冻融循环下加筋砂土边坡性能模型试验研究

Model test study on performance of reinforced soil slope under freeze-thaw cycles

摘要

为研究冻融循环对土工格栅加筋砂土边坡性能的影响规律以及加筋对边坡变形的抑制作用，在-25 ℃和30 ℃下对建造的1.2 m高加筋和未加筋土边坡模型进行了7次冻融循环试验，通过定性与定量分析，研究边坡内部热传导、水分迁移、边坡沉降、侧向位移在冻融循环作用下的变化规律. 研究结果表明：在冻融作用下，边坡内部温度呈周期性变化，边坡受外界温度影响从自由面向内逐渐越小；在冻结时边坡内部水分存在向自由面和底部的双向迁移，在融化时以重力作用下的竖向迁移为主；边坡沉降表现为周期性的冻胀与融沉，总沉降量随冻融次数的增加而累积；边坡位移在冻融过程中呈现冻胀融缩现象，总位移随冻融次数的增加而增大；加筋阻碍了边坡内部水分竖直方向上的迁移，进而影响边坡温度场，且加筋对冻融作用引起的边坡变形具有良好的抑制效果.

Abstract

To examine the impacts of freeze-thaw cycles on the performance of geogrid reinforced soil slope and the inhibition effect of reinforcement on sand slope deformation， two model tests were conducted on 1.2 m high slopes subjected to 7 freeze-thaw cycles under -25 ℃ and 30 ℃ conditions. The tests compared the performance of reinforced and unreinforced slopes， analyzing qualitative and quantitative variations in heat transfer， moisture migration， settlement， and lateral deformation of the slopes under freeze-thaw cycles. The results indicated that the slope temperature exhibited periodic changes during freeze-thaw cycles， with diminishing influence of external temperature from the free surface inward. During freezing， moisture migration within the slope occurred bidirectionally toward the free surface and base， while vertical migration predominated during thawing due to gravity. The slope settlement demonstrated periodic frost heave and thaw subsidence， with cumulative total settlement increasing with the number of freeze-thaw cycles. The slope displacement displayed freeze-expansion and thaw-induced contraction， and the total displacement increased with the number of freeze-thaw cycles. Reinforcement hindered vertical moisture migration within the slope， thereby changing the temperature field of the slope， and reinforcement effectively mitigated the deformation of the slope caused by freeze-thaw action.

Graphical abstract

关键词

土工合成材料 / 砂土 / 加筋土边坡 / 冻融循环 / 模型试验

Key words

geosynthetic / sand / reinforced soil slope / freeze-thaw cycle / model test

近年来，土工合成材料加筋土结构凭借其卓越的性能、显著的经济效益和环境效益，在岩土工程领域得到了广泛应用^［1-3］. 然而，季节性冻土地区（下文简称季冻区）建设的加筋土结构，在服役过程中长期受到冻融循环的影响，这种冻融作用会对结构性能产生不利影响，甚至可能导致工程结构破坏^［4-6］. 因此，深入研究冻融循环对加筋土结构性能的影响规律，具有重要的工程实践意义.

