季節(jié)性凍土圍巖變形機(jī)理初探及長期循環(huán)凍融作用研究

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院　重慶　400074)

一、引言

全球凍土面積占陸地面積的其中多年凍土和季節(jié)性凍土各占一半，我國凍土約占國土面積的75%，其中多年凍土區(qū)面積215萬平方公里，季節(jié)凍土區(qū)是513.7萬平方公里。季節(jié)凍土是一種含冰晶的特殊土水體系。我國的地勢西部高、東部低，遼闊的疆域和復(fù)雜的地形使我國的凍土獨(dú)具特色。

二、凍脹機(jī)理

(一)凍脹力

凍脹力等級劃分：

1.在深埋條件下。當(dāng)廣義凍脹力小于0.07MPa時(shí)為弱凍脹，素混凝土即可滿足襯砌的安全要求；當(dāng)廣義凍脹力大于0.07MPa而小于0.3MPa時(shí)，為中凍脹，可通過提高混凝土強(qiáng)度或增加配筋量來滿足襯砌的安全要求；當(dāng)廣義凍脹力大于0.3MPa時(shí)為強(qiáng)凍脹，需采取一定的隔熱、保溫措施進(jìn)行設(shè)防。2.在淺埋條件下。當(dāng)廣義凍脹力分布峰值小于0.3MPa時(shí)為弱凍脹,素混凝土即可滿足襯砌的安全要求；當(dāng)廣義凍脹力分布峰值大于0.3MPa而小于0.7MPa時(shí)為中凍脹，可通過提高混凝土強(qiáng)度或增加配筋量來滿足襯砌的安全要求；當(dāng)廣義凍脹力分布峰值大于0.7MPa時(shí)為強(qiáng)凍脹，需采取一定的隔熱、保溫措施進(jìn)行設(shè)防，避免凍害的發(fā)生。

(二)幾種現(xiàn)有凍脹機(jī)理

1.含水風(fēng)化層凍脹說

上個(gè)世紀(jì)八十年代學(xué)者們對大量的隧道凍害進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，凡是有凍害的隧道，襯砌周邊圍巖均有10-20cm厚的風(fēng)化層。冬季嚴(yán)寒時(shí)，邊墻部位風(fēng)化層大都夾有冰鏡(夾在風(fēng)化層中游離狀薄層冰體)，而拱頂部位，盡管風(fēng)化層厚達(dá)50cm，卻幾乎不生成冰鏡。風(fēng)化圍巖試件直徑8cm,高3cm,試件下方放一塊2cm的透水板,板下為棉紗,該棉紗垂直下伸淹沒于水中，冷卻氣溫-4℃。當(dāng)試件原始含水率小于25%時(shí)凍脹很小，凍脹率在10%以下；隨著含水率的上升凍脹率也增加，含水率大于25%時(shí)，圍巖風(fēng)化層的凍脹率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水結(jié)成冰的凍脹率(9%)，其原因在于，凍脹現(xiàn)象并不單純是由于圍巖中水凍結(jié)而造成的體積增長，更主要的是遠(yuǎn)處水分從未凍結(jié)部位轉(zhuǎn)移到襯砌周圍的圍巖，并且這些水又凍結(jié)成冰。

2.凍融巖石圈整體凍脹理論

中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所根據(jù)大坂山寒區(qū)隧道實(shí)際情況，提出了適用于松散軟弱圍巖的凍融巖石凍結(jié)圈整體凍脹理論。該理論認(rèn)為隧道襯砌周圍一定深度范圍的圍巖形成凍結(jié)圈，凍結(jié)圈范圍的巖石中孔隙均勻且飽和，則凍結(jié)圈范圍內(nèi)的水凍成冰以后將整體膨脹，從而對隧道襯砌產(chǎn)生凍脹力。

3.積水凍脹理論

2002年中鐵西南科學(xué)研究院結(jié)合青藏線高寒隧道的研究提出積水凍脹模型。該模型中凍脹力主要由襯砌背后積水結(jié)冰引起，由于開挖面不平整、噴混凝土和鋼架施工的表面不平整以及防水板鋪設(shè)等原因使襯砌與圍巖間留有局部存水空間，一旦結(jié)冰即產(chǎn)生凍脹力。

