人工凍土融沉特性及融土微觀結(jié)構(gòu)研究綜述

劉貫榮，楊 平，張 婷，莊惠敏

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210037)

隨著地下空間的大力開發(fā)，人工凍結(jié)法在城市地鐵等市政巖土工程中應(yīng)用日益增多，尤其在沿江沿海地區(qū)、天然含水量大或存在流砂地層的聯(lián)絡(luò)通道建設(shè)中加固效果顯著，而凍結(jié)地層在解凍過程中存在融沉現(xiàn)象[1]。熱融效應(yīng)使地層產(chǎn)生差異沉降，如聯(lián)絡(luò)通道與隧道主線間的差異沉降，若差異沉降控制不當(dāng)容易導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)通道漏水，管片錯位[2]。工程上常用跟蹤注漿控制正融土體沉降，由實(shí)踐可知短期融沉可控，但由于土體解凍周期長，跟蹤注漿不到位，給地鐵長期穩(wěn)定運(yùn)營埋下了隱患。融沉的內(nèi)在機(jī)理是土體在溫度荷載及重力荷載下微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致力學(xué)性能發(fā)生變化。土體的融沉特性及融化過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化是跟蹤注漿的主要影響因素，因此，土體融沉特性及其微觀結(jié)構(gòu)的研究對融沉的控制及注漿工藝的改進(jìn)有重大意義。

1 融沉特性研究現(xiàn)狀

融沉特性主要體現(xiàn)在各影響因素作用下融沉系數(shù)的變化，主要包括試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究兩方面。

1.1 試驗(yàn)研究

影響土體融沉的主要因素有土質(zhì)、外荷載和含水率等。

(1)宋琿[3]研究發(fā)現(xiàn)粉黏粒含量是影響融沉的重要因素。付厚利[4]針對黏土和砂質(zhì)黏土飽和狀態(tài)下凍融過程中土層的融沉規(guī)律，分析了土層性質(zhì)對融沉的影響，發(fā)現(xiàn)黏土、砂質(zhì)黏土的融化固結(jié)速度明顯低于砂土；楊平[5]等對南京地區(qū)典型土層進(jìn)行研究也發(fā)現(xiàn)，砂土的凍脹及融沉效應(yīng)明顯低于黏性土。

(2)王效賓[6]對南京地區(qū)典型土質(zhì)進(jìn)行了融沉特性室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果表明，只有當(dāng)土體含水率超過起始融沉含水率后才會融沉；當(dāng)超過起始融沉含水率后土體融沉系數(shù)隨含水率增大而增大。王林[7]等人依托武漢紅黏土的凍融試驗(yàn)也得出相同結(jié)論，且淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土融沉系數(shù)隨含水率增大而分段線性增大。楊鳳學(xué)[8]等根據(jù)凍土原狀土融沉壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，對細(xì)礫土、砂土、粉土、黏性土、泥炭化黏性土和泥炭質(zhì)土6類土，給出了確定6類土體積壓縮系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表。呂玉蘭等[9]得出以上6類土的融沉系數(shù)—含水量線性回歸方程式，并得到與各融沉特性分級相應(yīng)的界限含水量。何平[10]等認(rèn)為融沉系數(shù)與凍土中含冰量有關(guān)，融沉系數(shù)隨含冰量的增大而增大，引入了界限孔隙率并以此界定過大的含冰量。Ponomarev[11]等對中密砂土融沉?xí)r的壓縮性進(jìn)行研究，建議將飽和度作為融沉指標(biāo)，且其上覆土層的滲透系數(shù)越小，解凍過程中土層壓縮性就越小。

(3)試驗(yàn)研究表明豎向荷載是影響融沉的又一重要因素。Crory，F(xiàn)rederick E[12]進(jìn)行了帶載的一維融沉試驗(yàn)，結(jié)果表明融沉系數(shù)隨荷載的增大而增大，并將土體不均勻沉降納入考慮范圍。Alike，Bernard D[13]進(jìn)行了一維條件下土體的融沉試驗(yàn)，并對土體在解凍過程中的豎向和水平應(yīng)力以及孔隙水壓力進(jìn)行了測試，和土體的三維融沉試驗(yàn)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)垂直應(yīng)力是影響融沉的最主要因素；并指出，在融沉過程中，土體的彈性模量和泊松比也將成為考慮的因素。王建平[14]等對徐州地區(qū)黏性土進(jìn)行凍融試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土體在垂直方向上融沉比凍脹要明顯，這是由于凍結(jié)過程中土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，融化時產(chǎn)生了突陷。

