青海地區(qū)季節(jié)性凍土凍脹機理★

蘇延桂

(青海大學土木工程學院，青海西寧 810016)

0 引言

位于青海省橡皮山一帶的凍土是研究高海拔季節(jié)性凍土工程的理想試驗場地。橡皮山黑馬河觀測站是青海省交通科學研究所的一個觀測站，主要監(jiān)測內(nèi)容是凍土地溫、路基變形、活動層水分等。土體、水分和溫度是導致季節(jié)性凍土發(fā)生凍脹的三大內(nèi)外主因。

1 季節(jié)性凍土的三個凍脹機理

目前，季節(jié)性凍土專家一致認為描述季節(jié)性凍土凍脹的機理是以下三個理論:適用于細粒土路基的毛細理論，適用于粘性土路基的Miller第二凍脹理論和介于二者之間的分凝凍脹理論［1］。

1.1 毛細理論

由于兩個方面的影響，即在凍脹發(fā)生的過程中產(chǎn)生了壓力及土體內(nèi)多孔基質(zhì)的幾何作用，故有冰透鏡體出現(xiàn)。具體該鏡體是怎么生成的，我們在此用孔隙正應力σn解釋。

當σn＞P0時，P0為約束壓力。

土骨架被擠開，冰透鏡體形成。原來孔隙中水的負壓迅速消失，冰的壓力快速下降到約束壓力的水平，孔隙正應力在數(shù)值上等于水壓力pw和冰壓力pi的加權(quán)平均值，上述理論可用式(1)表示:

其中，X為加權(quán)平均值，X=(Wu/n)1.5，Wu為孔隙中未凍水含量，是溫度的函數(shù)，n為土體的孔隙率;pw為孔隙水張力，kN;pi為孔隙冰壓力，kN;pi(冰壓力)和pw(水壓力)的關(guān)系，可用式(2)表示:

其中，β為熱力學常數(shù);θ為溫度。

Everett·Haynes曾提出一個針對多孔介質(zhì)冰生長時嚴密的平衡熱動力學方程，可用式(3)表示:

其中，pi為冰透鏡體底部穩(wěn)定的凍脹壓力;pw為孔隙水壓力;σaw為空氣—水界面的表面張力;riw為冰水作用界面的曲率半徑。

平衡熱動力學方程揭示了以下現(xiàn)象，凍脹結(jié)束的表現(xiàn)是鏡體下面的抽吸力恢復到最初值時即可。原因是抽吸力降低如同水流中斷。若要鏡體再出現(xiàn)，還需使抽吸力再增大，那么凍脹隨之繼續(xù)。

由上述交替變化的凍結(jié)過程所形成的構(gòu)造，就是夾冰層的凍土層狀結(jié)構(gòu)。

1.2 Miller第二凍脹理論

Miller繼第一凍脹理論之后，又提出第二凍脹理論。該理論主要闡述了路基凍結(jié)內(nèi)部的三個狀態(tài)，即從上到下是凍結(jié)區(qū)、凍結(jié)邊緣區(qū)和未凍結(jié)區(qū)。凍結(jié)邊緣區(qū)是最活躍的一個區(qū)域，在它的上表面是鏡體鋒面和冰凍鋒面。路基內(nèi)發(fā)生凍脹作用的位置正是凍結(jié)邊緣區(qū)以內(nèi)，土體被抽吸力梯度作用后，凍結(jié)邊緣區(qū)沒有凍結(jié)的水膜慢慢聚集到鏡體附近，隨之被凍結(jié)。

1.3 分凝凍脹理論

Takagi(1978)提出分凝凍結(jié)理論。

理論指出:凍脹之所以產(chǎn)生，根本原因是由于在三個界面上(水、冰和沒有被凍結(jié)的水薄膜)存在的固體應力。同時，還指出土里的比表面積是冰點下降及限制凍脹應力的主要因素。

2 凍脹的影響因素

2.1 含水量［2］

很多相關(guān)資料表明，超出起始凍脹含水量的水分影響凍脹的發(fā)生(注:不是土中所有水分)。凍脹與含水量的關(guān)系可用式(4)表示:

其中，η為凍脹率，%;W為凍土層內(nèi)凍前平均含水量，%;WP為起始凍脹含水量，%;a為系數(shù)。

式(4)中系數(shù) a 的選取不一，有0.3，0.67，0.8 等不同的選擇方式。各研究單位根據(jù)現(xiàn)場試驗資料和理論計算設定a值。

查閱某省凍土科學試驗檢測站的資料后，我們借鑒該科研所總結(jié)的經(jīng)驗式，即凍脹率和含水量之間可用η=0.45(W－WP)表示。

它們按式(4)算出的值將凍脹土修正為四類(見表1)。

表1 各類凍脹土與凍脹系數(shù)的關(guān)系

2.2 地下水［3］

許多文獻經(jīng)過論證，得出地下水的埋藏深淺影響土體凍脹。慶安凍土科學站多年的試驗資料得出凍脹率與地下水位的關(guān)系如下:

