高原凍土地區(qū)典型凍土工程特性概述

張欣然 馬純杰 韓 磊

(1.壽光市建筑設(shè)計研究院有限責任公司，山東 濰坊 261000； 2.濰坊市建筑設(shè)計研究院有限責任公司，山東 濰坊 261000; 3.山東景城建筑規(guī)劃設(shè)計有限公司，山東 濰坊 261000)

0 引言

我國多年凍土分布廣泛，據(jù)不完全統(tǒng)計我國凍土約有215萬km2，占國土面積20%以上，凍土地區(qū)的開發(fā)建設(shè)與社會的發(fā)展息息相關(guān)[1]。國家高度重視高原地區(qū)凍土的研究，并建立了具有相當科研能力的國家凍土研究試驗室，對凍土進行全方面研究。

凍土地區(qū)結(jié)構(gòu)物在正常服役期間常存在凍脹、融沉、承載力不足等問題，極易發(fā)生下沉和失穩(wěn)破壞，造成巨大經(jīng)濟損失[2]。對于高原地區(qū)多年凍土，國內(nèi)外眾多專家學者已對其工程特性做了大量研究，勵國良[4]對高原多年凍土地區(qū)樁基基礎(chǔ)水平、豎向荷載試驗進行研究；孫常新等[5]對青藏高原多年凍土地區(qū)施工方法、注意事項等進行介紹，揭示了回凍時間對工程施工的影響；DONALD等[4]發(fā)現(xiàn)當溫度處于一定范圍內(nèi)，凍土的剪切強度將會隨溫度的降低而降低；Harlan等基于數(shù)學方法與物理力學理論提出凍土在凍融循環(huán)過程中其物質(zhì)運動與遷移的理論方程。本文對高原凍土地區(qū)典型凍土工程特性進行研究，為高原凍土地區(qū)工程建設(shè)提供理論基礎(chǔ)。

1 凍土各組分作用機制

通常意義上將土體溫度等于0 ℃或者低于0 ℃并且含有冰晶體的各類土體統(tǒng)稱為凍土，當土體連續(xù)三年或三年以上處于0 ℃以下環(huán)境，土內(nèi)冰體常年不融化時稱其為多年凍土，我國為世界第三大凍土分布國，多年凍土廣泛分布于西部高原地區(qū)。凍土實質(zhì)上是由空氣(氣相)、未凍結(jié)水(液相)、冰體(固相)、土顆粒(固相)等組成的不同于傳統(tǒng)固、液、氣三相組成的普通土體，水結(jié)晶體積變大使得凍土處于一種類似于四相狀態(tài)的復雜體系，其物理力學特性都有較大變化，給工程建設(shè)帶來困難，圖1為凍土物質(zhì)構(gòu)成示意圖。

2 凍土的物理特性

2.1 凍土內(nèi)的物質(zhì)遷移特性

當土體內(nèi)的一部分水分發(fā)生凍結(jié)時，其內(nèi)液態(tài)水含量減小固態(tài)水含量增加，這就會使凍結(jié)過程中產(chǎn)生物質(zhì)的遷移[7]。通常情況下，土體含水量越高相應的地下水位也越高，也越容易發(fā)生水分的遷移。土體比表面積越大，土體滲透性越高，水分遷移率越高，因此在粒徑較小的細粒土中水分遷移最強烈，土體凍脹率也越大，而粒徑較大的粗粒土和滲透性較差的粘性土中，水分遷移一般難以發(fā)生。土體在外加荷載作用下，凍土內(nèi)的冰體通常也會發(fā)生遷移，稱為冰的塑性流動，冰體融化變成液態(tài)水，隨后再次凍結(jié)變成冰體，冰體發(fā)生重新分布。溫度或是外加荷載作用都是影響凍土內(nèi)液態(tài)水或固態(tài)冰遷移的重要因素。

2.2 凍土的融沉與凍脹

當外界環(huán)境溫度變化導致土體內(nèi)部分冰體融化時，土體在其自身重力下會發(fā)生一定的下沉，稱為凍土的融沉現(xiàn)象。凍土融沉常導致其上結(jié)構(gòu)物發(fā)生不均勻沉降、傾斜等工程難題，要尤為注意。

土體部分水分發(fā)生凍結(jié)時會吸引下部水分往凍結(jié)處遷移，會在凍結(jié)處形成冰夾層及冰鏡透體，更多水分在此匯聚使冰夾層體積變大，土體表現(xiàn)為膨脹、隆起。土體的凍脹作用將引起土體內(nèi)部內(nèi)力重分布，還會產(chǎn)生凍脹應力。凍脹土體與結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)相互作用對結(jié)構(gòu)物整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

