季冻区水位变化对土体力学场的影响研究

2018-03-24蒋佳莉

山西建筑 2018年20期

蒋佳莉

(宁夏大学土木与水利工程学院,宁夏银川 750021)

0 引言

地表土层的干湿状态常常受到水分变化的影响，使土体处于饱和与非饱和状态中。冬季土体冻结，春夏土体融化，季节更替导致土中气水分布发生变化；冬季地下水回落、地表水冻结与春暖回灌，地下水位上升，干湿状态交替导致土体应力应变场发生变化；同时全球变暖和一些极端恶劣气候现象，使得土体干湿循环强度增强，对土体内部颗粒的排列方式、孔隙结构以及含水率产生影响，从而引发土体表层土的力学性质，持水特性，渗透特性的改变[1,2]，也会对土体应力应变场分布产生较大改变。这些造成路基工程、渠道衬砌、地基工程发生冻胀、融沉、不均匀沉降等破坏，给地区经济发展带来诸多不利。因此，研究季冻区水分变化对应力应变场的影响意义重大。

1 宏观水分变化对土体应力应变场影响研究

水分变化主要表现在地下水位的升降和地表水变化。冬季严寒初期，水位变化影响不大；冻结发展期使得冻结层水分增加，上部含水量减少，而下层由于向冻结锋面移动，含水量减少，总体表现为地下水位下降；春暖融冻时期，土体从底部和表层两个方向解冻，在压力势作用下向上返浆，表层水分增大，土体强度下降，在重力势作用下下渗，导致同期地下水位上升[3]。地表水分因季节气候因素在季冻区常呈现春夏降水多，秋冬降水少，冬季常以降雪形式作为水分补充。

宏观水分变化对实际工程产生的破坏有：任振华[4]通过研究水分变化对边坡工程稳定性影响，认为水位的骤降引起非稳定渗流，产生不利于边坡稳定的孔隙水压力，非稳定渗流越强烈，对边坡土体的危害越大。在渠道衬砌中，由于渠基土体水分增加，导致土体冻结膨胀破坏。在路基工程中，水分的运动会引起土体水热状况的变化，由此引发的应力重分布是冻害融沉的主要因素，冬季土成冰膨胀，路基扭曲或折断，夏季或人为干扰，已冻结土会融化，土体固结下沉，引发不均匀变形，塌落。陈卡拉等[5]通过研究水位升降环境下的湖区软基对其桩基础工作性能发现桩侧孔隙水压力的变化导致近桩区沉降远大于其他位置处。

水分变化对土体力学性能产生的影响有：李国玉等[6]指出土体内部结构，强度以及构筑物的强度会因此受到显著影响，改变土体的物理力学性质,如：干密度、含水率、孔隙比、结构性、颗粒连接方式、渗透性等。倪万魁等[7]认为冻融循环微观过程中使得黄土颗粒之间的原有固结逐渐减弱，表现为内摩擦角增大，黏聚力下降，最终使得黄土抗剪强度与重塑黄土强度接近。在对黄土的相关试验中表明[8-16]，随着冻融循环次数增加，冻融循环对黄土强度具有弱化作用，相应的干密度、黏聚力、强度、弹性模量等参数都降低，而内摩擦角影响不大或虽有增长但幅度不大。张芳枝等[17]通过室内和现场试验发现：干湿循环使压实黄土强度降低，渗透系数增加，内摩擦角减小。孔令坤[18]在恒温状态下对土体进行了封闭水分迁移试验，通过动态监测黏土、粉土、细砂水分变化过程，分析了土性及初始含水量对水分迁移的影响。

我国在水分对于应力应变场的影响研究上涉及土体强度，变形以及数值模拟应用。Kay等[19]通过对多次干湿循环后土体抗拉强度试验，发现抗拉强度明显降低。马巍等[20]对不同围压下土体的三剪抗剪强度试验，发现冻土强度随着围压增大而增大。毛雪松[21]通过试验得出在冻胀范围一定情况下，水分迁移的大小决定着变形场以及应力场中最大变形及最大应力值的大小，而对极值点的位置影响不大。刘雄等[22]对渠道冻结过程中的水分场，应力场，位移场进行了数值分析，建立了冻土本构模型。Takashi等[23]通过对土体渗透率和围压对冻胀的影响分析，建立了半经验模型。这为耦合模型的发展提供了理论基础，使得水热力场耦合模型得到了很快发展。

2 微观水分变化对土体应力应变场影响研究

水分迁移的影响主要表现在随着温度的升降，土体冻结或融化，冬季温度降低，土体冻结成冰，体积发生膨胀，春夏温度升高，已冻结土体融化，土体排水固结，会发生不均匀变形，塌落等。

