高緯度多年凍土物理力學性質研究

趙文美

(黑龍江省公路勘察設計院，哈爾濱150040)

凍土是具有負溫或零溫并含有冰的土類或巖石的總稱［1］，凍土根據其凍結時間的不同分為:短期凍土，凍結持續時間在幾小時或幾晝夜;季節性凍土，凍結持續時間不到一年;多年凍土，其凍結持續時間在兩年或兩年以上。我國幅員遼闊，凍土地域分布廣泛，主要分布在青藏高原和東北大小興安嶺等地，兩者具有明顯的地域差異，青藏高原地區凍土位于低緯度高海拔，而大小興安嶺地區凍土位于低海拔高緯度。

在道路建設和運營的過程中，對道路影響較大的主要是季節性凍土和多年凍土。隨著我國經濟的不斷增長，我國在公路建設上也隨之發展，為確保多年凍土地區公路路基的穩定性，首先要了解地表下多年凍土的物理力學性質，為今后在該地區設計和施工提供理論依據。凍土具有相變性、流變性和蠕變性等特點，其工程性質異常復雜多變，無論是多年凍土還是季節性凍土，在其凍融過程中均會對建筑物、構筑物和公路路基穩定性帶來不利影響。本文依托“漠大線伴行路多年凍土地區路基及橋梁建設關鍵技術”項目，在該區域選取典型凍土路段對路基下多年凍土進行取樣，通過對原狀凍土的試驗，分析其物理力學性質，為大興安嶺多年凍土地區修建公路提供可靠的理論參考。

1 凍土物理性質

依據JTG E40-2007《公路土工試驗規程》規范規定。主要對凍土總含水率、天然密度、顆粒分析、液塑限、礦物顆粒比重等物理指標進行室內試驗。

1.1 凍土含水率和密度

在公路6個樁號的不同深度處取了6個凍土土樣，全為富冰凍土。采用規范中的凍土密度聯合測定法測定凍土含水率和密度，各樁號富冰凍土的試驗結果見表1。

表1 凍土總含水率和密度Tab.1 The moisture content and density of permafrost

從表1中凍土總含水率與密度關系可知，凍土密度隨著總含水率的增加而減小。這是因為凍土是由固體礦物顆粒、冰、未凍結液態水和孔隙中的氣體組成。凍土總含水率是指冰與未凍結液態水之和。隨著總含水率的增大，其占凍土組成比例增大，相應的固體礦物顆粒和孔隙中的氣體所占比例減小，在實際計算中，孔隙中氣體的質量一般忽略不計，因此凍土密度主要取決于固體礦物顆粒和總含水率占凍土的比例，凍土總含水率越大，凍土密度越小，反之，密度越大。

由表1還可以得知，凍土總含水率隨著深度的不斷增加，其呈現下降的趨勢。多年凍土位于地表以下一定深度范圍內，把季節融化層和多年凍土的銜接界面稱作多年凍土的上限。在夏季，由于季節融化層中自由水充足，在凍土負溫的作用下未凍水和毛細水不斷向凍土上限處遷移集聚，同時自由水在周圍飽和土體和凍結鋒面的作用下又無法有效滲流，導致凍土上限處含水率不斷增大;隨深度的增加外界大氣溫度對地表下溫度的影響逐漸減弱，在冬季，上部地基土層極易產生水分的遷移集聚現象。由此產生凍土總含水率隨著深度的增加而減小的現象。

1.2 顆粒分析

對土體進行顆粒分析試驗，試驗得到顆粒級配曲線，如圖1所示。

圖1 顆粒級配曲線Fig.1 Particle grading curve

從圖1中可以看出級配曲線陡峭，小于0.075 mm的質量通過率為73.1%，大于50%，說明顆粒都集中在0.075 mm以下，說明此凍土屬于細粒土。根據顆粒分析試驗結果計算得到土的不均勻系數為14＞5，表明粗粒組分分布范圍較廣，級配良好，曲率系數為0.3。土體比重平均為2.71。

1.3 土體液塑限

對路基下凍土土質進行液塑限試驗，用于劃分土類，計算天然稠度和塑性指數，用于公路工程設計和施工使用。采用液限和塑限聯合測定法，土體液塑限指標見表2。

表2 土體液塑限指標Tab.2 Soil liquid and plastic limits

粉質黏土是凍脹性極其敏感的土，在外界水源補給充足的情況下，進入冬季，該地區地基土極易產生凍脹，對公路路基穩定性產生極不利的影響，因此在公路修建過程中，采取相應措施，降低因土體產生凍融對公路穩定性帶來的不利影響。

2 凍土力學性質

凍土抗剪強度和單軸抗壓強度是評價多年凍土地區凍土地基承載力的重要力學指標。依據JTG E40-2007《公路土工試驗規程》和MT/T 593.1-2011《人工凍土物理力學性能試驗》規范規定，對原狀凍土的抗剪強度和單軸抗壓強度進行試驗。

2.1 抗剪強度

凍土的抗剪強度是凍土抵抗剪切破壞時的極限承載力，與未凍土一樣，在計算建筑物地基的承載力或計算各類圍護結構上的土壓力以及計算承受剪切荷載作用的凍土體的穩定性等時均需要用到凍土的抗剪強度參數，是凍土重要力學指標之一。在一般的壓力范圍內，凍土的抗剪強度采用庫倫定律的表達形式。