模型试验作为加筋土结构工程性能研究的常用手段，通过缩尺模型模拟工程原型，能够揭示加筋土结构性能的基本特征及相关影响机理. 汪恩良^［7］进行了冻融循环作用下加筋粉质黏土挡墙的缩尺模型试验，发现土工格栅在水平冻胀力的作用下拉伸应变增大，冻结引起加筋土挡墙内部侧向土压力增大，并随深度加深而增加. Sato等^［8］通过户外土工织物加筋土挡墙全尺寸冻融模型试验（填料为火山灰），发现冻胀引起的应变和变形在融化后持续存在，并且在冬季冻结时恶化. Cui等^［9］进行土工格栅加筋砂土挡墙5次冻融循环试验，发现加筋土挡墙内部的温度场分布和填土力学性能的变化取决于环境温度和冻融循环次数，加筋土挡墙沉降和侧向位移随冻融循环次数的增加而增大，但主要发生在最初的2~3次冻融循环过程中. 肖杰等^［10］通过进行一侧土工格栅加筋、一侧素土的室外大型膨胀土边坡冻融模型试验，发现加筋使边坡内部含水率波动范围较未加筋边坡更小；且各层格栅越靠近坡面，其应变变化越快，峰值出现越早. 张莹莹^［11］通过大型膨胀土边坡模型试验，研究边坡在不同初始含水率、不同坡度和是否加筋因素下冻融循环对边坡位移、裂隙发育、土压力和含水率的影响规律. 吕建航等^［12］进行冻融循环作用下土工格栅加筋膨胀土边坡模型试验，指出土工格栅能够约束膨胀土冻融裂缝，使裂缝发育更为均匀，同时减小边坡位移；此外，加筋还能抑制边坡水分迁移与热传导，可显著降低含水率波动幅值，并减小土压力变化.

目前国内外关于冻融循环作用下加筋土结构的模型试验研究，填土材料主要采用黏土和膨胀土，难以反映工程中常用粗粒土填筑的加筋土结构冻融变形的普遍规律.现有研究多聚焦于加筋土挡墙结构，试验结果难以直接反映冻融循环作用下加筋土边坡的行为特征，且加筋对粗颗粒土边坡在冻融循环下的性能提升机制与效果也尚未明晰. 因此，本文在结合季冻区基础设施建设环境和填土特性的基础上，以西藏某建设中的加筋土边坡为原型，开展7次冻融循环作用下加筋与未加筋砂土边坡缩尺模型试验. 通过监测边坡内部温度分布、水分分布、沉降、位移变化，研究冻融循环对加筋砂土边坡性能的影响规律以及加筋对边坡冻融变形的抑制效果.

1 试验设备

试验采用定制的步入式高低温试验箱，该试验箱包括模型箱、数据采集系统和温度控制系统，如 图1所示，主要技术指标见表1. 本试验所用模型箱内部尺寸（长×宽×高）为1.7 m ×0.8 m×1.35 m，采用钢板制成，侧壁厚10 mm，底板厚20 mm，外部设置空心钢管用于侧限. 模型箱前侧壁底部为尺寸800 mm×450 mm的钢板，厚10 mm，上部为可拆卸有机玻璃板，方便人员进出模型箱.

2 试验方案

2.1 模型设计与试验方案

本试验工程原型为6 m高的加筋土边坡，根据试验设备温控箱尺寸，确定模型相似比为1∶5. 模型边坡高1.2 m，宽度0.8 m，坡率为1∶1，底部长度为1.65 m，顶部长度为0.45 m. 试验边坡坡顶施加4 kPa均布荷载，以模拟实际边坡坡顶的巡场道路，加筋间距为0.1 m，试验所用筋材长度从上往下为0.45~1.00 m不等.

本次试验目的是研究季冻区加筋土边坡内部热传导、水分分布、沉降、位移在冻融循环作用下的变化规律以及加筋对边坡冻融变形的抑制效果，试验分两组进行，如表2所示. 根据模拟对象所在西藏地区的年气温变化特点，模型试验中将冻结温度和融化温度分别设为-25 ℃和30 ℃，温度设定符合我国多数季冻区年极端温度. 根据工程现场水文气象报告，当地多年最大冻土深度为1 m，对应模型为0.2 m，据前期预试验结果，本试验12 h冻结期内边坡最大冻结深度约0.2 m，因此试验中冻结和融化时长均设为12 h.已有相关研究表明，冻融循环作用下土体力学性质变化主要发生在最初的几次冻融循环内^［13-15］，因此本试验设置冻融次数为7，时长共168 h.