(三)長期循環(huán)凍融作用猜想

目前學(xué)者們對巖石破壞過程、破壞機(jī)理研究較多，對各種巖石的疲勞破壞也有較為深入的研究。陳濤[1]指出巖體的破壞具有漸進(jìn)性，現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果也表明隧道圍巖破壞是漸進(jìn)的。趙凱[2]對石灰?guī)r開展了各種加載條件下的疲勞力學(xué)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在0.5～3Hz范圍內(nèi)，改變加載頻率對石灰?guī)r疲勞破壞時(shí)軸向極限變形幾乎無影響；說明“巖石疲勞破壞時(shí)的極限變形規(guī)律”不受加載頻率的影響。

連江波對黃土進(jìn)行了循環(huán)凍融試驗(yàn)[3]，結(jié)果表明：密實(shí)的土樣凍融循環(huán)過程中凍脹變形與融沉穩(wěn)定變形隨凍融循環(huán)次數(shù)增加累積增加，且土體初始含水率越高，土體變形量也越大；最優(yōu)含水率下，凍融循環(huán)后試樣凍脹與融沉變形量隨干密度增加有先升高后降低的趨勢；凍融循環(huán)對松散的土樣有固結(jié)作用。在10個(gè)循環(huán)周期內(nèi)凍融破壞作用最強(qiáng)，土體變形最為劇烈；30次循環(huán)后，土體逐漸趨于動(dòng)態(tài)平衡。土體凍脹量與融沉穩(wěn)定變形量隨凍融循環(huán)次數(shù)增加累積升高；前5次凍融循環(huán)對土體強(qiáng)風(fēng)化作用最為劇烈；10次凍融循環(huán)后，凍脹量與融沉穩(wěn)定變形量已基本穩(wěn)定，但土體表層的凍融風(fēng)蝕作用持續(xù)累積。

張勝全等對西部某寒區(qū)巖樣進(jìn)行了飽水凍結(jié)[4]，通過CT掃描觀察巖體內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化、水分遷移發(fā)現(xiàn)，當(dāng)巖樣含水率低于一定值時(shí)，巖樣的凍縮體積大于水結(jié)冰后膨脹的體積，表現(xiàn)為巖樣整體收縮的現(xiàn)象。田俊峰等為了研究含水量的變化和凍融循環(huán)對黃土隧道圍巖變形規(guī)律的影響[5]，對山西平陽高速公路陽曲1號隧道的圍巖進(jìn)行了變形規(guī)律的數(shù)值模擬分析。

綜上：(1)圍巖破壞不是瞬時(shí)完成的而是一個(gè)漸進(jìn)過程；(2)當(dāng)加載卸載頻率為一個(gè)季度一次時(shí)，巖樣的疲勞破壞極限規(guī)律與一天上百次的加載頻率相比沒什么差別；(3)當(dāng)含水率高達(dá)一定值時(shí)圍巖在低溫情況下會(huì)發(fā)生凍脹現(xiàn)象，當(dāng)圍巖含水率較低時(shí)，圍巖不凍脹反而“凍縮”，圍巖在一年內(nèi)發(fā)生的變形幅度比較大。

我們可以大膽猜想：(1)季節(jié)性凍土的凍融是一個(gè)長期循環(huán)的過程，即使圍巖凍脹力很弱，襯砌及圍巖在受到長期的凍脹力作用會(huì)不會(huì)產(chǎn)生“疲勞破壞”。(2)圍巖的脹縮對襯砌而言是否相當(dāng)于加載卸載的過程。

三、結(jié)論

隧道凍脹機(jī)理有多種解說，當(dāng)然不只是文中提到的部分，并且學(xué)者們?nèi)匀辉诓粩嗟靥剿餮芯?。文中也結(jié)合現(xiàn)有的相關(guān)研究進(jìn)行了大膽的猜想：把“循環(huán)凍融”與“疲勞破壞”聯(lián)想在一起。

目前學(xué)者們對這個(gè)方向的研究探討還尚少，所以這是一個(gè)較新的思路。但文中這個(gè)猜想也是初步，理論基礎(chǔ)還不成熟，需要進(jìn)一步討論分析，擬出可行的試驗(yàn)方案進(jìn)一步研究。