人工凍土融沉特性及融土微觀結構研究綜述

劉貫榮，楊 平，張 婷，莊惠敏

(南京林業大學 土木工程學院，南京 210037)

隨著地下空間的大力開發，人工凍結法在城市地鐵等市政巖土工程中應用日益增多，尤其在沿江沿海地區、天然含水量大或存在流砂地層的聯絡通道建設中加固效果顯著，而凍結地層在解凍過程中存在融沉現象[1]。熱融效應使地層產生差異沉降，如聯絡通道與隧道主線間的差異沉降，若差異沉降控制不當容易導致聯絡通道漏水，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，給地鐵長期穩定運營埋下了隱患。融沉的內在機理是土體在溫度荷載及重力荷載下微觀結構發生變化，從而導致力學性能發生變化。土體的融沉特性及融化過程中微觀結構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構的研究對融沉的控制及注漿工藝的改進有重大意義。

1 融沉特性研究現狀

融沉特性主要體現在各影響因素作用下融沉系數的變化，主要包括試驗研究和數值模擬研究兩方面。

1.1 試驗研究

影響土體融沉的主要因素有土質、外荷載和含水率等。

(1)宋琿[3]研究發現粉黏粒含量是影響融沉的重要因素。付厚利[4]針對黏土和砂質黏土飽和狀態下凍融過程中土層的融沉規律，分析了土層性質對融沉的影響，發現黏土、砂質黏土的融化固結速度明顯低于砂土；楊平[5]等對南京地區典型土層進行研究也發現，砂土的凍脹及融沉效應明顯低于黏性土。

(2)王效賓[6]對南京地區典型土質進行了融沉特性室內試驗，結果表明，只有當土體含水率超過起始融沉含水率后才會融沉；當超過起始融沉含水率后土體融沉系數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也得出相同結論，且淤泥質黏土、粉質黏土融沉系數隨含水率增大而分段線性增大。楊鳳學[8]等根據凍土原狀土融沉壓縮試驗數據資料，對細礫土、砂土、粉土、黏性土、泥炭化黏性土和泥炭質土6類土，給出了確定6類土體積壓縮系數的經驗數據表。呂玉蘭等[9]得出以上6類土的融沉系數—含水量線性回歸方程式，并得到與各融沉特性分級相應的界限含水量。何平[10]等認為融沉系數與凍土中含冰量有關，融沉系數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]等對中密砂土融沉時的壓縮性進行研究，建議將飽和度作為融沉指標，且其上覆土層的滲透系數越小，解凍過程中土層壓縮性就越小。

(3)試驗研究表明豎向荷載是影響融沉的又一重要因素。Crory，Frederick E[12]進行了帶載的一維融沉試驗，結果表明融沉系數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]進行了一維條件下土體的融沉試驗，并對土體在解凍過程中的豎向和水平應力以及孔隙水壓力進行了測試，和土體的三維融沉試驗進行比較，發現垂直應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]等對徐州地區黏性土進行凍融試驗，發現土體在垂直方向上融沉比凍脹要明顯，這是由于凍結過程中土體結構發生變化，融化時產生了突陷。

1.2 數值模擬研究

(1)融沉過程實際是溫度場、應力場、位移場及滲流場多場耦合的作用，現行的數值模型重點考慮位移場和溫度場在解凍過程中的分布及變化，僅有少數考慮了滲流場。Foriero，Sally Shoop[15-16]分別基于有限變形固結理論，D-P塑性硬化模型對正融土的融化規律進行了數值分析。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建立了凍融瞬態溫度場數學模型，進而提出隧道水平凍結施工時地層凍脹融沉的彈塑性熱力耦合數值模擬預測方法。袁云輝[18]等研究了水平凍土帷幕在人工強制解凍條件下溫度場的分布規律，結果表明：提高循環熱水溫度、延長熱水循環時間以及盡量利用原有水平凍結管的最短間距均能夠縮短凍土帷幕人工強制解凍的完成時間。Guymon[19]對淤泥質土進行了一維單向凍融試驗，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建立了一維數學模型，來預測模擬解凍過程中溫度和孔隙水壓力的分布，且與實測數據吻合良好。李述訓等[20]研究草炭亞黏土和亞黏土在凍結和融化過程的熱交換特征，結果表明：凍融作用使熱交換過程中表層溫度梯度加大，熱交換強度增強。

(2)在融沉評價和預測方面多采用灰色理論及神經網絡理論進行模擬。鮑俊安等[21]通過建立灰色關聯分析模型，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]等運用BP神經網絡研究了干密度、含水量和凍結溫度對融沉系數的影響，并建立了相應融沉系數預測的模型。姚曉亮[23]也通過BP人工神經網絡算法，建立了干密度、含水量、粉黏粒含量以及液塑限同融沉系數間的經驗關系。由于試驗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，而融沉系數的預測應有同一地區大量的試驗數據才有可靠性。