2.2 试验材料

本次试验所用材料包括填料、加筋材料、坡面护坡材料. 填料采用河砂，最大粒径为5 mm，颗粒级配曲线如图2所示，砂土的最大和最小干密度分别为1.90 g/cm³和1.49 g/cm³，不均匀系数和曲率系数分别为3.91和0.91，通过三轴试验测得砂土的黏聚力为 0 kPa，内摩擦角为41.3°. 为研究冻融过程中边坡内部水分迁移规律，两组试验模型的砂土含水率均控制为10%且无水源补给.

试验所用加筋材料为土工格栅，其拉伸曲线如图3所示，极限拉伸强度为8.34 kN/m，纵向极限伸长率为8.7%；2%与5%应变对应的拉伸强度分别为3.38 kN/m和6.40 kN/m. 坡面采用充填砾石的格宾笼错位拼接护坡，格宾笼有两种尺寸规格（长×宽×高），分别为0.2 m×0.1 m×0.05 m和0.15 m×0.1 m×0.05 m.

2.3 边坡模型建造

边坡模型建造过程包括：筋材铺设、摊铺填料、分层压实、层间整平、码放格宾笼、土工格栅与格宾笼连接等步骤. 模型建造前为避免加筋土边坡模型的热损失，在模型箱侧壁及底部用40 mm 厚的聚氨酯保温板与30 mm厚的橡塑保温棉进行综合保温处理. 为了保持平面应变状态，消除模型箱边界效应，对模型箱侧壁进行减阻处理以减少回填材料与模型箱侧面的摩擦，建成后的边坡模型如图4所示.

2.4 监测方案

试验用温度传感器、湿度传感器、百分表、拉线式位移计，分别监测边坡内部温度场、水分分布、顶部沉降以及坡面位移的变化. 监测元件布设位置如图5所示，监测元件均布置于模型纵向中心线所在的竖向平面内. 试验过程中，另在模型箱内布置一个温度传感器，监测试验箱内环境温度变化.

3 试验结果与讨论

3.1 边坡温度场变化

由于模型试验于8月份进行，因此，建造的边坡模型初始温度为30~35 ℃. 在冻融过程中，边坡受到来自顶部和坡面两个方向温度的影响，两组边坡模型温度在水平方向（T7~T11）和竖直方向上（T20、T18、T15、T11、T6）的变化如图6和图7所示.

由图6和图7可知，两组边坡内部各测点的温度均随环境温度呈现周期性变化，且随着深度和水平距离的增加，温度峰值逐渐降低，峰值出现的时间也相应滞后. 这表明，边坡内部温度受环境温度的影响随着与自由面距离的增加而减弱. 此外，边坡内部温度场在经历第三次冻融循环后，环境温度变化引起的温度波动趋于稳定，波动幅值基本保持不变. 以 图6（a）为例，加筋土边坡内部距离坡面较近的T7温度峰值稳定后为18.2 ℃，距离坡面最远的T11温度波动稳定后峰值为10.1 ℃. 且T7在120 h时达到第5个温度峰值，而T11则在131 h时达到.

为研究冻结与融化过程中边坡内部温度场的变化，并对比分析加筋与否对边坡内部温度场分布的影响，绘制了两组试验在冻结与融化阶段的温度等温线，如图8和图9所示. 由图8可知，在冻结阶段，加筋土边坡内部温度场出现由坡顶和坡面向边坡内部侵入的冷流；而在融化阶段，则是向坡体内部汇聚的热流. 在冻融循环过程中，坡面后0.4 m与坡顶下0.25 m以内区域，温度场受环境温度影响较明显，其他区域受环境温度影响较小且温度始终大于5 ℃. 还原到实际工程中，环境温度对边坡影响较大的区域为坡面后2 m与坡顶下1.25 m以内范围，这与冻融作用下加筋土挡墙的温度分布类似^［15-16］，但因土体含水率与面板形式的不同，温度影响实际范围略有差异. 有研究表明，土工合成材料的老化和蠕变主要取决于温度的变化^［17-18］，因此，在实际季冻区加筋土边坡的设计过程中，应着重考虑自由面附近区域内的筋材强度和耐久性.

