对冻土有关研究进展的梳理

李 波

东北石油大学 黑龙江 大庆 163318

摘要:系统梳理了冻土分布理论在工程建设及其应用领域中的研究进展,在总结了前人成果的基础上,系统地总结了在冻土分布理论下的冻土分布力学研究进展,以及冻土分布在动力影响下性状的研究进展。针对前人的研究,梳理冻土力学相关基本概念。最后,根据前人的成果,提出了进一步研究的方向:把基础理论研究与试验科研相结合。

关键词:冻土;研究进展;动力学;寒区;冻融;

一、国内研究进展

我国的显著的冻土区主要分布在在我国青藏高原、西北山区与东北西部地区的大、小兴安岭至松嫩平原等广大区域散布着大片的多年冻土地带,而在贺兰山至哀牢山一条线以西的广阔区域内,包括在此一条线以东,秦岭淮河地带一条线以北区域均为季节冻土地带。这些区域的土表面均具有一个冬冻夏融的冻结熔融层,作为建筑地基的冻结熔融层,在冻融过程中混凝土体性质受温度的改变,影响到上部构筑物的稳固程度和安全性。所以,当在冻土分布区域开展水利、工业生产和民用建筑和交通工程等项目的建设时,就需要对冻土分布及其与施工建筑之间作用的一些工程建设冻土力学基础理论与工程实际问题进行解决,以保障在冻土分布地基上施工建筑的稳定性、耐久和经济合理性^[1]。

我国还存在着广阔的季节冻土和多年冻土分布区,在冻土的分布区域开展工程建设时,就需要深入研究冻土分布区的流体力学特性,以保证在冻土分布区地基上施工构筑物的稳定性。目前关于冻胀理论的深入研究已经相当广泛,人们相继给出了多种理论知识来说明冻胀现象形成的机理,有的还运用到了计算分析中。而对于融沉理论的深入研究虽然有着较长的发展历程,但大都停滞在经历方式上,而熔融固结理论目前尚有很大的局限,所以认为一方面可以利用人工神经网络法增加经验方式的准确度和适用性,另一方面还需要发展熔融胶结大变形理论研究;而冻融循环能够改善土壤的热力学特性,说明了作者的最近研究进展。^[2]。

应该说明的是,即便是在较低的气温下,还是有一些未冻水出现。在一定气温下,冻士在未受力时,未冻水和冰相互之间保持着动态平衡状况,但在受力条件变化过程中,未冻水浓度也会增加,所以冻土分布的热力学特性远较融土复杂。

二、冻土在动力作用下研究进展

中国是一个冻结土十分布广泛且震害多发的大国,混凝土体在冻结时遭受强烈抗震时引起的破裂所造成的后果也更巨大,比如作为强烈抗震多发区的中国青藏高原从一九八零年至今,曾出现了14次6.0-6.9级抗震、2次7.0-8.5级抗震,在一九八六年的黑龙江省都德市出现过4次5.0级之上的强烈抗震爆发;尤其是在二零零一年11月14日,在中国新疆、青海省交界处的昆仑山区西口附近出现了八点一级强烈地震爆发,这场强烈地震在冻结土区域造成了巨大的地表破坏现象,导致了经过震害地区的青藏公路出现了多次震裂,并且对当时正在建设的青藏铁路也产生了一些负面影响^[3]。

国内科研方面,徐学燕教授等人依据大批的低温动三轴应力-应变试验资源,经过做大规模试验在国内外率先得出了冻士的动弹模量、动泊桑比、动剪切模量、动阻尼比的数量关联和它与冻结土气温、振荡频率之间的关联,指出了季节冻结土动力特性研发工作的重要性,并建议充分考虑了冻结土层对场地水囊害的负面影响问题。凌贤长等对中国哈尔滨粉质黏土在结冰后进行动三轴实验前后的CT测定,详尽深入研究了冻土分布的整体强度、微观变化机理和构造损伤程度等方面的变化特征,以及与试验对象的不同围压力度、负温强度、土壤的含水率和容重、轴向荷载下的震动频率和震荡次数等主要影响因素间的相互关联关系,为深入研究中国同类冻土分布的结构性变化数学模型提供了范本。王丽霞等人以青藏铁路的建设为背景,进行了多年对冻土场水平场地、单层边坡场地、双面边坡场地,以及水平场地且含融沉盆等条件下的路基地震反应研究,表明了冻土分布在震害影响下,与非冻土分布同样也表现为非线性变化:冻十层与非冻士层比受震害响应的危害更为明显,特别是冻结土层地震动应力幅度、频次大一些,因而冻士层的出现也加重了震灾的危害。高峰等人经过数值模拟,在对比时节性冻结土与长年冻结土所受地震反应因素后,发现时节性冻结土所分布的独立区域的地层峰值加速率更小,而若在长年冻结土上界以上都是融土时,地表层的地层加速度峰值较季节性冻十时大,受抗震伤害也更剧烈,所以研究冻结土自的冻融过程是十分有必要的。