1.2 數(shù)值模擬研究

(1)融沉過程實(shí)際是溫度場、應(yīng)力場、位移場及滲流場多場耦合的作用，現(xiàn)行的數(shù)值模型重點(diǎn)考慮位移場和溫度場在解凍過程中的分布及變化，僅有少數(shù)考慮了滲流場。Foriero，Sally Shoop[15-16]分別基于有限變形固結(jié)理論，D-P塑性硬化模型對正融土的融化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值分析。蔡海兵[17]考慮了地層溫度、地表熱量對流等各類初始邊界條件及土體的相變潛熱，基于ABAQUS建立了凍融瞬態(tài)溫度場數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而提出隧道水平凍結(jié)施工時地層凍脹融沉的彈塑性熱力耦合數(shù)值模擬預(yù)測方法。袁云輝[18]等研究了水平凍土帷幕在人工強(qiáng)制解凍條件下溫度場的分布規(guī)律，結(jié)果表明：提高循環(huán)熱水溫度、延長熱水循環(huán)時間以及盡量利用原有水平凍結(jié)管的最短間距均能夠縮短凍土帷幕人工強(qiáng)制解凍的完成時間。Guymon[19]對淤泥質(zhì)土進(jìn)行了一維單向凍融試驗(yàn)，得到土柱在解凍過程中的溫度和孔隙水壓力的分布，并以濕氣流量和熱流量為參數(shù)建立了一維數(shù)學(xué)模型，來預(yù)測模擬解凍過程中溫度和孔隙水壓力的分布，且與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合良好。李述訓(xùn)等[20]研究草炭亞黏土和亞黏土在凍結(jié)和融化過程的熱交換特征，結(jié)果表明：凍融作用使熱交換過程中表層溫度梯度加大，熱交換強(qiáng)度增強(qiáng)。

(2)在融沉評價和預(yù)測方面多采用灰色理論及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行模擬。鮑俊安等[21]通過建立灰色關(guān)聯(lián)分析模型，研究了含水率、干密度、冷端溫度、荷載對凍脹融沉特性的影響程度，結(jié)果表明，影響凍脹融沉的因素依次為含水率、冷端溫度、干密度和荷載。王效賓等[22]等運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究了干密度、含水量和凍結(jié)溫度對融沉系數(shù)的影響，并建立了相應(yīng)融沉系數(shù)預(yù)測的模型。姚曉亮[23]也通過BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，建立了干密度、含水量、粉黏粒含量以及液塑限同融沉系數(shù)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。由于試驗(yàn)樣本的有限性及土層的各向異性，影響因素的評價方法受到了局限，而融沉系數(shù)的預(yù)測應(yīng)有同一地區(qū)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)才有可靠性。

以上研究表明，土體的非均勻性及試驗(yàn)手段的局限性使得試驗(yàn)僅在定性分析層面開展；樣本的有限，地質(zhì)條件的復(fù)雜性使得沉降量的預(yù)測還處在灰色系統(tǒng)地帶。

2 融土特性研究現(xiàn)狀

融土特性研究主要包括物理特性和力學(xué)特性兩方面。

2.1 物理特性

(1)孔隙特征。凍融作用降低松散土體的孔隙比，增加密實(shí)土體的孔隙比，Chamberlain等[24]發(fā)現(xiàn)細(xì)粒土在凍融循環(huán)作用后，土樣的孔隙比會變小，但土樣的滲透性會增大，并且發(fā)現(xiàn)這種效應(yīng)隨著土體塑性指數(shù)的增大而增大。Viklander[25]提出了殘余孔隙比的概念：即經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，松散土和密實(shí)土的孔隙比趨于一穩(wěn)定值eres。楊成松等[26]對砂質(zhì)粘土和輕亞粘土進(jìn)行室內(nèi)凍融試驗(yàn)，結(jié)果表明：經(jīng)多次凍融循環(huán)后土體的干容重趨于某一定值，即孔隙特征趨于穩(wěn)定，且這一定值與土體的初始干容重?zé)o關(guān)，而與土體的種類有關(guān)。

(2)滲透性。凍融循環(huán)作用使得土的結(jié)構(gòu)變化，經(jīng)常導(dǎo)致滲透率變化幾個數(shù)量級。楊平[5]等研究發(fā)現(xiàn)已融黏土的滲透系數(shù)比同樣成分的原狀土要大3～10倍 。試驗(yàn)研究證明，這種現(xiàn)象是由于在凍融過程中土體中的細(xì)顆粒增多，土體中產(chǎn)生縱向裂隙所致。

2.2 力學(xué)特性

(1)強(qiáng)度特性。在溫度荷載作用下原狀土受到擾動，其力學(xué)性能發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為黏聚力和摩擦角的變化。王效賓[27]等對原狀土及不同解凍條件下的融土進(jìn)行了固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)凍融后，黏聚力降低，內(nèi)摩擦角增大，且融化溫度對融土的強(qiáng)度影響很小。于琳琳[28]在不同凍結(jié)溫度和融化溫度、不同凍融循環(huán)次數(shù)、開放和封閉體系條件下對凍融飽和原狀粉黏土試樣進(jìn)行了不固結(jié)、不排水剪切試驗(yàn)也得到了以上結(jié)論，并且發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，5～7 次凍結(jié)循環(huán)后黏聚力和內(nèi)摩擦角逐漸趨于穩(wěn)定。