对比图8与图9可知，与未加筋边坡相比，加筋土边坡在冻结过程中，低温区域分布更为广泛，而在融化时，坡面附近的高温区域则相对较窄. 温度场这一现象的产生，与边坡内部水分迁移息息相关，因此后文将进一步结合含水率的监测结果进行综合探讨.

3.2 边坡内部水分分布变化

在冻融循环过程中，边坡内部水平方向各测点（W7～W11）的含水率随时间变化如图10所示. 由 图10可知，坡面处土体的液态含水率在冻融过程中呈现出显著的周期性波动特征. 随着冻融次数的增加，加筋土边坡坡面处的含水率逐渐上升，而内部含水率则逐渐下降. 以图10（a）为例，加筋土边坡坡面附近的W7测点在第7次融化期的含水率达到10.2%，高于初始值10%；而位于坡体内部的W11测点含水率仅为9.1%. 这一现象表明，在冻融循环作用下，加筋土边坡内部发生了明显的水分迁移.此外，受土体颗粒表面能的影响，土体冻结过程中并非所有液态水均转化为固态冰，而是保留了一定量的未冻水，因此土体内部含水率始终大于0^［19］. 同时，对比分析表明，加筋土边坡坡面处的W7测点在每次冻融结束后的含水率始终高于未加筋土边坡的对应值.

为深入探究冻融过程中加筋土边坡的水分分布特征及其成因，本文绘制了两组边坡在不同时刻的内部含水率等值线图，分别如图11和图12所示. 通过分析可知：1）边坡底部含水率随时间推移逐渐增加，表明初始含水量超过土体持水量，边坡内部水分持续受重力影响发生竖向迁移. 2）两组试验在冻结阶段均形成了指向自由面的水力梯度，说明冻结过程中边坡内部水分不仅受重力作用竖向迁移，还存在温度梯度作用下向冻结锋面的迁移现象. 3）融化阶段，融水在重力和上覆荷载的共同作用下向下迁移，导致上部土体含水量较低，而下部土体含水量较高. 4）与未加筋边坡相比，冻结时加筋土边坡含水率较低，融化时坡面含水率较高，其余部分含水率较低. 这是由于筋材的作用对土体水分迁移具有双重影响：首先，其物理屏障效应抑制了水分在垂直于筋材方向上的竖向迁移^［12］；其次，筋材增强了土体的似黏聚力，强化了颗粒间的咬合作用，从而降低了土壤的渗透率^［11］. 此外，筋材还对筋土界面的水分水平迁移起到促进作用^［20］. 这种特性使加筋土边坡在冻结过程中表现出不同于未加筋边坡的水分迁移特征：更多水分向坡面迁移并冻结成冰，导致边坡整体含水率下降；而在融化阶段，则出现边坡内部含水率较低，坡面含水率较高的现象.

边坡内部水分的分布特征与温度变化规律呈现显著的相关性.水在相变过程中具有显著的潜热效应，即降温时释放热量，升温时吸收热量，这一特性导致加筋土边坡在冻结过程中因内部水分含量减少而表现出更广泛的低温区域，而在融化过程中因坡面处水分含量增加导致其坡面温度低于未加筋土边坡. 基于这一规律，在季冻区加筋土边坡的设计和施工过程中，应特别重视边坡排水功能的优化，有效调控水分分布，从而改善边坡的热力学特性并提升其稳定性.

