高緯度多年凍土物理力學(xué)性質(zhì)研究

趙文美

(黑龍江省公路勘察設(shè)計院，哈爾濱150040)

凍土是具有負(fù)溫或零溫并含有冰的土類或巖石的總稱［1］，凍土根據(jù)其凍結(jié)時間的不同分為:短期凍土，凍結(jié)持續(xù)時間在幾小時或幾晝夜;季節(jié)性凍土，凍結(jié)持續(xù)時間不到一年;多年凍土，其凍結(jié)持續(xù)時間在兩年或兩年以上。我國幅員遼闊，凍土地域分布廣泛，主要分布在青藏高原和東北大小興安嶺等地，兩者具有明顯的地域差異，青藏高原地區(qū)凍土位于低緯度高海拔，而大小興安嶺地區(qū)凍土位于低海拔高緯度。

在道路建設(shè)和運營的過程中，對道路影響較大的主要是季節(jié)性凍土和多年凍土。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷增長，我國在公路建設(shè)上也隨之發(fā)展，為確保多年凍土地區(qū)公路路基的穩(wěn)定性，首先要了解地表下多年凍土的物理力學(xué)性質(zhì)，為今后在該地區(qū)設(shè)計和施工提供理論依據(jù)。凍土具有相變性、流變性和蠕變性等特點，其工程性質(zhì)異常復(fù)雜多變，無論是多年凍土還是季節(jié)性凍土，在其凍融過程中均會對建筑物、構(gòu)筑物和公路路基穩(wěn)定性帶來不利影響。本文依托“漠大線伴行路多年凍土地區(qū)路基及橋梁建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)”項目，在該區(qū)域選取典型凍土路段對路基下多年凍土進(jìn)行取樣，通過對原狀凍土的試驗，分析其物理力學(xué)性質(zhì)，為大興安嶺多年凍土地區(qū)修建公路提供可靠的理論參考。

1 凍土物理性質(zhì)

依據(jù)JTG E40-2007《公路土工試驗規(guī)程》規(guī)范規(guī)定。主要對凍土總含水率、天然密度、顆粒分析、液塑限、礦物顆粒比重等物理指標(biāo)進(jìn)行室內(nèi)試驗。

1.1 凍土含水率和密度

在公路6個樁號的不同深度處取了6個凍土土樣，全為富冰凍土。采用規(guī)范中的凍土密度聯(lián)合測定法測定凍土含水率和密度，各樁號富冰凍土的試驗結(jié)果見表1。

表1 凍土總含水率和密度Tab.1 The moisture content and density of permafrost

從表1中凍土總含水率與密度關(guān)系可知，凍土密度隨著總含水率的增加而減小。這是因為凍土是由固體礦物顆粒、冰、未凍結(jié)液態(tài)水和孔隙中的氣體組成。凍土總含水率是指冰與未凍結(jié)液態(tài)水之和。隨著總含水率的增大，其占凍土組成比例增大，相應(yīng)的固體礦物顆粒和孔隙中的氣體所占比例減小，在實際計算中，孔隙中氣體的質(zhì)量一般忽略不計，因此凍土密度主要取決于固體礦物顆粒和總含水率占凍土的比例，凍土總含水率越大，凍土密度越小，反之，密度越大。

由表1還可以得知，凍土總含水率隨著深度的不斷增加，其呈現(xiàn)下降的趨勢。多年凍土位于地表以下一定深度范圍內(nèi)，把季節(jié)融化層和多年凍土的銜接界面稱作多年凍土的上限。在夏季，由于季節(jié)融化層中自由水充足，在凍土負(fù)溫的作用下未凍水和毛細(xì)水不斷向凍土上限處遷移集聚，同時自由水在周圍飽和土體和凍結(jié)鋒面的作用下又無法有效滲流，導(dǎo)致凍土上限處含水率不斷增大;隨深度的增加外界大氣溫度對地表下溫度的影響逐漸減弱，在冬季，上部地基土層極易產(chǎn)生水分的遷移集聚現(xiàn)象。由此產(chǎn)生凍土總含水率隨著深度的增加而減小的現(xiàn)象。

