高原冻土地区典型冻土工程特性概述

张欣然 马纯杰 韩 磊

(1.寿光市建筑设计研究院有限责任公司，山东 潍坊 261000； 2.潍坊市建筑设计研究院有限责任公司，山东 潍坊 261000; 3.山东景城建筑规划设计有限公司，山东 潍坊 261000)

0 引言

我国多年冻土分布广泛，据不完全统计我国冻土约有215万km2，占国土面积20%以上，冻土地区的开发建设与社会的发展息息相关[1]。国家高度重视高原地区冻土的研究，并建立了具有相当科研能力的国家冻土研究试验室，对冻土进行全方面研究。

冻土地区结构物在正常服役期间常存在冻胀、融沉、承载力不足等问题，极易发生下沉和失稳破坏，造成巨大经济损失[2]。对于高原地区多年冻土，国内外众多专家学者已对其工程特性做了大量研究，励国良[4]对高原多年冻土地区桩基基础水平、竖向荷载试验进行研究；孙常新等[5]对青藏高原多年冻土地区施工方法、注意事项等进行介绍，揭示了回冻时间对工程施工的影响；DONALD等[4]发现当温度处于一定范围内，冻土的剪切强度将会随温度的降低而降低；Harlan等基于数学方法与物理力学理论提出冻土在冻融循环过程中其物质运动与迁移的理论方程。本文对高原冻土地区典型冻土工程特性进行研究，为高原冻土地区工程建设提供理论基础。

1 冻土各组分作用机制

通常意义上将土体温度等于0 ℃或者低于0 ℃并且含有冰晶体的各类土体统称为冻土，当土体连续三年或三年以上处于0 ℃以下环境，土内冰体常年不融化时称其为多年冻土，我国为世界第三大冻土分布国，多年冻土广泛分布于西部高原地区。冻土实质上是由空气(气相)、未冻结水(液相)、冰体(固相)、土颗粒(固相)等组成的不同于传统固、液、气三相组成的普通土体，水结晶体积变大使得冻土处于一种类似于四相状态的复杂体系，其物理力学特性都有较大变化，给工程建设带来困难，图1为冻土物质构成示意图。

2 冻土的物理特性

2.1 冻土内的物质迁移特性

当土体内的一部分水分发生冻结时，其内液态水含量减小固态水含量增加，这就会使冻结过程中产生物质的迁移[7]。通常情况下，土体含水量越高相应的地下水位也越高，也越容易发生水分的迁移。土体比表面积越大，土体渗透性越高，水分迁移率越高，因此在粒径较小的细粒土中水分迁移最强烈，土体冻胀率也越大，而粒径较大的粗粒土和渗透性较差的粘性土中，水分迁移一般难以发生。土体在外加荷载作用下，冻土内的冰体通常也会发生迁移，称为冰的塑性流动，冰体融化变成液态水，随后再次冻结变成冰体，冰体发生重新分布。温度或是外加荷载作用都是影响冻土内液态水或固态冰迁移的重要因素。

2.2 冻土的融沉与冻胀

当外界环境温度变化导致土体内部分冰体融化时，土体在其自身重力下会发生一定的下沉，称为冻土的融沉现象。冻土融沉常导致其上结构物发生不均匀沉降、倾斜等工程难题，要尤为注意。

土体部分水分发生冻结时会吸引下部水分往冻结处迁移，会在冻结处形成冰夹层及冰镜透体，更多水分在此汇聚使冰夹层体积变大，土体表现为膨胀、隆起。土体的冻胀作用将引起土体内部内力重分布，还会产生冻胀应力。冻胀土体与结构物基础相互作用对结构物整体稳定性产生影响。

3 冻土的力学特性

现有研究资料和数据表明，冻土的强度主要由土体内冰体强度、土颗粒间摩擦力及其相互作用决定。用来表征冻土强度的指标主要有抗压强度、冻结强度、抗剪强度等。

冻土的抗压强度远大于普通土体的抗压强度，且其强度变化与温度变化成反比，因为温度变化导致土体内冰体含量变化，一般来说冰体越多冻土抗压强度越大；土质对冻土抗压强度也有一定影响，通常土颗粒越大，其抗压强度也越高。

冻土冻结强度的实质是冻土与结构物基础接触面之间的摩阻力，它是结构物基础承载力的重要组成部分。冻土冻结强度的变化与结构物基础表面粗糙度及土质有关。基础表面粗糙度越高，冻土的冻结强度就越大；通常砂性土的冻结强度最大，粘性土次之，砾石土最小。

冻土的抗剪强度为普通土体的数倍，也受土体内冰体含量的影响，当部分冰体融化为未冻水时，冻土抗剪强度会相应降低。通常情况下，砂性土类冻土的抗剪强度中，内摩擦力大于粘聚力；而粘性土类冻土，粘聚力大于内摩擦力。

特定条件下，含水量、温度是影响冻土强度特征的主要因素。含水量与温度本质上是通过影响土体内冻结冰体的含量来影响冻土的强度特征，土体含水量高意味着其夹冰层越厚，土体强度就越高；温度高冰体融化，土体强度就会减小。

室内试验是研究高原冻土物理力学性能的有效途径之一，而典型高原冻土组成成分复杂，各组分相互影响，长期低温环境下其强度及变形特性与普通土体有较大差别，因此常规的动三轴土动力学试验难以准确测得高原冻土的各动力学参数，试验室常用的温控动三轴仪来实现不同温度环境下加载，有效模拟典型高原冻土存在环境，可以较为准确的测得冻土土力学参数，目前试验室常用的温控动三轴试验系统主要由温度控制系统、液压油源、电气控制系统、电液伺服机等四部分组成，装置示意图如图2所示。

系统配置的温控压力室可设置温度变化范围-30 ℃～50 ℃，可通过分级、分段、线性等方式进行升温降温，最终实现对温度变化的精确控制及测量，试验系统内置的压差传感器与温控压力室结合，可精确捕捉试样在温度变化下的变形。

将典型高原冻土按照《土工试验方法标准》相关要求制成规定尺寸的标准试样，移动温控压力室及轨道将试样缓慢放入压力室中，以保证对试样扰动最小，安装压力室及温度隔离装置；将压力室移动到动态荷载架位置，连接温度控制系统、液压油源、电气控制系统等开始试验；动态荷载通过荷载传感器传到试样上，荷载可由内置传感器测量。

通过对高原冻土进行不同温度环境下的动态三轴试验，揭示典型高原冻土的形成与作用机制，并进一步分析不同温度作用下典型高原冻土的强度与变形特性。

4 结论与展望

我国为冻土高分布大国，国家高度重视冻土地区的经济建设，青藏铁路、西部大开发等国家战略都受到冻土复杂特性的影响，冻土特性的研究仍为众多专家学者研究的焦点，典型高原冻土的复杂特性以及试验室测定冻土土力学特性的局限性给高原冻土的研究带来诸多困难，但这同时也带动冻土研究愈发深入、全面，相信随着对冻土全方位多层次研究的展开，冻土地区会有更进一步的发展。