3.3 边坡沉降变化

在冻融过程中，两组边坡顶部沉降随时间的变化如图13所示. 由图可知，两组边坡模型在冻融循环过程中的沉降规律表现出高度一致性，呈现出周期性的冻胀与融沉特征，冻胀现象在整个低温作用期间持续存在，而融沉则在较短时间内迅速完成，随后逐步趋于稳定状态. 这是由于冻结时在负温作用下边坡表面部分液态水冻结成冰，在温度梯度驱动下未冻结区内水分向冻结锋面迁移，并遇冷成冰，随着冻结锋面的推进和水分不断迁移聚集，土体体积逐渐增大，引起土体冻胀；而在环境温度升高后，冻土逐渐融化，被冰充填的土体内部形成较大孔隙，在附加荷载和自重应力作用下，同时发生土的压缩和排水固结，即土体融沉. 加筋边坡沉降小于未加筋边坡，且二者差值随冻融次数增加逐渐扩大.

边坡最大沉降随冻融次数增加的变化过程如 图14所示. 从图中可以看出，边坡顶部沉降随冻融循环次数的增加而增大且并无收敛趋势，这表明在季冻区承担上部荷载的填方边坡，顶部的沉降会持续增加. 同时从图14也可知，加筋对于边坡的总沉降具有良好的抑制效果，第7次冻融循环结束时，加筋边坡的总沉降量较未加筋边坡减少了40%，且加筋使边坡沉降随时间变化更均匀. 表3给出了每次冻融循环中两组边坡的冻胀量和融沉量，以及加筋作用下的减少率. 由表3可知，在前4次冻融循环中，加筋对冻胀的减少率最高达30.5%，融沉减少率最高达37.9%，证明加筋对冻融过程引起的冻胀和融沉具有良好的抑制效果，这与Huang等^［21］进行的土工格室加筋土冻融循环试验结果类似. 但值得注意的是，随着冻融循环次数的增加，加筋与未加筋边坡冻胀量逐渐接近. 此现象可能是由于在荷载和冻融的共同作用下，边坡顶部荷载板下小部分区域发生排水固结；随着冻融循环次数的增加，顶部水分逐渐向坡面和下部聚集，边坡顶部受到冻胀的影响变小，加筋与未加筋边坡冻胀量逐渐接近.

3.4 边坡位移变化

图15为加筋与未加筋两组边坡的坡面位移随冻融循环的变化. 冻融过程中，两组边坡坡面位移呈现冻结时增大，融化时减小，即冻胀融缩的现象，与沉降变形相符；在单次冻融循环中，因冻胀而增大的位移在融化时并不能完全恢复，这表明在冻融过程中，边坡内部发生了筋材和土体塑性变形. 对比试验数据可知，加筋边坡总体位移显著小于未加筋边坡，结合沉降观测结果，进一步证实加筋边坡在冻融循环作用下的变形程度低于未加筋边坡. 这种差异主要源于加筋材料通过筋-土界面的摩擦作用、嵌锁效应及其对周边土体的约束作用，有效限制了填土体的变形，从而提升了边坡的整体稳定性^［22-23］.

为更直观反映冻融循环对边坡位移的影响以及加筋对冻融位移的限制作用，将两组边坡的最大位移与冻融循环次数的关系绘制于图16. 由图16可知，两组边坡的坡面最大位移均随冻融次数的增加而显著增大，表明在季冻区存在上部建筑荷载的填方边坡在竣工后数年内，坡面最大位移可能持续增加. 与Cui等^［9］研究的粗粒加筋土结构在前2~3次冻融期间产生主要位移的结论不同，本研究观测到边坡位移呈现持续增长态势，这可能与试验所用填土初始含水率较高、更难达到变形稳定状态有关^［24］.

从图16可以看出，加筋土边坡的最大位移增长速率明显低于未加筋边坡，在第7次冻融循环结束时，加筋边坡的最大位移为8.27 mm，而对应未加筋边坡的最大位移则达到13.75 mm，加筋措施对冻胀引起的侧向变形的抑制效果达到39.9%. 基于上述研究结果，建议在季冻区工程实践中采用加筋技术来控制填方边坡的变形和沉降，以保障坡顶基础设施的安全.