參考王永忠、劉雄軍［2］等人對南方短時凍土抗剪強度指標c、φ值的試驗研究方法，根據現場埋設溫度監測系統得知，凍土溫度在-1～-2℃范圍內，在進行凍土剪切之前，凍土必須在恒溫箱中放置不小于24h，恒溫箱溫度控制區間在-1～-2℃。為減少剪切盒與試樣的熱傳遞，剪切盒與凍土試樣一同放入恒溫箱中，試驗選擇在冬季室外進行。每組試樣制備4個，分別在50、100、200、300 kPa進行直接剪切試驗，計算破壞時的剪應力，并根據庫倫理論計算出凍土的抗剪強度指標:黏聚力c和內摩擦角φ。凍土抗剪強度指標見表3。

表3 凍土抗剪強度指標Tab.3 Shear strength of permafrost

由表3可知，多年凍土的黏聚力遠大于常溫常壓下普通土體黏聚力，平均為1.262MPa，而所測凍土內摩擦角均小于20°，平均為15°;黏聚力在凍土的抗剪強度組成中占有重要的權重，在大多數情況下決定著凍土的抗剪強度數值［2］。凍土的黏聚力和內摩擦角隨著含水率的增加而減小，分析原因主要是由于冰和水的流變特性，凍土瞬時抗剪強度會隨著含水量的增大而減小［3］，在負溫條件相同條件下，多年凍土中的未凍土含水率隨著凍土的總含水率的增加而增大，未凍含水率增大使凍土中的土顆粒分散程度變大，在這種情況下，未凍水和冰對凍土的抗剪強度影響顯著增加，導致凍土的抗剪強度隨含水率的增加而減小。

2.2 單軸抗壓強度

凍土抗壓強度是指凍土在單向受壓條件下，凍土破壞時的極限壓應力值，是凍土的主要力學性質指標之一。因凍土具有蠕變的特點，使其強度隨時間而變化，因此凍土的強度又分為:短期荷載下的強度和長期荷載下的強度。通常情況下凍土的長期強度比瞬時強度低的多，一般可為瞬時強度的1/6～1/3，甚至更低［1］。

凍土瞬時單軸抗壓強度是凍土設計和施工的重要力學指標之一，對凍土工程設計與施工的有著重要作用［4］。本次試驗參考于皓琳、徐學燕［4］等人對多年凍土單軸抗壓強度試驗研究方法，試樣規格:土樣制成圓柱體Φ50×100(mm)，將其放入溫度為-1～-2℃恒溫箱中不小于24h。取出置于電液式抗折抗壓試驗機上，在恒變形速率下進行單軸無側限抗壓強度試驗，試驗過程中保持溫度不變。凍土抗壓強度見表4。

表4 凍土抗壓強度Tab.4 Compressive strength of permafrost

凍土的總含水率的大小對其抗壓強度具有較大的影響，在負溫一定的條件下，當含水率較低時，沒有達到土體的飽和程度時，凍土中仍然存在孔隙，凍土的抗壓強度隨含水率的增大而增大，當土體的孔隙完全被水充滿時，此時土體達到飽，冰與土骨架共同承受力的作用達到最大，使其凍土的抗壓強度達到極值。當含水率繼續增加，超過土體飽和狀態含水率后，其抗壓強度將降低，在這種情況下，其凍土的抗壓強度隨含水率不斷增加逐漸趨于冰的抗壓強度［5-6］。從表4中得知凍土抗壓強度隨著總含水率增加而呈現降低的趨勢，試驗的原狀凍土全為富冰凍土類型，說明此時凍土中的總含水率已經超過土體飽和狀態的含水率。

3 結論

通過漠大線伴行路典型原狀凍土的試驗和分析，得出大興安嶺地區凍土物理力學性質如下:

(1)隨著深度的增加凍土含水率呈現下降趨勢，凍土的密度隨著含水率的增加而減小。

(2)未凍水和冰對凍土抗剪強度影響顯著，總含水率低的凍土抗剪強度高。

(3)富冰凍土總含水率超過土體飽和狀態的含水率，凍土抗壓強度隨著總含水率增加而降低。

［1］徐學燕，邱明國.高等土力學［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2008.

［2］王永忠，劉雄軍，艾傳井，等.南方短時凍土抗剪強度指標c、φ值的試驗研究［J］.武漢大學學報(工學版)，2010，4(2):198-202.

［3］李棟偉，汪仁和.凍土抗剪強度特性及試驗研究［J］.安徽理工大學學報(自然科學版)，2004，24(s1):52-55.

［4］于皓琳，徐學燕，董鑒峰，等.漠河多年凍土單軸抗壓強度試驗研究［J］.黑龍江電力，2013，2(1):79-81.

［5］肖海斌.人工凍土單軸抗壓強度與溫度和含水率的關系［J］.巖土工程界，2008，4(4):62-63+76.

［6］柳 瑤，胡照廣，姜 華，等.應用高密度電阻率法探查高緯度凍土區地基下島狀凍土分布［J］.森林工程，2014，30(6):161-165.