季節(jié)性凍土區(qū)風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性和滲透的研究現(xiàn)狀

李剛

摘要：風(fēng)積土在我國分布范圍較廣，其具有顯著的結(jié)構(gòu)性，在溫度、應(yīng)力和滲流作用下，路基常有凍脹、融沉、強(qiáng)度降低等病害發(fā)生，路基填料結(jié)構(gòu)性的損傷與演變是根本原因，給基礎(chǔ)建設(shè)造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。本論文闡述我國西部高緯度和北方地區(qū)風(fēng)積土，在季節(jié)性凍脹、應(yīng)力和滲流耦合作用下，風(fēng)積土路基填料結(jié)構(gòu)性的研究現(xiàn)狀。

【關(guān)鍵詞】路基；結(jié)構(gòu)性；凍融；滲流

我國在西部大開發(fā)戰(zhàn)略中，凍土（尤其是多年凍土）問題已經(jīng)嚴(yán)重影響了公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)等基本建設(shè)，為此中國科學(xué)院蘭州寒旱區(qū)研究所凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量并卓有成效的研究工作。在我國路網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)中，高速公路、高速鐵路和城市地鐵等都會(huì)遇到凍土這一技術(shù)難題。但與西部大開發(fā)不同的是東北的大部分地區(qū)屬于季節(jié)凍土區(qū)風(fēng)積土的范疇，風(fēng)積土是指在干旱的氣候條件下，巖石的風(fēng)化碎屑物被風(fēng)吹揚(yáng)，搬運(yùn)一段距離后，在有利的條件下堆積起來的一類土。

1.季節(jié)性凍土區(qū)風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性的研究現(xiàn)狀

1.1季節(jié)性凍土區(qū)風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性研究方法國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

土的結(jié)構(gòu)性是指它們之間形狀、空隙大小、聯(lián)結(jié)和排列組合以及土顆粒以及土中顆粒合體等一系列綜合特征。根據(jù)近期研究數(shù)據(jù)不難看出，土體的宏觀力學(xué)性質(zhì)直接與其結(jié)構(gòu)性有關(guān)。由內(nèi)因來看，在滲透系數(shù)、各向異性以及固結(jié)系數(shù)等方面，土體的初始結(jié)構(gòu)性會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)一定差異性；由外因來看，就應(yīng)力的路徑、水平、作用過程以及凍融循環(huán)等方面，可以對(duì)形成此生結(jié)構(gòu)以及自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，使即使同一種土，當(dāng)形態(tài)不同的情況下都有可能出現(xiàn)不同的力學(xué)性質(zhì)。土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、孔隙水壓力-應(yīng)變曲線和固結(jié)曲線等都與土的結(jié)構(gòu)性有明顯的關(guān)系。因此，對(duì)于工程力學(xué)性質(zhì)來說，土的結(jié)構(gòu)具有很大影響。由于各地區(qū)的土質(zhì)都不同，因此對(duì)于力學(xué)性質(zhì)的影響也不盡相同，因此，土體結(jié)構(gòu)性的研究離不開具體的工程地質(zhì)環(huán)境、氣候條件和工程條件。

1973年，N.K.Tovey采用微觀圖象定量分析系統(tǒng)來研究定量描述微結(jié)構(gòu)形態(tài)諸要素的方法。同時(shí)，O.Hideki和R.N.Yong等人對(duì)土微結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行了力學(xué)模擬。近些年來，CT技術(shù)等也參與到土的結(jié)構(gòu)性的研究。隨著先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，土的微觀結(jié)構(gòu)研究更加深入，土體的結(jié)構(gòu)性參數(shù)概念逐漸被提出，直接聯(lián)系著土的物理性質(zhì)、工程性質(zhì)以及力學(xué)性質(zhì)等。

1.2季節(jié)性凍土區(qū)風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)影響的研究現(xiàn)狀

