凍土力學(xué)性質(zhì)的影響因素分析及新方法的應(yīng)用

宋明哲++程玉龍

摘 要：中國的凍土區(qū)（多年凍土和季節(jié)性凍土）的分布及其廣泛，介紹了對凍土研究的必要性。通過對不同的控制因素（主要有溫度、含水率、含鹽量、圍壓、凍融循環(huán)作用、不同類土等）對凍土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，簡單介紹新方法在凍土研究中的應(yīng)用，最后給出未來凍土研究的見解。

關(guān)鍵詞：控制因素；凍土；力學(xué)性質(zhì)

1 概述

我國占據(jù)世界凍土面積的23%，在東北大小興安嶺地區(qū)、西部青藏高原地區(qū)和天山地區(qū)分布著豐富的凍土資源。隨著經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)建設(shè)和國防事業(yè)的推進(jìn)，我國對東北和西北等邊疆地區(qū)開發(fā)的加劇，我們面臨著凍土給工程建設(shè)帶來的巨大挑戰(zhàn)，因此，在這些地質(zhì)條件嚴(yán)酷的凍土地區(qū)施工開發(fā)時，必須凍土的作用機(jī)理、病害問題和保護(hù)措施進(jìn)行充分的認(rèn)識，并確保解決問題措施的可行性與可靠性，進(jìn)而保證建設(shè)的建筑物或結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

眾所周知，凍土體的結(jié)構(gòu)非凡復(fù)雜，包含不同粒徑的土顆粒，水分，氣體成分和凍結(jié)的冰晶體，這種復(fù)雜的構(gòu)成成分也導(dǎo)致了凍土各方面的差異性與不確定性，在宏觀上主要表現(xiàn)為物理力學(xué)性的差異。許多試驗研究表明，土顆粒的級配，含水率，土中含鹽分多少，含冰量（及未凍水含量），凍融作用，加載時間，添加劑等都對凍土的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。本文要總結(jié)前人通過對不同影響因素條件下對凍土的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行總結(jié)與分析，并為未來的發(fā)展趨勢提出一點(diǎn)見解。

2 不同影響因素對凍土的物理力學(xué)性質(zhì)的影響分析

2.1 溫度和含水率對凍土物理力學(xué)性質(zhì)的影響

在一定條件下，溫度和含水率對凍土的物理力學(xué)性質(zhì)的影響主要是溫度控制的，含水率對凍土力學(xué)性質(zhì)的影響相對起輔助作用。非凍土中，其他控制條件一定時土的強(qiáng)度指標(biāo)隨著含水率的增加先增加后減小，在溫度的作用下，隨著溫度的降低，土的強(qiáng)度指標(biāo)表現(xiàn)為一定負(fù)溫范圍內(nèi)隨著含水率的增加凍土的強(qiáng)度先增加后逐漸接近于某水平直線[1，2]。因此，凍土的強(qiáng)度指標(biāo)主要取決于溫度，又受含水率的鉗制。

2.2 含鹽量對凍土力學(xué)性質(zhì)的影響

含鹽量對凍土的力學(xué)性質(zhì)的影響主要是通過可溶性無機(jī)鹽離子對水分子的作用力產(chǎn)生的。試驗表明一定條件下凍土的靜力學(xué)強(qiáng)度隨含鹽量的增加而先增加后減小[3]，凍土的動力學(xué)強(qiáng)度圍壓一定的前提下隨溫度和含鹽量的增高塑性破壞越明顯[4]。大量研究表明，含鹽量對凍土的強(qiáng)度的影響是一致的，其他制約因素不變情況下隨含鹽量的增加而降低。但是鹽分對凍土的強(qiáng)度作用機(jī)理還缺乏研究，這一方面還值得我們進(jìn)一步研究，這樣可以綜合分析不同鹽分對凍土強(qiáng)度的影響。

2.3 圍壓的影響

圍壓作用對凍土強(qiáng)度的發(fā)展變化主要是圍壓對凍結(jié)水和微裂隙的影響[5]。圍壓的存在為單元土體的側(cè)向面提供了約束作用，由此推可知，側(cè)向作用力的存在可以是被動約束力也可以以主動作用力的形式存在，這取決于單元體的鉛直作用力與側(cè)向作用力形成的力學(xué)體系。低圍壓條件下，試驗試件主要表現(xiàn)為被動約束，高圍壓表現(xiàn)為主動作用。因此，大量的研究表明，在單一圍壓情況下，處于低圍壓情況時，凍土的強(qiáng)度隨圍壓的增加而增大[5，6]，在高圍壓條件下，出現(xiàn)壓融現(xiàn)象使凍土的強(qiáng)度開始降低[7]，存在圍壓轉(zhuǎn)折點(diǎn)。不同土類的圍壓轉(zhuǎn)折點(diǎn)也不盡相同。