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

2 融土特性研究現狀

融土特性研究主要包括物理特性和力學特性兩方面。

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，增加密實土體的孔隙比，Chamberlain等[24]發現細粒土在凍融循環作用后，土樣的孔隙比會變小，但土樣的滲透性會增大，并且發現這種效應隨著土體塑性指數的增大而增大。Viklander[25]提出了殘余孔隙比的概念：即經過多次凍融循環后，松散土和密實土的孔隙比趨于一穩定值eres。楊成松等[26]對砂質粘土和輕亞粘土進行室內凍融試驗，結果表明：經多次凍融循環后土體的干容重趨于某一定值，即孔隙特征趨于穩定，且這一定值與土體的初始干容重無關，而與土體的種類有關。

(2)滲透性。凍融循環作用使得土的結構變化，經常導致滲透率變化幾個數量級。楊平[5]等研究發現已融黏土的滲透系數比同樣成分的原狀土要大3～10倍 。試驗研究證明，這種現象是由于在凍融過程中土體中的細顆粒增多，土體中產生縱向裂隙所致。

2.2 力學特性

(1)強度特性。在溫度荷載作用下原狀土受到擾動，其力學性能發生變化，主要表現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行了固結排水剪切試驗，發現凍融后，黏聚力降低，內摩擦角增大，且融化溫度對融土的強度影響很小。于琳琳[28]在不同凍結溫度和融化溫度、不同凍融循環次數、開放和封閉體系條件下對凍融飽和原狀粉黏土試樣進行了不固結、不排水剪切試驗也得到了以上結論，并且發現隨著凍融循環次數的增加，5～7 次凍結循環后黏聚力和內摩擦角逐漸趨于穩定。

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

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

3 融土微觀結構研究

3.1 常溫土微觀結構研究

土體的微觀結構研究主要包括形態學特征、幾何學特征及能量學特征。形態學特征主要包括孔隙大小、形狀、表面特征及其定量比例關系；幾何學特征主要為孔隙、顆粒在空間的排列狀況；能量學特征主要表現在顆粒與顆粒的接觸及連接特性。

目前，在常溫土微觀結構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構進行研究，得出砂性土顆粒形態具有分形特征。王寶軍、劉熙媛[32，33]等也發現黏性土微觀結構中土顆粒的分布符合分形特征。胡瑞林[34]認為土體的微結構形態主要包括顆粒形態、顆粒排列方式、孔隙性和顆粒接觸關系，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項參數表征土體微觀結構。劉長禮[36]發現軟土孔隙分維數隨固結壓力的增大而減小。柳艷華[37]從多重分形的角度對孔隙的不均勻性進行定量描述，并建立了孔隙多重分形譜各特征參數與荷載之間的關系。前人的研究均表明，土體的微觀結構形態存在分形特征。

3.2 融土微觀結構研究

對于人工凍融土的微觀結構研究尚屬剛剛起步，相關研究文獻較少。

鄭美玉[38]通過對粉質黏土凍融后微觀結構特征的研究發現，土樣經過一個凍融循環后礦物成分并無明顯變化；內部的孔隙大小發生了變化，土樣凍融后比表面積、孔隙率較凍前增大。何偉朝[39]研究了凍融循環作用下，各微觀結構參數與抗剪強度之間的關系，并用灰色關聯理論進行了相關影響因素的分析，同時利用BP神經網絡進行了驗證。唐益群[40]以上海原狀和凍融后的暗綠色粉質黏土為研究對象，結合該土體凍結前后的微結構電鏡掃描圖片，對比分析了土體凍融后動力特性變化的微觀機理，表明土體強度削弱來自凍結時水分膨脹對土體微觀結構的破壞。洪軍等[41]以上海第四層淤泥質黏土為研究對象，研究了土體凍結溫度對孔徑、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]通過補水條件下的凍融循環試驗，對不同凍融循環次數的壓實黃土進行定量分析，發現隨著凍融循環次數的增加，土樣內部冰晶的生長及冷生結構的形成導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構，證實了凍融對黃土結構的削弱作用。王靜[43-44]研究發現隨著凍融循環次數的增加，土孔隙排列向均勻化發展，圓形度呈上升趨勢。

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

4 結束語

本文通過對已有文獻的總結得出了人工凍融土融沉特性及微觀結構研究的現狀。提出應采用多種手段結合、宏觀、微細觀相聯系研究人工凍融土的物理力學特性，以微細觀來解釋宏觀參數的變化機理，并嘗試探尋宏觀和微細觀的定性和定量關系。

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