在對(duì)非飽和黃土以及結(jié)構(gòu)性黏土等進(jìn)行試驗(yàn)后，將結(jié)構(gòu)性黏土的堆砌體模型進(jìn)行了提出，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)性黏土可利用電競(jìng)技術(shù)進(jìn)行剪切，對(duì)其周圍土體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)總結(jié)與分析；謝定義、齊吉琳等人將描述土結(jié)構(gòu)性的綜合結(jié)構(gòu)式以及定量化參數(shù)進(jìn)行提出，同時(shí)對(duì)土體變形、強(qiáng)度以及綜合結(jié)構(gòu)式之間的關(guān)系進(jìn)行了研究；將架構(gòu)性土體的損傷全過程以及損傷特性運(yùn)用斷裂力學(xué)以及損傷力學(xué)等理論等，同時(shí)將相應(yīng)的耦合解以及數(shù)學(xué)模型建立起來；陳云敏等人利用共振柱儀和動(dòng)三軸儀對(duì)粉土和粉砂的動(dòng)力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出利用剪切波速來反映重塑樣與原位土的結(jié)構(gòu)性差異；以及結(jié)構(gòu)性對(duì)土的固結(jié)變形、微觀變形、卸載體縮現(xiàn)象和機(jī)理的研究等。

1.3 季節(jié)性凍土區(qū)風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性對(duì)土體物理性質(zhì)影響的研究現(xiàn)狀

在不同壓力下，龔曉南等人進(jìn)行了重塑土以及原狀土的相關(guān)滲透試驗(yàn)，對(duì)黏土結(jié)構(gòu)性對(duì)于滲透性的影響進(jìn)行了研究；通過圖像A.Dathe，S. Eins，J. Niemeyer等人對(duì)土體內(nèi)在空隙的分形維數(shù)進(jìn)行了分析，同時(shí)將溶質(zhì)運(yùn)移以及分形維數(shù)的關(guān)系進(jìn)行建立；A.J.VandenBygaart，C.A.Fox，H.L.Kristensen等人研究了氮、蚯蚓等對(duì)土壤結(jié)構(gòu)性的影響；由于對(duì)粒間吸力的認(rèn)識(shí)是非飽和土有效應(yīng)力及變形、強(qiáng)度特性研究的基礎(chǔ)，根據(jù)粒間吸力各組成部分的土粒間吸力的測(cè)試原理和方法，對(duì)紅粘土的粒間吸力進(jìn)行了試驗(yàn)研究；張保華等采用平均結(jié)構(gòu)直徑和結(jié)構(gòu)分形特征進(jìn)行評(píng)價(jià)，并研究了土壤滲透性、持水性等水分特性。

1.4季節(jié)性凍土區(qū)風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性對(duì)土體工程性質(zhì)影響

T.A.Dijkstra對(duì)黃土的對(duì)土體滑坡以及結(jié)構(gòu)性的影響；徐永福等人對(duì)結(jié)構(gòu)性軟土中，軟土的彈塑性性質(zhì)以及打樁引起的超孔隙壓力及其具體的分布情況進(jìn)行研究；郝玉龍、王立忠等人將軟土結(jié)構(gòu)性的地基沉降計(jì)算方式進(jìn)行考慮并提出；陳云敏，王軍等以工程實(shí)踐以及軟土的結(jié)構(gòu)性試驗(yàn)為基礎(chǔ)，將兩段式簡化模型進(jìn)行提出，將一維固結(jié)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)將一維固結(jié)計(jì)算公式進(jìn)行提出，對(duì)其產(chǎn)生影響的因素進(jìn)行分析；另外，還對(duì)含結(jié)構(gòu)性土的土工結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

綜上所述，季節(jié)性凍土區(qū)風(fēng)積土存在結(jié)構(gòu)性，且差異較大，對(duì)力學(xué)、物理及工程性質(zhì)產(chǎn)生不同程度的影響。

