季凍區水位變化對土體力學場的影響研究

蔣 佳 莉

(寧夏大學土木與水利工程學院,寧夏 銀川 750021)

0 引言

地表土層的干濕狀態常常受到水分變化的影響，使土體處于飽和與非飽和狀態中。冬季土體凍結，春夏土體融化，季節更替導致土中氣水分布發生變化；冬季地下水回落、地表水凍結與春暖回灌，地下水位上升，干濕狀態交替導致土體應力應變場發生變化；同時全球變暖和一些極端惡劣氣候現象，使得土體干濕循環強度增強，對土體內部顆粒的排列方式、孔隙結構以及含水率產生影響，從而引發土體表層土的力學性質，持水特性，滲透特性的改變[1,2]，也會對土體應力應變場分布產生較大改變。這些造成路基工程、渠道襯砌、地基工程發生凍脹、融沉、不均勻沉降等破壞，給地區經濟發展帶來諸多不利。因此，研究季凍區水分變化對應力應變場的影響意義重大。

1 宏觀水分變化對土體應力應變場影響研究

水分變化主要表現在地下水位的升降和地表水變化。冬季嚴寒初期，水位變化影響不大；凍結發展期使得凍結層水分增加，上部含水量減少，而下層由于向凍結鋒面移動，含水量減少，總體表現為地下水位下降；春暖融凍時期，土體從底部和表層兩個方向解凍，在壓力勢作用下向上返漿，表層水分增大，土體強度下降，在重力勢作用下下滲，導致同期地下水位上升[3]。地表水分因季節氣候因素在季凍區常呈現春夏降水多，秋冬降水少，冬季常以降雪形式作為水分補充。

宏觀水分變化對實際工程產生的破壞有：任振華[4]通過研究水分變化對邊坡工程穩定性影響，認為水位的驟降引起非穩定滲流，產生不利于邊坡穩定的孔隙水壓力，非穩定滲流越強烈，對邊坡土體的危害越大。在渠道襯砌中，由于渠基土體水分增加，導致土體凍結膨脹破壞。在路基工程中，水分的運動會引起土體水熱狀況的變化，由此引發的應力重分布是凍害融沉的主要因素，冬季土成冰膨脹，路基扭曲或折斷，夏季或人為干擾，已凍結土會融化，土體固結下沉，引發不均勻變形，塌落。陳卡拉等[5]通過研究水位升降環境下的湖區軟基對其樁基礎工作性能發現樁側孔隙水壓力的變化導致近樁區沉降遠大于其他位置處。

水分變化對土體力學性能產生的影響有：李國玉等[6]指出土體內部結構，強度以及構筑物的強度會因此受到顯著影響，改變土體的物理力學性質,如：干密度、含水率、孔隙比、結構性、顆粒連接方式、滲透性等。倪萬魁等[7]認為凍融循環微觀過程中使得黃土顆粒之間的原有固結逐漸減弱，表現為內摩擦角增大，黏聚力下降，最終使得黃土抗剪強度與重塑黃土強度接近。在對黃土的相關試驗中表明[8-16]，隨著凍融循環次數增加，凍融循環對黃土強度具有弱化作用，相應的干密度、黏聚力、強度、彈性模量等參數都降低，而內摩擦角影響不大或雖有增長但幅度不大。張芳枝等[17]通過室內和現場試驗發現：干濕循環使壓實黃土強度降低，滲透系數增加，內摩擦角減小?？琢罾18]在恒溫狀態下對土體進行了封閉水分遷移試驗，通過動態監測黏土、粉土、細砂水分變化過程，分析了土性及初始含水量對水分遷移的影響。

我國在水分對于應力應變場的影響研究上涉及土體強度，變形以及數值模擬應用。Kay等[19]通過對多次干濕循環后土體抗拉強度試驗，發現抗拉強度明顯降低。馬巍等[20]對不同圍壓下土體的三剪抗剪強度試驗，發現凍土強度隨著圍壓增大而增大。毛雪松[21]通過試驗得出在凍脹范圍一定情況下，水分遷移的大小決定著變形場以及應力場中最大變形及最大應力值的大小，而對極值點的位置影響不大。劉雄等[22]對渠道凍結過程中的水分場，應力場，位移場進行了數值分析，建立了凍土本構模型。Takashi等[23]通過對土體滲透率和圍壓對凍脹的影響分析，建立了半經驗模型。這為耦合模型的發展提供了理論基礎，使得水熱力場耦合模型得到了很快發展。

2 微觀水分變化對土體應力應變場影響研究

水分遷移的影響主要表現在隨著溫度的升降，土體凍結或融化，冬季溫度降低，土體凍結成冰，體積發生膨脹，春夏溫度升高，已凍結土體融化，土體排水固結，會發生不均勻變形，塌落等。

