高溫凍土物理力學(xué)特性研究現(xiàn)狀

摘 要：高溫凍土通常描述的就是溫度比較高的凍土，又叫做相變區(qū)凍土。高溫凍土中因?yàn)闇囟鹊膭×易兓瑑鐾廉?dāng)中的存在的冰和水的比例對(duì)于劇烈變化的溫度比較敏感。所以高溫凍土物理力學(xué)的特性開(kāi)始變得波動(dòng)，很容易在溫度變化的區(qū)間以內(nèi)發(fā)生一些改變。縱觀目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于高溫凍土物理力學(xué)特性的文章和資料，我將把高溫凍土的定義作為本文的切入點(diǎn)，分析高溫凍土物理力學(xué)的幾種特性。對(duì)于高溫凍土的研究，對(duì)于目前各項(xiàng)工程有深遠(yuǎn)意義，研究高溫凍土的特性能夠幫助解決特殊地區(qū)的建設(shè)工程難題。

關(guān)鍵詞：高溫凍土；物理；力學(xué)；特性；現(xiàn)狀

我國(guó)國(guó)土資源豐富，除了土壤肥沃的平原地區(qū)以外，在青藏高原地區(qū)分布著多年凍土區(qū)域，主要集中在青藏高原緯度比較低，但是海拔比較高的地區(qū)。另外，東北部分地區(qū)也有凍土區(qū)域的分布。也就是說(shuō)，我國(guó)有部分地區(qū)分布凍土。我們知道，在歐亞大陸和北美洲地區(qū)也分布著大片的凍土，但是我國(guó)的凍土與以上兩個(gè)地區(qū)的凍土有比較明顯的區(qū)別，我國(guó)地區(qū)凍土的溫度比較高，厚度比較薄。對(duì)比地球上其他凍土區(qū)域來(lái)說(shuō)，我國(guó)青藏高原的凍土溫度因?yàn)槌Ｄ瓯３制叩臓顟B(tài)，所以基本可以界定為高溫凍土。另外根據(jù)調(diào)查研究表明，阿爾卑斯山脈等這類高海拔的高山地帶也存在一部分高溫凍土的情況。隨時(shí)全球溫度的不斷升高，南極冰川開(kāi)始融化，海平面不斷上升，許多南極動(dòng)物的生存狀況堪憂。另外全球變暖也影響到凍土地區(qū)的穩(wěn)定。氣候的變化不可避免的影響到我國(guó)青藏高原高溫凍土的穩(wěn)定性，對(duì)于該地區(qū)項(xiàng)目工程建設(shè)也產(chǎn)生巨大的影響。

根據(jù)調(diào)查可知，我國(guó)的高原凍土呈現(xiàn)大面積退化的現(xiàn)象，低溫凍土開(kāi)始向高溫凍土轉(zhuǎn)變，原有的高溫凍土也漸漸變成融土。這種情況的產(chǎn)生對(duì)于已經(jīng)建造在凍土上的建筑和各項(xiàng)工程將產(chǎn)生一定的安全威脅。所以研究高溫凍土物理力學(xué)特性對(duì)于當(dāng)前高原地區(qū)的工程建設(shè)維護(hù)有重要意義。

一、研究背景分析

（一）凍土概述

凍土的含義指的是在零攝氏度以下，土壤中含有冰和其他巖石等物質(zhì)的稱作凍土、凍土的種類是按照時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)具體分類，比如只持續(xù)幾個(gè)小時(shí)或者幾天的叫做短時(shí)凍土，在一個(gè)季度或者幾個(gè)月之內(nèi)的叫做季節(jié)凍土，再長(zhǎng)時(shí)間的比如超過(guò)兩三年的凍土叫做多年凍土或者永久凍土。因?yàn)閮鐾帘旧砭哂辛髯冃缘奶卣鳎运矔r(shí)強(qiáng)度通常會(huì)高于長(zhǎng)期強(qiáng)度。我國(guó)為了帶動(dòng)西藏地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，在凍土區(qū)域修建了一部分工程建筑物，這些建筑物因?yàn)閮鐾亮髯冃砸蛩兀瑢?huì)面臨凍脹和融沉的危險(xiǎn)。目前已經(jīng)有科學(xué)研究表明，全球氣溫正在不斷上升，凍土的區(qū)域范圍也在不斷的縮小當(dāng)中，具體表現(xiàn)在凍結(jié)的持續(xù)天數(shù)在不斷縮減，凍土的深度在不斷減小等等。尤其是青藏地區(qū)公路附近的凍土表現(xiàn)十分不穩(wěn)定。有關(guān)資料表明在岡底斯山-念青唐古拉山以北、安獅公路南北面積為三十多萬(wàn)平方公里區(qū)域內(nèi)，凍土經(jīng)過(guò)幾十年時(shí)間的推移在不斷的退化。我國(guó)青藏高原地區(qū)的凍土融化、退化不僅會(huì)影響到當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)，還會(huì)造成地質(zhì)條件的不穩(wěn)定，進(jìn)而引發(fā)更多建設(shè)項(xiàng)目的問(wèn)題，對(duì)高原的公路等重要設(shè)施造成嚴(yán)重的威脅。

