1、O 319.56 文献标识码：A 文章编号：10006915（2006）01000103RESERCH ON MODEL TEST OF SELF-EMBEDDED REINFORCED RETAINING WALL FREEZE-THAW CYCLINGCHENG Weiguo1，ZHONG Hua2,3，ZHANG Bin2,3，WANG En-liang2,3（1.Jiangsu UniSure Block Co.,Ltd, Jiangsu Nanjing 210005 ,China；2. Heilongjiang Seasonal Frozen Soil Region Engineer
2、ing Frozen Soil Key Laboratory, Harbin 150080, China；3. Heilongjiang Provincial Hydraulic Research Institute, Harbin 150080, China）Abstract：The experimental research on model tests of self-embedded landscape retaining wall reinforced with S5050 polyester double-directions geogrid under freeze-thaw c
3、ycling were carried out. Through analyzing the test results, it is found that 1） During freeze-thaw process, the soil structure changed. The water content of surface soil is very high, and the modulus of elasticity of soil descended when thawing. So the soil settlement will occur because of deadweig
4、ht. 2） During freeze-thaw process, the reinforced geogrid worked with soil. Pull-strain appeared in the geogrid in order to overcome the horizontal frost-heave forces, because of which the increase of horizontal frost-heave forces was restrained and the frost-heave deformation was restricted. So the
5、 redistribution of stress and strain of retaining wall occurred. 3） The horizontal forces of retaining wall toe are influenced by horizontal frost-heave forces. And the changing trend of which is according to the changing trend of horizontal frost-heave forces. So the toe of retaining wall stability
6、 should be considered.Key words：self-embedded reinforced retaining wall；freeze-thaw cycling；model test；polyester geogrid1 引 言在季节冻土区的工程建筑物都会发生不同形式的破坏，这些破坏多数都是由土体冻胀所引起的，也就是人们通常所说的工程冻害。建筑物一旦发生冻胀破坏，就会严重影响其运行的安全稳定性，危机人民的生命财产安全。因此，如何消减冻胀，提出合理有效的抗冻措施，减轻冻胀破坏的危害，成为了首要解决的问题。为了研究工程冻害，指导工程实践，本文针对挡土墙在寒区工程环境中的应用，
7、进行了景观挡土墙冻融循环模型试验的研究。2 试验设备及材料2.1 试验设备试验设备主要包括模型试验箱、温度控制系统、补水系统以及数据采集与处理系统。（1）模型试验箱模型试验箱为全钢结构矩形箱体，尺寸2.5m1.5m1.5m，模型试验箱具有足够的刚度。模型试验箱实物见图1。图1 模型试验箱Fig.1 Model test equipment（2）温度控制系统温度控制系统分为两部分：第一部分是低温实验室提供低温环境，按设计要求控制降温过程；第二部分是模型试验箱底板温度控制系统，模拟季节冻土层下部的暖土层。低温实验室的温度控制范围为 -35+25，控制精度为1.0；模型试验箱底板温度控制范围为0 +
8、15，控制精度为1.0。（3）补水系统补水系统由补水箱和模型试验箱底板的供水池组成，补水箱内设置加热器，避免冻结过程中补水系统失效。（4）数据采集与处理系统数据采集与处理系统由数据采集仪和传感器系统组成。模型试验数据的采集与分析使用澳大利亚Datataker公司的DT515/615系列数据采集仪和Delogger软件系统。传感器系统包括温度监测系统和变形监测系统。其中，利用温度监测系统可以确定0等温线的深度，本项试验的冻深即视为0等温线的深度。2.2 试验材料（1）土的物理力学性质本次试验所用粘土取自哈尔滨市郊区薛家土场，其主要物理力学指标见表1。粘土土样按土工试验规程（SL237-1999）