对于水分迁移的研究主要分为理论研究和试验研究。试验研究又可分为室内试验和室外试验。土体中微观水分变化中关于水分迁移动力，国内外学者提出过很多假说：毛细管作用力；薄膜水中的迁移理论和吸附薄膜理论；含水量梯度；基质吸力梯度，以及徐学祖曾提出的14种假说。水力梯度曾认为是迁移动力，但考虑土的类型，滞后效应，应力历史等因素，被人们广泛接受的是Harlan提出的土水势梯度[24]。目前关于水分迁移的基本理论主要分为两种:一是水动力学，认为土体冻结过程中主要发生热量交换，水分迁移，以及水分相变这三种物理过程，并且土体的水分场，温度场相互作用；二是土水势理论[25]，土水势理论认为迁移动力由基质势、压力势、溶质势、重力势、温度势构成，利用Clausius-Clapeyron方程来求取土水势，并且考虑了迁移过程中的热量。关于微观水分变化下开展的试验研究主要有：孙建乐[26]在非饱和土水分迁移试验研究中认为当土体水分以不同形态存在时，迁移量不同。齐吉琳等[27]通过对反复冻融循环下土体的试验研究发现：冻融循环下，黄土大中孔隙个数占孔隙总面积百分比增加，对松土具有强化作用，相应的强度增加，而内摩擦角影响不大。徐学祖[28,29]通过室内土柱试验研究封闭系统正冻土和已冻土的水分迁移规律，室外试验研究开放系统的非饱和土正冻土水分运动规律。

工程中土体对应力应变场的影响根本原因在于土体结构的改变，而结构的改变在某种程度上可以通过微观结构的改变进行解释。因此宏观力学性质与微观结构特征之间存在着一种关系。近年来随着技术发展，采用扫描电子显微镜对路基土体微观结构进行研究。倪万魁等[7]认为对土体微观结构的研究一般包括四个方面：颗粒形态、颗粒排列方式、孔隙性、颗粒的接触关系，大量研究都是基于此定性的解释一系列物理力学性质。如高国瑞[30,31]、杨运来[32]通过黄土微观结构特征对黄土湿陷性进行系统研究；BAI等[33]对黄土的微观结构研究，初步建立了黄土微观结构与其宏观力学性质间的定量关系。谷宪明等[34]通过试验发现对路基冻胀的影响区段集中粒径2 μm～5 μm，5 μm～10 μm，而孔隙集中于小于1 μm和1 μm～2 μm之间，从而揭示了粘粒和孔隙为水分迁移的重要因素。当有外界水源补给时，穆彦虎等[35]通过试验发现随着冻融循环次数的增加，土样内部冰晶的生长及冷生结构的形成导致土中孔隙体积增加，形成新的骨架结构，大中孔隙个数及其所占孔隙总面积百分比显著增加。张国栋等[36]通过对三峡水库运行后水位周期性涨落下边坡土体开展了研究，发现土体的物理结构破坏，土体由致密有序的斑状块状结构最终变成杂乱的絮凝状结构。以上土体微观结构的变化会导致宏观力学特性的改变，进而对土体应力应变场产生影响。

3 目前存在问题与不足

3.1 水分迁移动力研究仍需探索

冻土中水分迁移动力的研究随着时代的发展而不同，学者提出的毛细理论、薄膜水迁移理论、结晶力理论从物质结构等方面解释，但由于冻土的复杂性以及冻土物理参数的动态性，上述假说只能从一定方面去解释水分迁移现象，因此对于水分迁移动力的研究还需探索，这对于冻土水热力耦合问题很有必要。

3.2 水、热、力耦合模型缺乏实用性

土体冻融过程中，温度水分应力场三场的相互作用是一个极其复杂的过程，土体冻融过程中未冻水会向冻结锋面迁移，同时产生大量的相变潜热，影响土体的物性参数，进而影响土体的温度场，而温度的变化又会引起水分特征参数变化，进而引起应力场的变化，但进行三场耦模型中普遍缺乏应力场对其温度场或水分场或其二者的联合作用效果，使得耦合模型一定程度上并不能反映真实情况，加之目前的耦合模型基本上都是在水热边界和应力边界条件下热质迁移方程与力学方程的结合，因此力学参数的选取与土体物性参数的作用对结果至关重要，否则失去实际指导意义[37]。所以对于应力场对温度水分场的研究以及边界条件和参数的选取需进一步探讨。