高纬度多年冻土物理力学性质研究

赵文美

(黑龙江省公路勘察设计院，哈尔滨150040)

冻土是具有负温或零温并含有冰的土类或岩石的总称［1］，冻土根据其冻结时间的不同分为:短期冻土，冻结持续时间在几小时或几昼夜;季节性冻土，冻结持续时间不到一年;多年冻土，其冻结持续时间在两年或两年以上。我国幅员辽阔，冻土地域分布广泛，主要分布在青藏高原和东北大小兴安岭等地，两者具有明显的地域差异，青藏高原地区冻土位于低纬度高海拔，而大小兴安岭地区冻土位于低海拔高纬度。

在道路建设和运营的过程中，对道路影响较大的主要是季节性冻土和多年冻土。随着我国经济的不断增长，我国在公路建设上也随之发展，为确保多年冻土地区公路路基的稳定性，首先要了解地表下多年冻土的物理力学性质，为今后在该地区设计和施工提供理论依据。冻土具有相变性、流变性和蠕变性等特点，其工程性质异常复杂多变，无论是多年冻土还是季节性冻土，在其冻融过程中均会对建筑物、构筑物和公路路基稳定性带来不利影响。本文依托“漠大线伴行路多年冻土地区路基及桥梁建设关键技术”项目，在该区域选取典型冻土路段对路基下多年冻土进行取样，通过对原状冻土的试验，分析其物理力学性质，为大兴安岭多年冻土地区修建公路提供可靠的理论参考。

1 冻土物理性质

依据JTG E40-2007《公路土工试验规程》规范规定。主要对冻土总含水率、天然密度、颗粒分析、液塑限、矿物颗粒比重等物理指标进行室内试验。

1.1 冻土含水率和密度

在公路6个桩号的不同深度处取了6个冻土土样，全为富冰冻土。采用规范中的冻土密度联合测定法测定冻土含水率和密度，各桩号富冰冻土的试验结果见表1。

表1 冻土总含水率和密度Tab.1 The moisture content and density of permafrost

从表1中冻土总含水率与密度关系可知，冻土密度随着总含水率的增加而减小。这是因为冻土是由固体矿物颗粒、冰、未冻结液态水和孔隙中的气体组成。冻土总含水率是指冰与未冻结液态水之和。随着总含水率的增大，其占冻土组成比例增大，相应的固体矿物颗粒和孔隙中的气体所占比例减小，在实际计算中，孔隙中气体的质量一般忽略不计，因此冻土密度主要取决于固体矿物颗粒和总含水率占冻土的比例，冻土总含水率越大，冻土密度越小，反之，密度越大。

由表1还可以得知，冻土总含水率随着深度的不断增加，其呈现下降的趋势。多年冻土位于地表以下一定深度范围内，把季节融化层和多年冻土的衔接界面称作多年冻土的上限。在夏季，由于季节融化层中自由水充足，在冻土负温的作用下未冻水和毛细水不断向冻土上限处迁移集聚，同时自由水在周围饱和土体和冻结锋面的作用下又无法有效渗流，导致冻土上限处含水率不断增大;随深度的增加外界大气温度对地表下温度的影响逐渐减弱，在冬季，上部地基土层极易产生水分的迁移集聚现象。由此产生冻土总含水率随着深度的增加而减小的现象。

1.2 颗粒分析

对土体进行颗粒分析试验，试验得到颗粒级配曲线，如图1所示。

图1 颗粒级配曲线Fig.1 Particle grading curve

从图1中可以看出级配曲线陡峭，小于0.075 mm的质量通过率为73.1%，大于50%，说明颗粒都集中在0.075 mm以下，说明此冻土属于细粒土。根据颗粒分析试验结果计算得到土的不均匀系数为14＞5，表明粗粒组分分布范围较广，级配良好，曲率系数为0.3。土体比重平均为2.71。

1.3 土体液塑限

对路基下冻土土质进行液塑限试验，用于划分土类，计算天然稠度和塑性指数，用于公路工程设计和施工使用。采用液限和塑限联合测定法，土体液塑限指标见表2。

表2 土体液塑限指标Tab.2 Soil liquid and plastic limits

粉质黏土是冻胀性极其敏感的土，在外界水源补给充足的情况下，进入冬季，该地区地基土极易产生冻胀，对公路路基稳定性产生极不利的影响，因此在公路修建过程中，采取相应措施，降低因土体产生冻融对公路稳定性带来的不利影响。

2 冻土力学性质

冻土抗剪强度和单轴抗压强度是评价多年冻土地区冻土地基承载力的重要力学指标。依据JTG E40-2007《公路土工试验规程》和MT/T 593.1-2011《人工冻土物理力学性能试验》规范规定，对原状冻土的抗剪强度和单轴抗压强度进行试验。

2.1 抗剪强度

冻土的抗剪强度是冻土抵抗剪切破坏时的极限承载力，与未冻土一样，在计算建筑物地基的承载力或计算各类围护结构上的土压力以及计算承受剪切荷载作用的冻土体的稳定性等时均需要用到冻土的抗剪强度参数，是冻土重要力学指标之一。在一般的压力范围内，冻土的抗剪强度采用库伦定律的表达形式。