1.2 顆粒分析

對土體進(jìn)行顆粒分析試驗，試驗得到顆粒級配曲線，如圖1所示。

圖1 顆粒級配曲線Fig.1 Particle grading curve

從圖1中可以看出級配曲線陡峭，小于0.075 mm的質(zhì)量通過率為73.1%，大于50%，說明顆粒都集中在0.075 mm以下，說明此凍土屬于細(xì)粒土。根據(jù)顆粒分析試驗結(jié)果計算得到土的不均勻系數(shù)為14＞5，表明粗粒組分分布范圍較廣，級配良好，曲率系數(shù)為0.3。土體比重平均為2.71。

1.3 土體液塑限

對路基下凍土土質(zhì)進(jìn)行液塑限試驗，用于劃分土類，計算天然稠度和塑性指數(shù)，用于公路工程設(shè)計和施工使用。采用液限和塑限聯(lián)合測定法，土體液塑限指標(biāo)見表2。

表2 土體液塑限指標(biāo)Tab.2 Soil liquid and plastic limits

粉質(zhì)黏土是凍脹性極其敏感的土，在外界水源補(bǔ)給充足的情況下，進(jìn)入冬季，該地區(qū)地基土極易產(chǎn)生凍脹，對公路路基穩(wěn)定性產(chǎn)生極不利的影響，因此在公路修建過程中，采取相應(yīng)措施，降低因土體產(chǎn)生凍融對公路穩(wěn)定性帶來的不利影響。

2 凍土力學(xué)性質(zhì)

凍土抗剪強(qiáng)度和單軸抗壓強(qiáng)度是評價多年凍土地區(qū)凍土地基承載力的重要力學(xué)指標(biāo)。依據(jù)JTG E40-2007《公路土工試驗規(guī)程》和MT/T 593.1-2011《人工凍土物理力學(xué)性能試驗》規(guī)范規(guī)定，對原狀凍土的抗剪強(qiáng)度和單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗。

2.1 抗剪強(qiáng)度

凍土的抗剪強(qiáng)度是凍土抵抗剪切破壞時的極限承載力，與未凍土一樣，在計算建筑物地基的承載力或計算各類圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力以及計算承受剪切荷載作用的凍土體的穩(wěn)定性等時均需要用到凍土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，是凍土重要力學(xué)指標(biāo)之一。在一般的壓力范圍內(nèi)，凍土的抗剪強(qiáng)度采用庫倫定律的表達(dá)形式。

參考王永忠、劉雄軍［2］等人對南方短時凍土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值的試驗研究方法，根據(jù)現(xiàn)場埋設(shè)溫度監(jiān)測系統(tǒng)得知，凍土溫度在-1～-2℃范圍內(nèi)，在進(jìn)行凍土剪切之前，凍土必須在恒溫箱中放置不小于24h，恒溫箱溫度控制區(qū)間在-1～-2℃。為減少剪切盒與試樣的熱傳遞，剪切盒與凍土試樣一同放入恒溫箱中，試驗選擇在冬季室外進(jìn)行。每組試樣制備4個，分別在50、100、200、300 kPa進(jìn)行直接剪切試驗，計算破壞時的剪應(yīng)力，并根據(jù)庫倫理論計算出凍土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo):黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。凍土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表3。

表3 凍土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Tab.3 Shear strength of permafrost

由表3可知，多年凍土的黏聚力遠(yuǎn)大于常溫常壓下普通土體黏聚力，平均為1.262MPa，而所測凍土內(nèi)摩擦角均小于20°，平均為15°;黏聚力在凍土的抗剪強(qiáng)度組成中占有重要的權(quán)重，在大多數(shù)情況下決定著凍土的抗剪強(qiáng)度數(shù)值［2］。凍土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加而減小，分析原因主要是由于冰和水的流變特性，凍土瞬時抗剪強(qiáng)度會隨著含水量的增大而減?。?］，在負(fù)溫條件相同條件下，多年凍土中的未凍土含水率隨著凍土的總含水率的增加而增大，未凍含水率增大使凍土中的土顆粒分散程度變大，在這種情況下，未凍水和冰對凍土的抗剪強(qiáng)度影響顯著增加，導(dǎo)致凍土的抗剪強(qiáng)度隨含水率的增加而減小。