9、1的要求进行试验。（2）优凝舒布洛克自嵌式景观挡土墙砌块本次试验采用江苏优凝舒布洛克公司生产的优凝舒布洛克自嵌式景观挡土墙砌块，其尺寸为45cm35cm15cm，砌块照片见图2。表1 试验用粘土主要物理力学指标Table 1 Physical and mechanical indexes of clay used in test土的分类低液限粘土CL最大干密度 dmax（g/cm3）1.68土粒比重 Gs2.69最优含水率 opt（%）16.1填土重度 （kN/m3）17.3制样含水率 （%）图2 砌块照片Fig.2 Photo of segmental facing units（3）加筋材料
10、的选用本次试验采用S5050型聚酯双向格栅加筋。3 试验过程3.1 模型制作过程简介模型制作过程包括数采仪的设置和传感器的标定、试验用土料的制备、模型成型及传感器埋设、模型饱水和补水、模型试验土体含水量的测定，以及模型箱体的保温及模型试验土体的恒温等2。在制备土料时，应先将扰动土粉碎，按设计要求控制其含水量，然后，密封24h后备用。制作模型时，逐层砌筑砌块，逐层填土，逐层夯实，在相应位置埋设传感器，并记录传感器的初始值，以及各层填土重量及含水率等相关参数，直至整个模型制作完毕。模型制作完成后，通过补水系统对试验土体进行补水，饱和度控制在95%100%。模型土体饱和后，采用“10cm苯板+珍珠岩
11、”的方式对试验箱体进行保温。然后，控制试验室温度，使模型土体在试验室内恒温，当土体内部温度达到8左右时，准备开始降温，进行试验。在模型制作过程中、开始降温前，以及试验完成后，应按设计要求取分层含水量。3.2 试验过程监测试验过程中，利用数采仪对挡土墙后的土体内部温度场分布的发展过程进行监测。3.3 温度时间模拟过程本次试验模拟一个冻融过程中冻深随温度的变化过程。在自然条件下，温度的变化过程参考黑龙江省哈尔滨万家野外冻土观测场2007 2008年度的实际观测资料，野外冻土观测场20072008年气温实测曲线见图3，冻融过程线见图4。冻融过程的起止时间为11月8日至次年5月22日，冻融过程历时为1
12、96天，占全年总天数的53.6%。模拟试验温度控制过程见图5。图3 野外冻土观测场2007-2008年气温实测曲线Fig.3 Temperature curve of frozen-soil-observed field in 2007-2008图4 野外冻土观测场2007-2008年实测冻融过程线Fig.4 Freeze-thaw process curves obtained in frozen-soil-observed field in 2007-2008图5 各阶段典型温度控制过程曲线Fig.5 Curves of typical temperature control proces
13、s in different phases试验过程中，需要对模型试验台的底板温度进行控制，以便模拟天然情况下冻结土层下的土体温度，实现双向融化，底板温度控制在48。4 试验结果与分析4.1 模型试验降温过程分析模型试验冻融过程线见图6，挡土墙温度场分布见图7。图6 加筋挡土墙模型试验冻融过程线Fig.6 Freezing-thaw process curve of reinforced retaining wall model test图7 加筋挡土墙最大冻深时的土体温度场分布Fig.7 Distribution of temperature field inside reinforced r
14、etaining wall with maximum frozen depth由图6可以看出，本次试验土体冻深融深变化趋势与天然土体的变化趋势基本相同，模型试验温度控制过程符合精度要求。由图7可以看出，挡土墙后土体温度场分布比较均匀，挡土墙顶面和墙面板方向温度较低，内部融土层温度较高，符合季节冻土区冻土墙双向冻结双向融化的温度场分布规律。4.2 模型试验各监测断面变形结果分析模型试验冻胀变形实测结果见图89。由图8可以看出，土体表面不同位置处的冻胀量差异较大，墙后中间部位土体的冻胀量最大，达到23.2mm，相应的冻胀率为3.5%，靠近面板处和远离面板一侧的冻胀量都相对较小，这是由于试验土体内部
15、含水量分布不均匀所致。由此可见，土体的含水量分布状况对土体冻胀量的发展有重要的作用。由图8还以看出，升温过程中挡墙顶面产生融沉现象，加筋挡土墙的残余变形均为负值，其中，加筋挡土墙中间部位土体的融沉变形最大，其最大融沉变形达20.6mm。这表明在冻融过程中，土体结构发生变化，全部融化时墙顶面土体含水量很高，土体模量下降，在自重作用下产生较大融沉变形。在季节冻土区的加筋土挡墙应避免春融期产生不允许的融沉变形。图8 挡土墙后土体冻胀量变化过程线Fig.8 Vertical deformation curves of retaining wall top-surface图9 挡土墙墙面板水平位移变化过
16、程线Fig.8 Horizontal deformation curves of reinforced retaining wall panel由图9可以看出，加筋挡土墙的上部（DH-1）水平位移大，中下部（DH-2和DH-3）的水平位移小。这是由于加筋材料对土体变形的约束作用，使挡土墙水平变形发生了重分布。4.3 模型试验加筋材料变形结果分析模型试验加筋材料变形实测结果见图1012。由挡土墙加筋格栅应变变化过程线可以看出，冻融过程中，挡墙顶层加筋格栅的应变随着温度的降低明显增大，在温度升高时，加筋格栅的应变明显减小，加筋格栅最大应变为0.033%，位置在挡墙面板后30cm处，最小正应变为0.