参考王永忠、刘雄军［2］等人对南方短时冻土抗剪强度指标c、φ值的试验研究方法，根据现场埋设温度监测系统得知，冻土温度在-1～-2℃范围内，在进行冻土剪切之前，冻土必须在恒温箱中放置不小于24h，恒温箱温度控制区间在-1～-2℃。为减少剪切盒与试样的热传递，剪切盒与冻土试样一同放入恒温箱中，试验选择在冬季室外进行。每组试样制备4个，分别在50、100、200、300 kPa进行直接剪切试验，计算破坏时的剪应力，并根据库伦理论计算出冻土的抗剪强度指标:黏聚力c和内摩擦角φ。冻土抗剪强度指标见表3。

表3 冻土抗剪强度指标Tab.3 Shear strength of permafrost

由表3可知，多年冻土的黏聚力远大于常温常压下普通土体黏聚力，平均为1.262MPa，而所测冻土内摩擦角均小于20°，平均为15°;黏聚力在冻土的抗剪强度组成中占有重要的权重，在大多数情况下决定着冻土的抗剪强度数值［2］。冻土的黏聚力和内摩擦角随着含水率的增加而减小，分析原因主要是由于冰和水的流变特性，冻土瞬时抗剪强度会随着含水量的增大而减小［3］，在负温条件相同条件下，多年冻土中的未冻土含水率随着冻土的总含水率的增加而增大，未冻含水率增大使冻土中的土颗粒分散程度变大，在这种情况下，未冻水和冰对冻土的抗剪强度影响显著增加，导致冻土的抗剪强度随含水率的增加而减小。

2.2 单轴抗压强度

冻土抗压强度是指冻土在单向受压条件下，冻土破坏时的极限压应力值，是冻土的主要力学性质指标之一。因冻土具有蠕变的特点，使其强度随时间而变化，因此冻土的强度又分为:短期荷载下的强度和长期荷载下的强度。通常情况下冻土的长期强度比瞬时强度低的多，一般可为瞬时强度的1/6～1/3，甚至更低［1］。

冻土瞬时单轴抗压强度是冻土设计和施工的重要力学指标之一，对冻土工程设计与施工的有着重要作用［4］。本次试验参考于皓琳、徐学燕［4］等人对多年冻土单轴抗压强度试验研究方法，试样规格:土样制成圆柱体Φ50×100(mm)，将其放入温度为-1～-2℃恒温箱中不小于24h。取出置于电液式抗折抗压试验机上，在恒变形速率下进行单轴无侧限抗压强度试验，试验过程中保持温度不变。冻土抗压强度见表4。

表4 冻土抗压强度Tab.4 Compressive strength of permafrost

冻土的总含水率的大小对其抗压强度具有较大的影响，在负温一定的条件下，当含水率较低时，没有达到土体的饱和程度时，冻土中仍然存在孔隙，冻土的抗压强度随含水率的增大而增大，当土体的孔隙完全被水充满时，此时土体达到饱，冰与土骨架共同承受力的作用达到最大，使其冻土的抗压强度达到极值。当含水率继续增加，超过土体饱和状态含水率后，其抗压强度将降低，在这种情况下，其冻土的抗压强度随含水率不断增加逐渐趋于冰的抗压强度［5-6］。从表4中得知冻土抗压强度随着总含水率增加而呈现降低的趋势，试验的原状冻土全为富冰冻土类型，说明此时冻土中的总含水率已经超过土体饱和状态的含水率。

3 结论

通过漠大线伴行路典型原状冻土的试验和分析，得出大兴安岭地区冻土物理力学性质如下:

(1)随着深度的增加冻土含水率呈现下降趋势，冻土的密度随着含水率的增加而减小。

(2)未冻水和冰对冻土抗剪强度影响显著，总含水率低的冻土抗剪强度高。

(3)富冰冻土总含水率超过土体饱和状态的含水率，冻土抗压强度随着总含水率增加而降低。

［1］徐学燕，邱明国.高等土力学［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2008.

［2］王永忠，刘雄军，艾传井，等.南方短时冻土抗剪强度指标c、φ值的试验研究［J］.武汉大学学报(工学版)，2010，4(2):198-202.

［3］李栋伟，汪仁和.冻土抗剪强度特性及试验研究［J］.安徽理工大学学报(自然科学版)，2004，24(s1):52-55.

［4］于皓琳，徐学燕，董鉴峰，等.漠河多年冻土单轴抗压强度试验研究［J］.黑龙江电力，2013，2(1):79-81.

［5］肖海斌.人工冻土单轴抗压强度与温度和含水率的关系［J］.岩土工程界，2008，4(4):62-63+76.

［6］柳 瑶，胡照广，姜 华，等.应用高密度电阻率法探查高纬度冻土区地基下岛状冻土分布［J］.森林工程，2014，30(6):161-165.