2.2 單軸抗壓強(qiáng)度

凍土抗壓強(qiáng)度是指凍土在單向受壓條件下，凍土破壞時的極限壓應(yīng)力值，是凍土的主要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)之一。因凍土具有蠕變的特點，使其強(qiáng)度隨時間而變化，因此凍土的強(qiáng)度又分為:短期荷載下的強(qiáng)度和長期荷載下的強(qiáng)度。通常情況下凍土的長期強(qiáng)度比瞬時強(qiáng)度低的多，一般可為瞬時強(qiáng)度的1/6～1/3，甚至更低［1］。

凍土瞬時單軸抗壓強(qiáng)度是凍土設(shè)計和施工的重要力學(xué)指標(biāo)之一，對凍土工程設(shè)計與施工的有著重要作用［4］。本次試驗參考于皓琳、徐學(xué)燕［4］等人對多年凍土單軸抗壓強(qiáng)度試驗研究方法，試樣規(guī)格:土樣制成圓柱體Φ50×100(mm)，將其放入溫度為-1～-2℃恒溫箱中不小于24h。取出置于電液式抗折抗壓試驗機(jī)上，在恒變形速率下進(jìn)行單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，試驗過程中保持溫度不變。凍土抗壓強(qiáng)度見表4。

表4 凍土抗壓強(qiáng)度Tab.4 Compressive strength of permafrost

凍土的總含水率的大小對其抗壓強(qiáng)度具有較大的影響，在負(fù)溫一定的條件下，當(dāng)含水率較低時，沒有達(dá)到土體的飽和程度時，凍土中仍然存在孔隙，凍土的抗壓強(qiáng)度隨含水率的增大而增大，當(dāng)土體的孔隙完全被水充滿時，此時土體達(dá)到飽，冰與土骨架共同承受力的作用達(dá)到最大，使其凍土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到極值。當(dāng)含水率繼續(xù)增加，超過土體飽和狀態(tài)含水率后，其抗壓強(qiáng)度將降低，在這種情況下，其凍土的抗壓強(qiáng)度隨含水率不斷增加逐漸趨于冰的抗壓強(qiáng)度［5-6］。從表4中得知凍土抗壓強(qiáng)度隨著總含水率增加而呈現(xiàn)降低的趨勢，試驗的原狀凍土全為富冰凍土類型，說明此時凍土中的總含水率已經(jīng)超過土體飽和狀態(tài)的含水率。

3 結(jié)論

通過漠大線伴行路典型原狀凍土的試驗和分析，得出大興安嶺地區(qū)凍土物理力學(xué)性質(zhì)如下:

(1)隨著深度的增加凍土含水率呈現(xiàn)下降趨勢，凍土的密度隨著含水率的增加而減小。

(2)未凍水和冰對凍土抗剪強(qiáng)度影響顯著，總含水率低的凍土抗剪強(qiáng)度高。

(3)富冰凍土總含水率超過土體飽和狀態(tài)的含水率，凍土抗壓強(qiáng)度隨著總含水率增加而降低。

［1］徐學(xué)燕，邱明國.高等土力學(xué)［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

［2］王永忠，劉雄軍，艾傳井，等.南方短時凍土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值的試驗研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2010，4(2):198-202.

［3］李棟偉，汪仁和.凍土抗剪強(qiáng)度特性及試驗研究［J］.安徽理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，24(s1):52-55.

［4］于皓琳，徐學(xué)燕，董鑒峰，等.漠河多年凍土單軸抗壓強(qiáng)度試驗研究［J］.黑龍江電力，2013，2(1):79-81.

［5］肖海斌.人工凍土單軸抗壓強(qiáng)度與溫度和含水率的關(guān)系［J］.巖土工程界，2008，4(4):62-63+76.

［6］柳 瑤，胡照廣，姜 華，等.應(yīng)用高密度電阻率法探查高緯度凍土區(qū)地基下島狀凍土分布［J］.森林工程，2014，30(6):161-165.