冻融循环不但可以改善士的物理学特性.还有改善土的热力学性质,物理学特性的变化大致有以下几因素如:热渗透率、密度系数、含水率、磨擦角、黏聚力等。混凝土体在进行冻融循环系统后士进程中会产生一定型院、空隙中的细粒士可以在冻融过程中减小,但通过实验研究目前形成的系统认识是通过冻融循环系统后土壤的渗透系数大概会增加一负二个数量级,而许多研究结果均表明,土壤的通透性与密实度通过3~5个冻融循环系统后稳中向好,而梁波结合青藏铁路路基士的实验研究结果表明,对原来疏松的土壤在进行冻融循环系统后密实度会增加,即密度变化较大,与原来紧密的士土壤进行冻融循环系统后结果相反,OGATA等人发现在进行冻融街环后,土壤的内摩擦角会增加,黏聚力也会下降,这就是土壤在进行冻融循环系统后,大孔臻比重下降,在土壤颗粒中问形成了更多的接被点,使内摩擦角也增加了,CHAMBERLAINI、MORGENSTERNI7SI和OTHMANI为代表的研究者,提出了土休经冻融循环后会出现的超固结效应使摩擦角提高,黏聚力也降低。而关于冻融循环中土的动力特性与作用领域方面重点表现在弹性模量,应力-应变的关系等几个方面,弹性模量也是岩士工程中一个很常用的指标,而ELLIOTT等研究者则认为.即使通过了很少的冻融循环,粘土的弹性模量都会出现很大的下降。。

早期关于冻土应力-应变相关的本构模拟研究,一般都是根据连续介质的假设,利用实验分析冻十受力后的表现特征,并运用曲线法或弹力学说、塑性学说及其他理论方法来创建本构模式。以朱元林等人建立的冻土分布单轴压力本构问题,和深入研究冻土分布的活动三轴蠕动抗力模型,以及蔡中民等人建立的黏弹塑本构模式为典范。不过,此类理论研究往往忽视了从微观角度观察的土粒间接触特征,仅仅使用了数学分析工具,并不能全面解析问题。苗天德等于一九九五年创造性的把土壤损伤力学的基础理论知识运用于冻十本构模拟中,为利用复膜、电镜等方式进行冻土蠕变损伤的理论研究,开创了一个新路径。此后,将破坏流体力学方式与冻土本构模型结合的理论研究,作为了一个重要发展趋势。刘增利教授以中国兰州的冻结或湿陷性黄土单轴压缩C T实验结果为依据,应用连续介质力学和热力学方法,成功构建含损伤的冻土分布单轴挤压破坏本构模式,为探讨冻土分布的复杂受力关联奠定了基石。不过,中国直到现在也还缺乏一种合适的冻土本构关系使大家普遍接受,还需要进一步探索^[4]。

参考文献：

[1]齐吉琳,马巍.冻土的力学性质及研究现状[J].岩土力学,2010,31(01):133-143.

[2]郭利娜.冻土理论研究进展[J].水利水电技术,2019,50(03):145-154.

[3]陈敦,马巍,赵淑萍,穆彦虎.冻土动力学研究的现状及展望[J].冰川冻土,2017,39(04):868-883.

[4]赵亮,景立平,单振东.冻土冻胀模型研究现状与进展[J].自然灾害学报,2020,29(04):43-52.