凍土力學性質的影響因素分析及新方法的應用

宋明哲++程玉龍

摘 要：中國的凍土區（多年凍土和季節性凍土）的分布及其廣泛，介紹了對凍土研究的必要性。通過對不同的控制因素（主要有溫度、含水率、含鹽量、圍壓、凍融循環作用、不同類土等）對凍土的物理力學性質進行分析，簡單介紹新方法在凍土研究中的應用，最后給出未來凍土研究的見解。

關鍵詞：控制因素；凍土；力學性質

1 概述

我國占據世界凍土面積的23%，在東北大小興安嶺地區、西部青藏高原地區和天山地區分布著豐富的凍土資源。隨著經濟基礎建設和國防事業的推進，我國對東北和西北等邊疆地區開發的加劇，我們面臨著凍土給工程建設帶來的巨大挑戰，因此，在這些地質條件嚴酷的凍土地區施工開發時，必須凍土的作用機理、病害問題和保護措施進行充分的認識，并確保解決問題措施的可行性與可靠性，進而保證建設的建筑物或結構的安全性和穩定性。

眾所周知，凍土體的結構非凡復雜，包含不同粒徑的土顆粒，水分，氣體成分和凍結的冰晶體，這種復雜的構成成分也導致了凍土各方面的差異性與不確定性，在宏觀上主要表現為物理力學性的差異。許多試驗研究表明，土顆粒的級配，含水率，土中含鹽分多少，含冰量（及未凍水含量），凍融作用，加載時間，添加劑等都對凍土的物理力學性質產生影響。本文要總結前人通過對不同影響因素條件下對凍土的物理性質和力學性質進行總結與分析，并為未來的發展趨勢提出一點見解。

2 不同影響因素對凍土的物理力學性質的影響分析

2.1 溫度和含水率對凍土物理力學性質的影響

在一定條件下，溫度和含水率對凍土的物理力學性質的影響主要是溫度控制的，含水率對凍土力學性質的影響相對起輔助作用。非凍土中，其他控制條件一定時土的強度指標隨著含水率的增加先增加后減小，在溫度的作用下，隨著溫度的降低，土的強度指標表現為一定負溫范圍內隨著含水率的增加凍土的強度先增加后逐漸接近于某水平直線[1，2]。因此，凍土的強度指標主要取決于溫度，又受含水率的鉗制。

2.2 含鹽量對凍土力學性質的影響

含鹽量對凍土的力學性質的影響主要是通過可溶性無機鹽離子對水分子的作用力產生的。試驗表明一定條件下凍土的靜力學強度隨含鹽量的增加而先增加后減小[3]，凍土的動力學強度圍壓一定的前提下隨溫度和含鹽量的增高塑性破壞越明顯[4]。大量研究表明，含鹽量對凍土的強度的影響是一致的，其他制約因素不變情況下隨含鹽量的增加而降低。但是鹽分對凍土的強度作用機理還缺乏研究，這一方面還值得我們進一步研究，這樣可以綜合分析不同鹽分對凍土強度的影響。

2.3 圍壓的影響

圍壓作用對凍土強度的發展變化主要是圍壓對凍結水和微裂隙的影響[5]。圍壓的存在為單元土體的側向面提供了約束作用，由此推可知，側向作用力的存在可以是被動約束力也可以以主動作用力的形式存在，這取決于單元體的鉛直作用力與側向作用力形成的力學體系。低圍壓條件下，試驗試件主要表現為被動約束，高圍壓表現為主動作用。因此，大量的研究表明，在單一圍壓情況下，處于低圍壓情況時，凍土的強度隨圍壓的增加而增大[5，6]，在高圍壓條件下，出現壓融現象使凍土的強度開始降低[7]，存在圍壓轉折點。不同土類的圍壓轉折點也不盡相同。

2.4 凍融循環作用

我國的季凍區分布及其廣泛，對土體凍融循環作用的研究是迫在眉睫。含水率極低時，凍融循環作用幾乎對土體的強度不會產生較明顯的影響，隨著含水率的增加，土中水分在溫度變化的作用開始遷移和凍脹，使得原有土體的結構排列發生明顯的改變，且各組分（如顆粒粒徑、化學成分等）也隨之增加或減少，含水率越高，經歷凍融循環的次數越多，結構變化也越復雜。因此土體在經歷凍融循環后土體的內部宏觀結構和組分含量發生了明顯的變化是引起凍土強度性質的關鍵問題。

2.5 不同類土

在自然狀態下，不同類的土體在相同的外界條件下表現出的物理力學性質也千差萬別。不同類的土主要包括碎石土、砂土、粉土、粘性土、淤泥質土、膨脹土、濕陷性黃土、改良土、污染土。根據大量的試驗和實踐，天然土的力學性質主要是由天然固結度、含水率、密實度、顆粒級配和凍結溫度決定的，改良土主要取決于添加的改良劑性質，添加劑的存在可以改變土體間的結構。而在凍土中不同類的土體的力學性質幾乎也依賴于天然土力學性質的決定條件，但對溫度的敏感性更大。

3 新方法和理論在凍土物理力學性質研究的應用

新方法和理論是區別于傳統凍土力學研究的方法，結合現代新的數學理論、信息和工業技術，如概率統計法、模糊數學法、數值模擬、無損探測等，對凍土的物理力學性質的研究更加趨于精細化和微觀化，確定凍土中各組分間的相互作用關系和對凍土性質影響的程度的關系。國內學者已利用概率統計方法對不同因素的交互作用下的凍土強度進行了研究[8]。并將概率與數理統計理論應用到高溫凍土的長期強度和蠕變的計算，得到凍土的長期強度和蠕變方程的參數的描述方程[9]。還有學者應用灰色關聯理論分析了不同因素對凍土強度的影響，最后得出溫度與凍土的強度的關聯度最大[10]。王大雁等[11-12]利用UVM-2型聲速測定儀對不同土類進行研究，建立超聲波速與溫度和未凍水含量的關系式，還可以根據縱橫兩波波速的比值來判定土的類型。相對傳統實驗來說，利用超聲波來判定土層比較先進，比較快捷的，減少了人的操作量，對土層也是無損的，這種方法對將來的地質勘察具有很大的發展潛力。土的特性（各向異性等）也不斷促使新的數學理論和無損探測方法的發展。

4 結束語

（1）大多學者都認為在其他因素不變的情況下隨溫度的降低凍土的強度升高，這是普遍的看法。其他影響因素的對凍土的強度幾乎都依賴于溫度的變化。但基于微觀理論下，各控制因素的作用機理還尚待進一步考證。

（2）新的數學理論及新的試驗方法在凍土研究中的應用，加速了對不均質、各向異性土的物理力學性質的研究。建立不同土類的凍土數據庫，為以后研究提供參考，避免重復性的工作。

參考文獻

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[12]Da-yan Wang，Yuanlin Zhu， Wei Ma ，Yonghong Niu.Application of ultrasonic technology for physical-mechanical properties of frozen soils[J].Cold Regions And Technology ，2006，44：12-19.

作者簡介：宋明哲（1990-），男，在讀碩士。