（二）高溫凍土概述

隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)于凍土的研究不斷加深，高溫凍土的概念逐漸被不同領(lǐng)域所熟悉，關(guān)于它的研究資料也逐漸豐富起來(lái)，作為物理學(xué)界和建筑學(xué)界的一個(gè)熱點(diǎn)名詞被廣泛討論。實(shí)際上，高溫凍土指的就是溫度比較高的凍土。凍土并非完全是土壤和冰的混合物，其中還包括大量的沒(méi)有凍住的水。所以國(guó)際上對(duì)于高溫凍土溫度的界定就是零攝氏度到零下一點(diǎn)五攝氏度。我認(rèn)為，目前對(duì)于高溫凍土的研究已經(jīng)逐漸開(kāi)始深入，但是對(duì)于其領(lǐng)域的具體探索和應(yīng)用還有很大的空間，所以探究高溫融土的物理力學(xué)特性成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

二、高溫凍土的力學(xué)性質(zhì)

（一）高溫凍土的強(qiáng)度特征

在認(rèn)識(shí)高溫凍土的強(qiáng)度特征之前，我們應(yīng)該先明確高溫凍土涉及的幾項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)，包括了高溫凍土的強(qiáng)度特征和變形特征等等。國(guó)際上公認(rèn)的對(duì)于高溫凍土最早的研究始于上個(gè)世紀(jì)七十年代，主要的研究方式就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，對(duì)于高含冰量的土壤進(jìn)行分析。我國(guó)對(duì)于高溫凍土的研究起步比較晚，但是發(fā)展迅速。主要是為了解決青藏高原的凍土利用問(wèn)題。在早期的研究中，對(duì)于凍土方面的研究主要是在相對(duì)低溫的環(huán)境下進(jìn)行操作的。處在凍結(jié)狀態(tài)的土壤有較高的瞬時(shí)強(qiáng)度。所以，凍土的性質(zhì)有些類似于軟巖。從研究來(lái)看，凍土的瞬時(shí)強(qiáng)度高于長(zhǎng)期強(qiáng)度，部分凍土在低溫狀態(tài)下或于巖石的堅(jiān)硬程度類似。

經(jīng)過(guò)研究可知，凍土強(qiáng)度的決定因素包括土壤的顆粒和冰的結(jié)合度。在高溫凍土中，沒(méi)有被凍住的水也會(huì)對(duì)凍土強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。事實(shí)上凍土的流變性很強(qiáng)，所以任何數(shù)值的荷載都將導(dǎo)致冰的塑性流動(dòng)和冰晶的重新定向。另外，在凍土中水膜的存在，凍土的流變性就會(huì)變得更強(qiáng)。在長(zhǎng)期作用力下，凍土的強(qiáng)度就會(huì)逐漸增加。針對(duì)高原凍土區(qū)域的工程建設(shè)一般都會(huì)考慮凍土的長(zhǎng)期強(qiáng)度問(wèn)題。

（二）高溫凍土的變形特性

高溫凍土具有變形特性，這種特性的存在不僅僅會(huì)受到氣溫變化的影響。實(shí)際上部分地區(qū)的公路路基下面，就算凍土不發(fā)生融化的現(xiàn)象，隨著路基不斷填土，包括日積月累的交通負(fù)載，也會(huì)發(fā)生一定的變形現(xiàn)象。特別是在高含冰量的凍土區(qū)域，公路的沉降都是肉眼可見(jiàn)的。所以高原凍土地區(qū)的公路建設(shè)過(guò)程中一定會(huì)考慮到的就是高溫凍土的變形特征。

縱覽當(dāng)前對(duì)于高溫凍土的變形特性的研究，其內(nèi)容還不夠豐富，對(duì)于變形形成的機(jī)理還沒(méi)有達(dá)成一定共識(shí)。但是高溫凍土的變形問(wèn)題還是會(huì)不斷影響著凍土區(qū)的工程建設(shè)。所以我們要進(jìn)一步確保高溫凍土地區(qū)各類工程的穩(wěn)定性，研究?jī)鐾磷冃螘r(shí)長(zhǎng)對(duì)于路基的變化影響。我認(rèn)為，我國(guó)青藏高原地區(qū)要想實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和進(jìn)步，就必須考慮到高溫凍土的物理力學(xué)特性，通過(guò)不斷研究，克服凍土區(qū)建設(shè)的疑難雜癥。

參考文獻(xiàn)：

[1]齊吉琳，張建明，姚曉亮，胡偉，方麗莉.多年凍土地區(qū)構(gòu)筑物沉降變形分析[J].巖土力學(xué)，2009（S2）.

[2]鄭波，張建明，馬小杰，張軍偉.高溫-高含冰量?jī)鐾翂嚎s變形特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009（S1）.

[3]馬小杰，張建明，常小曉，鄭波，張明義.高溫-高含冰量?jī)鼋Y(jié)黏土強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2008（09）.

[4]賴遠(yuǎn)明，李雙洋，高志華，常小曉.高溫凍結(jié)粘土單軸隨機(jī)損傷本構(gòu)模型及強(qiáng)度分布規(guī)律[J].冰川凍土，2007（06）.

[5]李雙洋，賴遠(yuǎn)明，張明義，張淑娟.高溫凍土彈性模量及強(qiáng)度分布規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007（S2）.

作者簡(jiǎn)介：侯宜哥（1999-），男，漢族，河北保定順平縣人。