2.滲流對(duì)路基填土性質(zhì)的影響

近些年來，滲流對(duì)路基填土性質(zhì)的影響也引起國內(nèi)外學(xué)者的高度重視，它不僅會(huì)影響土體中土水的相互作用，還會(huì)影響凍土區(qū)路基的溫度場(chǎng)。滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合作用，會(huì)直接影響路基填料的力學(xué)性質(zhì)。對(duì)于那些多年凍土地區(qū)，在修筑路堤后可能會(huì)出現(xiàn)夏季路邊坡積水的情況，在路堤及其下壤在進(jìn)行滲流的過程中，因?yàn)闀?huì)出現(xiàn)對(duì)流換熱，因此必然會(huì)在很大程度上影響路堤基地的穩(wěn)定；王瑞剛等研究出了一個(gè)滲流使用模型，是建立在降雨作用下非飽和土高填土路堤上的，考慮不同的降雨入滲深度對(duì)非飽和土路堤穩(wěn)定的影響；吳紫汪等在滲流理論及傳熱學(xué)盧綸的基礎(chǔ)上，將在地表出現(xiàn)積水下滲的情況下，基于滲流場(chǎng)耦合作用以及路基溫度場(chǎng)的作用下，將控制微分方程進(jìn)行導(dǎo)出；吳世余針對(duì)下為砂層、上為粘性土覆蓋層雙層堤基的非穩(wěn)定滲流情況，研究了砂層和覆蓋層因體積脹縮、水動(dòng)延滯所引起的水頭滯后，對(duì)于某些特殊的土質(zhì)條件，導(dǎo)出了解析解；土體的抗剪強(qiáng)度是土體的主要強(qiáng)度指標(biāo)之一，當(dāng)土體中存在滲流情況時(shí)，在水流物力、化學(xué)、力學(xué)的共同作用下，土體的抗剪強(qiáng)度會(huì)隨之發(fā)生變化，柴軍瑞等人將各種情況下，滲流作用對(duì)土體的有效應(yīng)力、切向力以及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)等在滲流作用下產(chǎn)生的影響，最終得出了土體抗剪輕度在滲流作用下的表達(dá)時(shí)；朱文彬，劉寶琛院士等人基于飽和-非飽和的滲流理論，分析了降雨時(shí)的滲流規(guī)律。

綜上所述，滲流會(huì)對(duì)路基穩(wěn)定性產(chǎn)生十分重要的影響，研究路基土結(jié)構(gòu)性應(yīng)當(dāng)考慮滲流場(chǎng)的影響。

3.結(jié)束語

在我國北方地區(qū)，一年中近四分之一處于凍融情況。對(duì)于路基、機(jī)場(chǎng)跑道等土工構(gòu)造物來說，受到非穩(wěn)定（動(dòng)態(tài)）應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)的共同作用，更表現(xiàn)出明顯的結(jié)構(gòu)性。同時(shí)，一些地區(qū)由于地下水流作用（滲流場(chǎng)），對(duì)地表土工構(gòu)造物的破壞也越來越嚴(yán)重。在相關(guān)課題的研究過程中發(fā)現(xiàn)，凍融和滲流對(duì)土體結(jié)構(gòu)性的影響是不可忽視的，某些情況下由此產(chǎn)生的土體次生結(jié)構(gòu)會(huì)成為土體結(jié)構(gòu)性的主導(dǎo)因素，對(duì)土體的宏觀力學(xué)性質(zhì)將產(chǎn)生很大的影響。綜上所述，在我國北方的廣大地區(qū)路基填料結(jié)構(gòu)性的研究應(yīng)包括初始結(jié)構(gòu)性、季節(jié)性凍融過程（溫度場(chǎng)）、動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)性的影響，同時(shí)還應(yīng)考慮滲流場(chǎng)的影響。對(duì)土體結(jié)構(gòu)性的研究涉及到凍融環(huán)境和滲流的影響，而凍融和滲流又是解決季節(jié)凍土區(qū)路基穩(wěn)定和病害的關(guān)鍵問題。

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