對于水分遷移的研究主要分為理論研究和試驗研究。試驗研究又可分為室內試驗和室外試驗。土體中微觀水分變化中關于水分遷移動力，國內外學者提出過很多假說：毛細管作用力；薄膜水中的遷移理論和吸附薄膜理論；含水量梯度；基質吸力梯度，以及徐學祖曾提出的14種假說。水力梯度曾認為是遷移動力，但考慮土的類型，滯后效應，應力歷史等因素，被人們廣泛接受的是Harlan提出的土水勢梯度[24]。目前關于水分遷移的基本理論主要分為兩種:一是水動力學，認為土體凍結過程中主要發生熱量交換，水分遷移，以及水分相變這三種物理過程，并且土體的水分場，溫度場相互作用；二是土水勢理論[25]，土水勢理論認為遷移動力由基質勢、壓力勢、溶質勢、重力勢、溫度勢構成，利用Clausius-Clapeyron方程來求取土水勢，并且考慮了遷移過程中的熱量。關于微觀水分變化下開展的試驗研究主要有：孫建樂[26]在非飽和土水分遷移試驗研究中認為當土體水分以不同形態存在時，遷移量不同。齊吉琳等[27]通過對反復凍融循環下土體的試驗研究發現：凍融循環下，黃土大中孔隙個數占孔隙總面積百分比增加，對松土具有強化作用，相應的強度增加，而內摩擦角影響不大。徐學祖[28,29]通過室內土柱試驗研究封閉系統正凍土和已凍土的水分遷移規律，室外試驗研究開放系統的非飽和土正凍土水分運動規律。

工程中土體對應力應變場的影響根本原因在于土體結構的改變，而結構的改變在某種程度上可以通過微觀結構的改變進行解釋。因此宏觀力學性質與微觀結構特征之間存在著一種關系。近年來隨著技術發展，采用掃描電子顯微鏡對路基土體微觀結構進行研究。倪萬魁等[7]認為對土體微觀結構的研究一般包括四個方面：顆粒形態、顆粒排列方式、孔隙性、顆粒的接觸關系，大量研究都是基于此定性的解釋一系列物理力學性質。如高國瑞[30,31]、楊運來[32]通過黃土微觀結構特征對黃土濕陷性進行系統研究；BAI等[33]對黃土的微觀結構研究，初步建立了黃土微觀結構與其宏觀力學性質間的定量關系。谷憲明等[34]通過試驗發現對路基凍脹的影響區段集中粒徑2 μm～5 μm，5 μm～10 μm，而孔隙集中于小于1 μm和1 μm～2 μm之間，從而揭示了粘粒和孔隙為水分遷移的重要因素。當有外界水源補給時，穆彥虎等[35]通過試驗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中孔隙體積增加，形成新的骨架結構，大中孔隙個數及其所占孔隙總面積百分比顯著增加。張國棟等[36]通過對三峽水庫運行后水位周期性漲落下邊坡土體開展了研究，發現土體的物理結構破壞，土體由致密有序的斑狀塊狀結構最終變成雜亂的絮凝狀結構。以上土體微觀結構的變化會導致宏觀力學特性的改變，進而對土體應力應變場產生影響。

3 目前存在問題與不足

3.1 水分遷移動力研究仍需探索

凍土中水分遷移動力的研究隨著時代的發展而不同，學者提出的毛細理論、薄膜水遷移理論、結晶力理論從物質結構等方面解釋，但由于凍土的復雜性以及凍土物理參數的動態性，上述假說只能從一定方面去解釋水分遷移現象，因此對于水分遷移動力的研究還需探索，這對于凍土水熱力耦合問題很有必要。

3.2 水、熱、力耦合模型缺乏實用性

土體凍融過程中，溫度水分應力場三場的相互作用是一個極其復雜的過程，土體凍融過程中未凍水會向凍結鋒面遷移，同時產生大量的相變潛熱，影響土體的物性參數，進而影響土體的溫度場，而溫度的變化又會引起水分特征參數變化，進而引起應力場的變化，但進行三場耦模型中普遍缺乏應力場對其溫度場或水分場或其二者的聯合作用效果，使得耦合模型一定程度上并不能反映真實情況，加之目前的耦合模型基本上都是在水熱邊界和應力邊界條件下熱質遷移方程與力學方程的結合，因此力學參數的選取與土體物性參數的作用對結果至關重要，否則失去實際指導意義[37]。所以對于應力場對溫度水分場的研究以及邊界條件和參數的選取需進一步探討。

3.3 加強土水特征曲線擬合研究

Mc Queen等[38]提出了一個包含三個區段的土水特征曲線一般特征概念模型，這種模型的優點在于即使缺乏相關數據，仍可利用模型獲得所需土樣的土水特征。所以加強土水特征曲線模型的擬合，在一定程度上可以更好探究土體凍融特征。