3 凍土的力學特性

現(xiàn)有研究資料和數(shù)據(jù)表明，凍土的強度主要由土體內(nèi)冰體強度、土顆粒間摩擦力及其相互作用決定。用來表征凍土強度的指標主要有抗壓強度、凍結(jié)強度、抗剪強度等。

凍土的抗壓強度遠大于普通土體的抗壓強度，且其強度變化與溫度變化成反比，因為溫度變化導致土體內(nèi)冰體含量變化，一般來說冰體越多凍土抗壓強度越大；土質(zhì)對凍土抗壓強度也有一定影響，通常土顆粒越大，其抗壓強度也越高。

凍土凍結(jié)強度的實質(zhì)是凍土與結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)接觸面之間的摩阻力，它是結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)承載力的重要組成部分。凍土凍結(jié)強度的變化與結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)表面粗糙度及土質(zhì)有關(guān)?；A(chǔ)表面粗糙度越高，凍土的凍結(jié)強度就越大；通常砂性土的凍結(jié)強度最大，粘性土次之，礫石土最小。

凍土的抗剪強度為普通土體的數(shù)倍，也受土體內(nèi)冰體含量的影響，當部分冰體融化為未凍水時，凍土抗剪強度會相應降低。通常情況下，砂性土類凍土的抗剪強度中，內(nèi)摩擦力大于粘聚力；而粘性土類凍土，粘聚力大于內(nèi)摩擦力。

特定條件下，含水量、溫度是影響凍土強度特征的主要因素。含水量與溫度本質(zhì)上是通過影響土體內(nèi)凍結(jié)冰體的含量來影響凍土的強度特征，土體含水量高意味著其夾冰層越厚，土體強度就越高；溫度高冰體融化，土體強度就會減小。

室內(nèi)試驗是研究高原凍土物理力學性能的有效途徑之一，而典型高原凍土組成成分復雜，各組分相互影響，長期低溫環(huán)境下其強度及變形特性與普通土體有較大差別，因此常規(guī)的動三軸土動力學試驗難以準確測得高原凍土的各動力學參數(shù)，試驗室常用的溫控動三軸儀來實現(xiàn)不同溫度環(huán)境下加載，有效模擬典型高原凍土存在環(huán)境，可以較為準確的測得凍土土力學參數(shù)，目前試驗室常用的溫控動三軸試驗系統(tǒng)主要由溫度控制系統(tǒng)、液壓油源、電氣控制系統(tǒng)、電液伺服機等四部分組成，裝置示意圖如圖2所示。

系統(tǒng)配置的溫控壓力室可設(shè)置溫度變化范圍-30 ℃～50 ℃，可通過分級、分段、線性等方式進行升溫降溫，最終實現(xiàn)對溫度變化的精確控制及測量，試驗系統(tǒng)內(nèi)置的壓差傳感器與溫控壓力室結(jié)合，可精確捕捉試樣在溫度變化下的變形。

將典型高原凍土按照《土工試驗方法標準》相關(guān)要求制成規(guī)定尺寸的標準試樣，移動溫控壓力室及軌道將試樣緩慢放入壓力室中，以保證對試樣擾動最小，安裝壓力室及溫度隔離裝置；將壓力室移動到動態(tài)荷載架位置，連接溫度控制系統(tǒng)、液壓油源、電氣控制系統(tǒng)等開始試驗；動態(tài)荷載通過荷載傳感器傳到試樣上，荷載可由內(nèi)置傳感器測量。

通過對高原凍土進行不同溫度環(huán)境下的動態(tài)三軸試驗，揭示典型高原凍土的形成與作用機制，并進一步分析不同溫度作用下典型高原凍土的強度與變形特性。

4 結(jié)論與展望

我國為凍土高分布大國，國家高度重視凍土地區(qū)的經(jīng)濟建設(shè)，青藏鐵路、西部大開發(fā)等國家戰(zhàn)略都受到凍土復雜特性的影響，凍土特性的研究仍為眾多專家學者研究的焦點，典型高原凍土的復雜特性以及試驗室測定凍土土力學特性的局限性給高原凍土的研究帶來諸多困難，但這同時也帶動凍土研究愈發(fā)深入、全面，相信隨著對凍土全方位多層次研究的展開，凍土地區(qū)會有更進一步的發(fā)展。