小路基填方工程沉降。

(2) 以圆砾土、卵石土为主的绵阳机场[40],在离心模型试验中,压实度由0.90提高至0.98,相对变形Δδ由0.73%降至0.33%。压实度对填方工程沉降影响显著。

(3) 某黄土丘陵沟壑区高填方[43],对于刚性沟谷填筑地基,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,相对变形Δδ由2.19%降至1.44%;对于柔性沟谷填筑地基,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,相对变形Δδ由8.99%降至3.57%。填筑体高度越高沉降越大,而相对变形呈减小趋势。对于同一填筑高度,相对柔性沟谷刚性沟谷的沉降量和相对变形较小,刚性沟谷对填筑体有显著沉降约束作用。

2.3 基于离心模型试验填方工程沉降控制技术研究进展

由上述可知,道路填方工程、机场填方工程、城建填方工程此3类填方工程,增强填料自身的工程特性、提高填筑土压实度均可减小填筑体沉降量。对此,专家学者们已经做了大多基于离心模型试验填方沉降控制技术研究,目前主要有:强夯技术、加筋土技术、土层置换技术、群桩技术研究等。本文整理了近年来基于离心模型试验填方工程沉降控制技术的相关研究成果,具体如表5所示。

表5 基于离心模型试验填方工程沉降控制技术

从表5可以看出,基于离心模型试验填方工程沉降控制技术的研究内容越来越丰富,研究范围日益见广,研究深度也逐渐深入。研究内容,从之前单项的加筋土技术[26,48-49]强夯技术[4,50-51]、土层置换技术[41-52]研究到现在的群桩与加筋土复合技术[53]研究等;研究范围从填方工程的填挖交界差异沉降到填方工程整体沉降,从填方工程的竖向变形到填方工程水平位移,从研究高填方填筑地基稳定性到高填方填筑体下方的持力层稳定性;研究深度,从之前的定性研究到现在的定量研究,从之前的验证结论性研究到现在的探索性研究,从之前的沉降控制规律总结性性研究到现在的解释规律机理研究。

3 展 望

本文回顾了国内外填方工程离心模型试验及技术发展历程,通过对现有研究成果进行总结,综述了基于离心模型试验填方工程模拟技术与方法、填方沉降影响因素与沉降规律、填方沉降控制技术方面取得的诸多研究成果。在此基础上,对近年来基于离心模型试验填方工程沉降研究展望如下:

(1) 填方工程沉降控制的关键在于对施工质量严格把控,离心模型试验模拟实际填筑施工过程,需要在离心加速度不变情况下,利用专用加料装置或者机械臂进行动态模拟填筑过程,而这需要进行更深入尝试和研究工作,也是国内离心模型试验技术今后的研究方向之一。

(2) 施工过程模拟中的沉降稳定标准是填方工程离心模型试验的重要内容。已有基于离心模型试验填方工程沉降研究文献中,模拟填方工程稳定标准尚未统一,基于离心模型试验填方沉降稳定条标准有待进一步探究。

(3) 数据采集技术研究及仪器设备开发目前相对薄弱,尤其是在离心力状态下土体的孔隙水压力、土压力量测设备。对模型影响小、质量轻、尺寸小、精度高的孔隙水压力、土压力监测设备仍然是未来研究方向之一。

(4) 地下水环境对填方工程地基沉降影响极大,关于地下水对填方地基沉降影响,以及地下水变化与非饱和土特性互相作用机理的离心模型试验研究工作有待进一步开展。