凍融作用對黃土劣化損傷試驗研究現(xiàn)狀

劉 寅，馮 飛

（中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

凍融作用對黃土劣化損傷試驗研究現(xiàn)狀

劉 寅，馮 飛

（中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

冬季黃土地區(qū)的溫度變化較大，凍融作用對黃土性質(zhì)的影響一直是具有重大工程科研意義的命題。目前凍融作用對黃土物理力學(xué)性質(zhì)的影響研究已有比較深入的研究成果，但在許多領(lǐng)域缺乏共識，有待繼續(xù)深入研究。

凍融作用；黃土；劣化

1 季凍土與凍融作用

季凍土隸屬于凍土，隨著季節(jié)溫度的變化而產(chǎn)生，凍結(jié)時間超過一個月，每年在冬季凍結(jié)在夏季消融。季節(jié)性凍土區(qū)域遍布在緯度高于24°的地區(qū)，我國季凍土區(qū)域面積約占到國土總面積的50%。凍融作用是土體在環(huán)境溫度發(fā)生變化時由溫度效應(yīng)所產(chǎn)生的對土性質(zhì)影響的效應(yīng)，凍融作用主要指凍脹和融沉作用，凍脹與融沉的核心便土體中水分子隨溫度變化形態(tài)隨著變化的過程。在季凍土區(qū)域，同時伴隨的凍脹和融沉作用則是導(dǎo)致土具有特殊性的主要原因。

2 凍融作用對黃土性質(zhì)影響試驗研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外廣泛研究凍融循環(huán)作用，基于土質(zhì)、試驗方法、試驗儀器等差異，研究成果沒有比較統(tǒng)一的共識，同時處于單純的理論研究階段，與工程實際連接較少，工程中能參考的成果也較少，有待進一層探討研究。

2.1 國外研究進展

國外研究開展的較早，研究范疇涵蓋了凍脹融沉機理、試驗方法探究、預(yù)測模型建立等多方面。早在20世紀中期第一凍脹理論提出毛細壓力的概念，水分向凍結(jié)前緣移動、聚集而形成冰晶的動力。隨后提出了第二凍脹理論，凍結(jié)深度與凍結(jié)程度之間的關(guān)系，以及冰晶行程條件及形態(tài)等。20世紀60年代研究凍融循環(huán)，試圖從機理上解釋凍融循環(huán)作用下土體內(nèi)顆粒排列及分子遷移的規(guī)律。研究表明凍融循環(huán)作用對土體力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。國外關(guān)于凍融作用及凍融循環(huán)作用的研究在廣度及深度都比較領(lǐng)先，在關(guān)于凍融作用對土體物理性質(zhì)影響研究方面也取得了一些被大家廣為認同的結(jié)論，但由于試驗土體自身差異性和復(fù)雜性，也導(dǎo)致研究成局限性較大。

2.2 國內(nèi)研究進展

國內(nèi)展開凍融作用的試驗研究起步較晚。90年代初期，我國有學(xué)者針對結(jié)凍機理與水分遷移理論，研究凍融作用中鹽脹的機理。研究初期，通過水熱輸運試驗方法，提出了凍融作用中水分遷移聚集的基本機理；開放系統(tǒng)下的反復(fù)凍融循環(huán)試驗；對凍融循環(huán)條件下的成冰機制做了系統(tǒng)的研究分析。提出了凍融循環(huán)作用對水泥土力學(xué)性質(zhì)的影響研究結(jié)論并闡述了其劣化的機理，通過模型試驗研究了凍融土地基極限承載力的變化規(guī)律。在多次凍融循環(huán)作用下的無側(cè)限抗壓強度、抗剪強度以及壓縮性等力學(xué)性質(zhì)進行了較為深入的研究?？傮w來看，早期研究對象主要針對土體內(nèi)部水分遷移、結(jié)冰機理和土體凍脹融沉等方面的機理研究，并且試圖建立凍脹融沉預(yù)測模型，但仍存在與實際工程結(jié)合不緊的問題。隨后在凍融作用對土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響研究中展開了廣泛充分的試驗?zāi)M研究，涵蓋土體基本物理性質(zhì)，力學(xué)強度模量等方面，同時對凍融循環(huán)作用的機理進行試驗?zāi)M，但各方面研究成果差異性較大，有待進一步的研究。