其中，R=0.88，F(xiàn)=410.74 ＞ F0.01=6.81。

地下水域土體凍脹的分類關(guān)系見表2，地下水距最大凍深處的距離見表3。

圖1表明，當在季節(jié)性凍土結(jié)冰范圍或靠近其范圍有地下水時，此時凍脹的強度為最大值。

當?shù)叵滤宦癫睾苌罨驘o地下水時，土體凍脹強度隨深度而減小。自然界中土體的凍脹強度沿深度的分布情況如圖2所示。

表2 凍脹分類地下水界限值

表3 地下水距最大凍深處的距離

圖1 地下水位接近凍結(jié)面的情況示意圖

圖2 地下水位埋藏較深的情況示意圖

2.3 土的類別［4］

粘性土優(yōu)于粉土、粉土優(yōu)于粉砂、粉砂優(yōu)于粉粘粒質(zhì)量大于10%的細砂、粉粘粒質(zhì)量大于10%的細砂優(yōu)于粉粘粒質(zhì)量大于15%的粗顆粒土。

2.4 溫度［5］

大量實驗說明，土在凍結(jié)與融化過程中一般分為5個區(qū)段(見圖3)。

圖3 砂的凍結(jié)與融化過程

第一階段為土體溫度降低，土中水尚未凍結(jié)成冰。這個階段在天然條件下多發(fā)生于地表層。一旦出現(xiàn)冰晶體，這個過冷狀態(tài)就不能繼續(xù)保持下去了。

第二階段為土體溫度突變階段。在此階段，冰晶體的形成是大量的熱量被釋放出，此刻土體的溫度升高。上升幅度與土的顆粒大小，組成成分有關(guān)。

第三階段為孔隙水凍結(jié)成冰的階段，也是最有意義的一個階段。它表征著各類土的起始凍結(jié)溫度。土體的穩(wěn)定溫度就是土中水凍結(jié)溫度，該狀態(tài)能保持一段時間。其中土體凍結(jié)所需要的時間由土中含水量及土的凍結(jié)速度來決定。

第四階段為土體繼續(xù)冷卻階段。土中孔隙水全部凍結(jié)成冰后，土體溫度繼續(xù)下降。土的不同使得下降的速率會有所不同。試驗證明，砂土下降速率較快，粘土較慢。這說明了，在弱結(jié)合水結(jié)晶時，土體所放出的潛熱和土顆粒的表面力場大小有關(guān)。

第五階段為融化階段。土體溫度開始回升，土體吸收大量的熱量，直到達到凍土融化的溫度。所有凍土融化后，土體溫度上升為正溫。

3 結(jié)語

自然界中的土體含有或多或少的水分，當大氣溫度降到冰點溫度以下時，隨著時間的推移，土中液態(tài)水結(jié)冰，土原本的力學性質(zhì)發(fā)生改變;當大氣溫度升高，土中的冰開始融化時，凍土的力學性質(zhì)也會發(fā)生改變。凍土隨大氣溫度變化的現(xiàn)象會產(chǎn)生凍脹、融沉等很多復雜難以解決的工程問題。土體被凍脹的原理很簡單，其實就是土體有水，水被凍結(jié)，整個土體體積膨脹。

融沉是指凍土中冰融化，冰體積減小，土體由于受到外荷載或是自重應力的作用下得到壓密，使地面標高下降的現(xiàn)象。因土壤構(gòu)成的非均勻性、凍土經(jīng)過上述凍脹融沉的幾個循環(huán)后，其工程力學性質(zhì)會發(fā)生很大變化，土體會變得十分復雜。在非永久凍土區(qū)的建筑物會出現(xiàn)復雜的凍脹病害，所以工程師們研究凍土的工程力學性質(zhì)是十分必要的。

近幾年，西藏和青海省的政治、經(jīng)濟地位被國家一再重視，為此在藏區(qū)修建公路、鐵路是一項重要的交通事業(yè)。而這些地區(qū)自然環(huán)境艱苦、季節(jié)性凍土較多，所以研究凍土的工程力學特性，減輕凍土對建筑物的災害，是亟待解決的課題。

讀者在翻閱了大量氣象資料后發(fā)現(xiàn)，我們國家的平均氣溫較一百年前增加了0.58℃，其中增溫最強的是冬季。青藏高原凍土的主要表現(xiàn)為最低外氣溫升高，永久凍土面積萎縮，季節(jié)性凍土面積增大。目前，對于永久凍土的研究及治理措施已有很多，而對季節(jié)性凍土的凍脹病害問題還沒有一套完整的治理方案;季節(jié)性凍土的凍脹形成的主要因素是負溫，那么提高地表溫度這一思路將有助于從根源上解決路基凍脹病害的發(fā)生。

［1］黃小銘.我國寒區(qū)道路工程中凍土問題研究的回顧［J］.冰川凍土，1988(5):31-32.

［2］楊成松.凍土熱融下沉研究的現(xiàn)狀和進展［J］.工程地質(zhì)學報，2009(8):69-70.

［3］吳紫汪.土的凍脹性試驗研究［M］.北京:科學出版社，1981.

［4］劉鴻緒.法向凍脹力計算［J］.冰川凍土，1981(13):45-47.

［5］張世民，李雙洋.青藏粉質(zhì)黏土凍融循環(huán)試驗研究［J］.冰川凍土，2012(15):77-78.