2.4 凍融循環(huán)作用

我國的季凍區(qū)分布及其廣泛，對土體凍融循環(huán)作用的研究是迫在眉睫。含水率極低時，凍融循環(huán)作用幾乎對土體的強(qiáng)度不會產(chǎn)生較明顯的影響，隨著含水率的增加，土中水分在溫度變化的作用開始遷移和凍脹，使得原有土體的結(jié)構(gòu)排列發(fā)生明顯的改變，且各組分（如顆粒粒徑、化學(xué)成分等）也隨之增加或減少，含水率越高，經(jīng)歷凍融循環(huán)的次數(shù)越多，結(jié)構(gòu)變化也越復(fù)雜。因此土體在經(jīng)歷凍融循環(huán)后土體的內(nèi)部宏觀結(jié)構(gòu)和組分含量發(fā)生了明顯的變化是引起凍土強(qiáng)度性質(zhì)的關(guān)鍵問題。

2.5 不同類土

在自然狀態(tài)下，不同類的土體在相同的外界條件下表現(xiàn)出的物理力學(xué)性質(zhì)也千差萬別。不同類的土主要包括碎石土、砂土、粉土、粘性土、淤泥質(zhì)土、膨脹土、濕陷性黃土、改良土、污染土。根據(jù)大量的試驗和實(shí)踐，天然土的力學(xué)性質(zhì)主要是由天然固結(jié)度、含水率、密實(shí)度、顆粒級配和凍結(jié)溫度決定的，改良土主要取決于添加的改良劑性質(zhì)，添加劑的存在可以改變土體間的結(jié)構(gòu)。而在凍土中不同類的土體的力學(xué)性質(zhì)幾乎也依賴于天然土力學(xué)性質(zhì)的決定條件，但對溫度的敏感性更大。

3 新方法和理論在凍土物理力學(xué)性質(zhì)研究的應(yīng)用

新方法和理論是區(qū)別于傳統(tǒng)凍土力學(xué)研究的方法，結(jié)合現(xiàn)代新的數(shù)學(xué)理論、信息和工業(yè)技術(shù)，如概率統(tǒng)計法、模糊數(shù)學(xué)法、數(shù)值模擬、無損探測等，對凍土的物理力學(xué)性質(zhì)的研究更加趨于精細(xì)化和微觀化，確定凍土中各組分間的相互作用關(guān)系和對凍土性質(zhì)影響的程度的關(guān)系。國內(nèi)學(xué)者已利用概率統(tǒng)計方法對不同因素的交互作用下的凍土強(qiáng)度進(jìn)行了研究[8]。并將概率與數(shù)理統(tǒng)計理論應(yīng)用到高溫凍土的長期強(qiáng)度和蠕變的計算，得到凍土的長期強(qiáng)度和蠕變方程的參數(shù)的描述方程[9]。還有學(xué)者應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)理論分析了不同因素對凍土強(qiáng)度的影響，最后得出溫度與凍土的強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度最大[10]。王大雁等[11-12]利用UVM-2型聲速測定儀對不同土類進(jìn)行研究，建立超聲波速與溫度和未凍水含量的關(guān)系式，還可以根據(jù)縱橫兩波波速的比值來判定土的類型。相對傳統(tǒng)實(shí)驗來說，利用超聲波來判定土層比較先進(jìn)，比較快捷的，減少了人的操作量，對土層也是無損的，這種方法對將來的地質(zhì)勘察具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＭ恋奶匦裕ǜ飨虍愋缘龋┮膊粩啻偈剐碌臄?shù)學(xué)理論和無損探測方法的發(fā)展。

4 結(jié)束語

（1）大多學(xué)者都認(rèn)為在其他因素不變的情況下隨溫度的降低凍土的強(qiáng)度升高，這是普遍的看法。其他影響因素的對凍土的強(qiáng)度幾乎都依賴于溫度的變化。但基于微觀理論下，各控制因素的作用機(jī)理還尚待進(jìn)一步考證。

（2）新的數(shù)學(xué)理論及新的試驗方法在凍土研究中的應(yīng)用，加速了對不均質(zhì)、各向異性土的物理力學(xué)性質(zhì)的研究。建立不同土類的凍土數(shù)據(jù)庫，為以后研究提供參考，避免重復(fù)性的工作。

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[12]Da-yan Wang，Yuanlin Zhu， Wei Ma ，Yonghong Niu.Application of ultrasonic technology for physical-mechanical properties of frozen soils[J].Cold Regions And Technology ，2006，44：12-19.

作者簡介：宋明哲（1990-），男，在讀碩士。