3 試驗研究現(xiàn)存問題分析

試驗手段是凍融作用研究最基本最有效的方法，主要是進行室內(nèi)凍融試驗。土體試樣選取方式、凍融作用模擬方式和試驗方法選取導(dǎo)致了研究成果中凍融過程的差異性。關(guān)于凍融模擬方法的選擇，主要有獨立凍融作用模擬和凍融作用模擬與試驗同步兩類。獨立凍融過程是利用低溫控溫設(shè)備進行獨立的控溫模擬，有單向控溫和整體控溫，試樣在封閉的環(huán)境中完成凍融作用模擬全過程。優(yōu)點在于能夠較為完整的模擬天然狀態(tài)下的凍融作用過程，但缺點是缺乏全過程的監(jiān)控跟蹤研究。凍融作用模擬與試驗同步的方法，在模擬凍融作用的同時進行試驗，部分試驗在凍融過程中增加試樣同步跟蹤設(shè)備，包括對試樣形態(tài)、位移、溫度等多方面進行實時監(jiān)控，同時可以模擬單向、多向受力條件下的凍融過程。有些試驗中在土樣軸向，圍向施加壓力，模擬單向受力狀態(tài)下的凍融過程，也有增加補水條件模擬補水情況下的凍融循環(huán)過程。

試驗方法的選擇也是決定凍融作用試驗研究結(jié)果的重要因素?，F(xiàn)階段關(guān)于凍融試驗的研究多以室內(nèi)試驗為主，主要受限于試驗條件與設(shè)備條件，也有利用積實土樣埋置于室外，或者室外室內(nèi)試驗結(jié)合等方式。單從室內(nèi)試驗方法出發(fā)，不同方法選擇也導(dǎo)致了凍融作用對土性質(zhì)影響效應(yīng)具有較大的差異。依照施加冷源位置的不同，有整體凍融、單向凍融和雙向凍融；依照施加冷源方式的不同，凍結(jié)過程有恒溫低溫凍結(jié)和梯度變溫凍結(jié)，溶解過程也有恒溫溶解和梯度便問溶解，其中溫度梯度與時間控制相關(guān)，可模擬快速凍結(jié)和慢速凍結(jié)等；依照試樣在凍融過程中是否補水，分為封閉系統(tǒng)凍融和開放系統(tǒng)凍融；依照施加壓力方式不同，有軸向加壓凍融、圍向加壓凍融和自由凍融等。在試樣儀器的選擇上并無較大差異和發(fā)展，基于土工學(xué)試驗基礎(chǔ)上進行凍融試驗，在土力學(xué)性質(zhì)研究方面現(xiàn)存試驗成果較多選擇直剪試驗進行。從現(xiàn)有文獻來看，由于凍融循環(huán)作用試驗研究涉及的試驗量較大，研究不同凍融方式下對土的工程性質(zhì)影響的試驗成果較少，大多數(shù)試驗只設(shè)定一至兩個影響條件下的少次凍融循環(huán)試驗，對多個因素沒有進行系統(tǒng)的試驗比較。

4 結(jié)束語

由于凍融作用試驗?zāi)M的復(fù)雜性，涉及到多學(xué)科多理論基礎(chǔ)，同時受試驗時間、試驗條件、試驗方法等多方面的限制，該領(lǐng)域仍有許多方面需要完善并進行深入研究。

[1]齊吉琳,程國棟,P.A.Vermeer.凍融作用對土工程性質(zhì)影響的研究現(xiàn)狀[J].地球科學(xué)進展,2005,(8):887-894.

[2]邢開第.普通凍土學(xué)[J].冰川凍土,1990,(4):154.

[3]程國棟.中國冰川學(xué)和凍土學(xué)研究40年進展和展望[J].冰川凍土,1998,(3):21-34.

[P314.5]

A

2096-2789（2016）11-0232-01

劉寅（1987-），男，漢，河北石家莊人，助理工程師，碩士，研究方向：巖土工程。