17、017%，整个筋条变形分布较均匀。挡墙中间层加筋格栅的应变仅有2组应变片测到数值，其它均破损，实测应变值随着温度的降低显著增大，最大应变为0.045%，位置在挡墙面板后120cm处，最小应变为0.036%，变形在整个筋条上分布较均匀。挡墙底层加筋格栅的应变随着温度的降低明显增大，在温度升高时，加筋格栅的应变明显减小，加筋格栅最大应变为0.069%，位置在挡墙面板后120cm处，最小正应变为0.039%，整个筋条变形分布不均匀。上述分析表明，土体冻结后，在冻结力的作用下加筋格栅与土协同工作，随着冻深发展，产生水平冻胀力，加筋格栅拉伸应变增大，可以起到分担水平冻胀力、约束冻胀变形的作用。图10 冻
18、融过程中顶层加筋格栅应变变化过程线Fig.10 Strain curves of geogrid in top -soil-layer during freezing-thaw process图11 冻融过程中中层加筋格栅应变变化过程线Fig.11 Strain curves of geogrid in middle-soil-layer during freezing-thaw process图12 冻融过程中底层加筋格栅应变变化过程线Fig.12 Strain curves of geogrid in bottom -soil-layer during freezing-thaw proc
19、ess4.4 水平冻胀力实测结果分析模型试验水平冻胀力实测结果见图1314，最大水平冻胀力沿墙高的分布见图15。图13 加筋挡土墙砌块后水平冻胀力变化过程线Fig.13 Curves of horizontal frost-heave forces behind self-embedded segmented of retaining wall图14 加筋挡土墙后侧壁处水平冻胀力变化过程线Fig.14 Curves of horizontal frost-heave forces of retaining wall图15 最大水平冻胀力沿墙高分布图Fig.15 Distribution of
20、horizontal frost-heave forces along height of retaining wall由挡土墙水平冻胀力变化过程线可以看出，不同深度的水平冻胀力增长的过程有一定差别，在冻结过程中，首先是浅层土体的水平冻胀力开始增长，并逐渐增至最大值，随着冻结过程的继续，深层土体的水平冻胀力也陆续开始增长，而浅层土体的冻胀力则开始不同程度的减小，在持续升温段，水平冻胀力达到最大值。由挡土墙水平冻胀力变化过程线还可以看出，挡土墙中上部和中下部的水平冻胀力较大。砌块后的水平冻胀力埋深5cm处最大，其最大值达18.6kPa，其次是埋深为20cm和65cm处较大，其最大值分别为17.7
21、kPa和17.6kPa；挡土墙后侧壁处的水平冻胀力埋深35cm处水平冻胀力值最大，其最大值达41.8kPa，其次是埋深为65cm和5cm处，其最大值分别为32.6kPa和27.2kPa。由挡土墙最大水平冻胀力沿墙高分布图可以看出，挡土墙水平冻胀力沿墙高近似呈双峰型分布，符合水平冻胀力沿墙高的分布规律2。从整体趋势上看，砌块后的水平冻胀力小于后侧壁处的水平冻胀力，这表明加筋能够使土体中的应力进行重新分布，进而抑制水平冻胀力的增长，起到减小工程冻害的作用。4.5 墙趾水平压力实测结果分析模型试验墙趾水平压力结果见图16。图16 挡土墙墙趾水平压力变化过程线Fig.16 Curves of hori
22、zontal forces of retaining wall toe由图16可以看出：在降温段，挡土墙的墙趾水平压力均大幅增加；在保持低温试验段，墙趾水平压力基本保持不变，最大墙趾水平压力为11.4kN；在持续升温段，压力值减小；在保持高温试验段，各压力值基本保持在一稳定状态。从整体变化趋势上看，挡土墙墙趾水平压力的变化趋势与挡土墙水平冻胀力的变化趋势一致，这表明墙趾水平压力是受水平冻胀力的影响而产生的，在计中应考虑墙墙趾的稳定。5 结 论1） 在冻融过程中，土体结构发生变化，融化时墙顶面土体含水量很高，土体模量下降，在自重作用下会产生融沉变形。因此，在季节冻土区的加筋土挡墙应避免春融期产生
23、不允许的融沉变形。2） 在冻融过程中，加筋格栅与土协同工作，加筋格栅克服水平冻胀力的作用产生拉应变，可以分担水平冻胀力，约束冻胀变形，使挡土墙的应力和变形发生重新分布，进而抑制水平冻胀力的增长，起到减小工程冻害的作用。加筋格栅的拉应变在冻结过程中增加，在融化过程中减小。参考文献（References）：1 中华人民共和国水利部. SL237-1999土工试验规程. 中国水利水电出版社，1999. （SL237-1999 Specification of Soil Test. Beijing：China Water Power Press，1999.（in Chinese）2 汪恩良. 季节冻土区水工加筋挡墙筋材与筋土复合体试验研究博士学位论文D. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008 （WANG Enliang. Experimental study on plastic geogrid and complex structure of hydraulic reinforced earth wall in seasonally frozen areaPh. D. ThesisD. Harbin：Harbin Institute of Technology，2008.（in Chinese）