将本研究试验结果与同样粗粒土为填料的加筋土挡墙研究^{［9，15-16］}对比发现，冻融作用下加筋土边坡与挡墙变形均呈现冻胀融缩特征，但边坡变形量显著大于挡墙. 在顶部荷载作用下，挡墙水平位移呈顶部大底部小的倒三角分布，而边坡位移呈现中部鼓胀形态，且其沿高程的分布随冻融循环次数增加趋于均匀. 这种差异源于结构受力机制不同：加筋土挡墙通过面板传递荷载，筋材受拉产生轴向张力并借助界面摩擦将荷载传递至稳定区土体，依靠面板-筋材系统协同抵抗主动土压力，使得整体位移较小且呈现梯度分布；而加筋土边坡主要通过加筋提升土体整体抗剪强度，位移量较大但分布均匀^［25］.

4 结论与讨论

本研究以中国西藏地区为背景，通过模拟高低温循环条件，进行加筋与未加筋两组边坡的冻融循环模型对比试验，基于测试数据重点分析了边坡内部温度场、水分分布、边坡沉降、侧向位移在冻融循环作用下的变化规律. 得出的主要结论如下：

1） 加筋土边坡内部温度呈现周期性变化，且随着与边坡自由面距离的增加，环境温度的影响逐渐减弱；还原到实际工程中，边坡坡面后2 m、坡顶下1.25 m范围内受环境温度影响显著；加筋使边坡内部温度场在冻结时低温区域更广，融化时坡面附近高温区域更窄.

2） 在环境温度与重力作用下，加筋土边坡内部出现了水分迁移，边坡内部水分在冻结时存在向自由面和底部的双向迁移，在融化时以重力作用下的竖向迁移为主；加筋阻碍了边坡内部水分竖直方向的迁移，使边坡在冻结时内部含水率较低，融化时坡面含水率较高.

3） 在冻融循环作用下，边坡沉降呈周期性冻胀与融沉，边坡总沉降随冻融循环次数持续增长；在前4次冻融循环中，加筋对冻融引起的冻胀与融沉的抑制效果良好，冻胀减少率最高达30.5%，融沉减少率最高达37.9%.

4） 边坡位移在冻融时呈现冻胀融缩现象，边坡总侧向位移随冻融次数增加逐渐增大；加筋对冻胀引起的边坡侧向变形的抑制效果良好，7次冻融循环结束时，加筋使边坡位移减少了39.9%.

本研究系统地探究了环境温度变化对加筋砂土边坡内部热传递、水分迁移及变形特征的影响规律，为季冻区加筋土边坡工程实践提供理论基础和实践指导. 但鉴于试验设备规格限制，研究采用1∶5缩尺模型进行试验，缩尺效应可能导致试验监测数据及热传递过程与实际工程存在一定偏差；通过将试验结果与前人研究成果进行多角度分析验证，进一步确认研究成果的可靠性. 由于热流/冷流均从自由面侵入，加筋土边坡与挡墙在冻融循环作用下的热传导方式相似，但加筋土边坡与挡墙结构的坡度不同，两者受力机制存在差异，导致变形差异显著. 值得注意的是，在本试验条件下，加筋土边坡的变形尚未趋于稳定，相关机理研究有待深化. 为此，拟在后续工作中拓宽研究深度，通过增加冻融循环次数、开展微观结构试验及数值模拟等方法，深入剖析冻融作用对加筋土边坡的影响机制.

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(41772284)

National Natural ScienceFoundation of China(41772284)

国家电网有限公司特高压建设分公司科技项目(SGTYHT/23-JS-001)

Scientific Research Program of State Grid Co., Ltd. UHV Construction Branch of China(SGTYHT/23-JS-001)

中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司科研项目(30-K2023-G01)

Scientific Research Program of the East China Electric Power Design Institute Co., Ltd. of China Power Engineering Consulting Group(30-K2023-G01)