(2)壓縮特性。凍融作用下土體的孔隙特征發(fā)生變化，從而壓縮特性也將發(fā)生變化。查甫生[29]等研究發(fā)現(xiàn)凍融后土體的壓縮性增大，土體發(fā)生軟化。而姚曉亮[30]等研究發(fā)現(xiàn)同一凍結(jié)條件下(冷端溫度-10℃)初始干重度對凍融前后土的力學(xué)性質(zhì)有一定的影響。

以上研究表明：凍融作用對土體的物理力學(xué)特性產(chǎn)生了明顯影響，主要從其基本的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行著手，但目前涉及的土質(zhì)較少，尤其缺少對河相和海相軟土的研究。

3 融土微觀結(jié)構(gòu)研究

3.1 常溫土微觀結(jié)構(gòu)研究

土體的微觀結(jié)構(gòu)研究主要包括形態(tài)學(xué)特征、幾何學(xué)特征及能量學(xué)特征。形態(tài)學(xué)特征主要包括孔隙大小、形狀、表面特征及其定量比例關(guān)系；幾何學(xué)特征主要為孔隙、顆粒在空間的排列狀況；能量學(xué)特征主要表現(xiàn)在顆粒與顆粒的接觸及連接特性。

目前，在常溫土微觀結(jié)構(gòu)定性分析上已取得了大量的成果，定量分析方面也成績斐然。Moere.C.A[31]引入分形理論對砂性土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，得出砂性土顆粒形態(tài)具有分形特征。王寶軍、劉熙媛[32，33]等也發(fā)現(xiàn)黏性土微觀結(jié)構(gòu)中土顆粒的分布符合分形特征。胡瑞林[34]認(rèn)為土體的微結(jié)構(gòu)形態(tài)主要包括顆粒形態(tài)、顆粒排列方式、孔隙性和顆粒接觸關(guān)系，李向全基于以上理論[35]利用分形幾何方法，提出了粒度分維、顆粒定向分維等7項(xiàng)參數(shù)表征土體微觀結(jié)構(gòu)。劉長禮[36]發(fā)現(xiàn)軟土孔隙分維數(shù)隨固結(jié)壓力的增大而減小。柳艷華[37]從多重分形的角度對孔隙的不均勻性進(jìn)行定量描述，并建立了孔隙多重分形譜各特征參數(shù)與荷載之間的關(guān)系。前人的研究均表明，土體的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)存在分形特征。

3.2 融土微觀結(jié)構(gòu)研究

對于人工凍融土的微觀結(jié)構(gòu)研究尚屬剛剛起步，相關(guān)研究文獻(xiàn)較少。

鄭美玉[38]通過對粉質(zhì)黏土凍融后微觀結(jié)構(gòu)特征的研究發(fā)現(xiàn)，土樣經(jīng)過一個凍融循環(huán)后礦物成分并無明顯變化；內(nèi)部的孔隙大小發(fā)生了變化，土樣凍融后比表面積、孔隙率較凍前增大。何偉朝[39]研究了凍融循環(huán)作用下，各微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系，并用灰色關(guān)聯(lián)理論進(jìn)行了相關(guān)影響因素的分析，同時利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了驗(yàn)證。唐益群[40]以上海原狀和凍融后的暗綠色粉質(zhì)黏土為研究對象，結(jié)合該土體凍結(jié)前后的微結(jié)構(gòu)電鏡掃描圖片，對比分析了土體凍融后動力特性變化的微觀機(jī)理，表明土體強(qiáng)度削弱來自凍結(jié)時水分膨脹對土體微觀結(jié)構(gòu)的破壞。洪軍等[41]以上海第四層淤泥質(zhì)黏土為研究對象，研究了土體凍結(jié)溫度對孔徑、孔隙形狀、定向性、面孔隙度和面孔隙比變化的影響。穆彥虎[42]通過補(bǔ)水條件下的凍融循環(huán)試驗(yàn)，對不同凍融循環(huán)次數(shù)的壓實(shí)黃土進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土樣內(nèi)部冰晶的生長及冷生結(jié)構(gòu)的形成導(dǎo)致土樣中孔隙體積增加，土顆粒受到擠壓并形成新的土骨架結(jié)構(gòu)，證實(shí)了凍融對黃土結(jié)構(gòu)的削弱作用。王靜[43-44]研究發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土孔隙排列向均勻化發(fā)展，圓形度呈上升趨勢。

人工凍融土的微觀結(jié)構(gòu)研究成果不多，融土微觀結(jié)構(gòu)的研究延續(xù)常溫土的研究思路，由于凍融土的特殊性，定量分析上尚處于起步階段；能量學(xué)特性的研究接近空白。

4 結(jié)束語

本文通過對已有文獻(xiàn)的總結(jié)得出了人工凍融土融沉特性及微觀結(jié)構(gòu)研究的現(xiàn)狀。提出應(yīng)采用多種手段結(jié)合、宏觀、微細(xì)觀相聯(lián)系研究人工凍融土的物理力學(xué)特性，以微細(xì)觀來解釋宏觀參數(shù)的變化機(jī)理，并嘗試探尋宏觀和微細(xì)觀的定性和定量關(guān)系。

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