凍融作用對黃土劣化損傷試驗研究現狀

劉 寅，馮 飛

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

凍融作用對黃土劣化損傷試驗研究現狀

劉 寅，馮 飛

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

冬季黃土地區的溫度變化較大，凍融作用對黃土性質的影響一直是具有重大工程科研意義的命題。目前凍融作用對黃土物理力學性質的影響研究已有比較深入的研究成果，但在許多領域缺乏共識，有待繼續深入研究。

凍融作用；黃土；劣化

1 季凍土與凍融作用

季凍土隸屬于凍土，隨著季節溫度的變化而產生，凍結時間超過一個月，每年在冬季凍結在夏季消融。季節性凍土區域遍布在緯度高于24°的地區，我國季凍土區域面積約占到國土總面積的50%。凍融作用是土體在環境溫度發生變化時由溫度效應所產生的對土性質影響的效應，凍融作用主要指凍脹和融沉作用，凍脹與融沉的核心便土體中水分子隨溫度變化形態隨著變化的過程。在季凍土區域，同時伴隨的凍脹和融沉作用則是導致土具有特殊性的主要原因。

2 凍融作用對黃土性質影響試驗研究現狀

國內外廣泛研究凍融循環作用，基于土質、試驗方法、試驗儀器等差異，研究成果沒有比較統一的共識，同時處于單純的理論研究階段，與工程實際連接較少，工程中能參考的成果也較少，有待進一層探討研究。

2.1 國外研究進展

國外研究開展的較早，研究范疇涵蓋了凍脹融沉機理、試驗方法探究、預測模型建立等多方面。早在20世紀中期第一凍脹理論提出毛細壓力的概念，水分向凍結前緣移動、聚集而形成冰晶的動力。隨后提出了第二凍脹理論，凍結深度與凍結程度之間的關系，以及冰晶行程條件及形態等。20世紀60年代研究凍融循環，試圖從機理上解釋凍融循環作用下土體內顆粒排列及分子遷移的規律。研究表明凍融循環作用對土體力學性質產生影響。國外關于凍融作用及凍融循環作用的研究在廣度及深度都比較領先，在關于凍融作用對土體物理性質影響研究方面也取得了一些被大家廣為認同的結論，但由于試驗土體自身差異性和復雜性，也導致研究成局限性較大。

2.2 國內研究進展

國內展開凍融作用的試驗研究起步較晚。90年代初期，我國有學者針對結凍機理與水分遷移理論，研究凍融作用中鹽脹的機理。研究初期，通過水熱輸運試驗方法，提出了凍融作用中水分遷移聚集的基本機理；開放系統下的反復凍融循環試驗；對凍融循環條件下的成冰機制做了系統的研究分析。提出了凍融循環作用對水泥土力學性質的影響研究結論并闡述了其劣化的機理，通過模型試驗研究了凍融土地基極限承載力的變化規律。在多次凍融循環作用下的無側限抗壓強度、抗剪強度以及壓縮性等力學性質進行了較為深入的研究。總體來看，早期研究對象主要針對土體內部水分遷移、結冰機理和土體凍脹融沉等方面的機理研究，并且試圖建立凍脹融沉預測模型，但仍存在與實際工程結合不緊的問題。隨后在凍融作用對土體物理力學性質的影響研究中展開了廣泛充分的試驗模擬研究，涵蓋土體基本物理性質，力學強度模量等方面，同時對凍融循環作用的機理進行試驗模擬，但各方面研究成果差異性較大，有待進一步的研究。

3 試驗研究現存問題分析

試驗手段是凍融作用研究最基本最有效的方法，主要是進行室內凍融試驗。土體試樣選取方式、凍融作用模擬方式和試驗方法選取導致了研究成果中凍融過程的差異性。關于凍融模擬方法的選擇，主要有獨立凍融作用模擬和凍融作用模擬與試驗同步兩類。獨立凍融過程是利用低溫控溫設備進行獨立的控溫模擬，有單向控溫和整體控溫，試樣在封閉的環境中完成凍融作用模擬全過程。優點在于能夠較為完整的模擬天然狀態下的凍融作用過程，但缺點是缺乏全過程的監控跟蹤研究。凍融作用模擬與試驗同步的方法，在模擬凍融作用的同時進行試驗，部分試驗在凍融過程中增加試樣同步跟蹤設備，包括對試樣形態、位移、溫度等多方面進行實時監控，同時可以模擬單向、多向受力條件下的凍融過程。有些試驗中在土樣軸向，圍向施加壓力，模擬單向受力狀態下的凍融過程，也有增加補水條件模擬補水情況下的凍融循環過程。

試驗方法的選擇也是決定凍融作用試驗研究結果的重要因素。現階段關于凍融試驗的研究多以室內試驗為主，主要受限于試驗條件與設備條件，也有利用積實土樣埋置于室外，或者室外室內試驗結合等方式。單從室內試驗方法出發，不同方法選擇也導致了凍融作用對土性質影響效應具有較大的差異。依照施加冷源位置的不同，有整體凍融、單向凍融和雙向凍融；依照施加冷源方式的不同，凍結過程有恒溫低溫凍結和梯度變溫凍結，溶解過程也有恒溫溶解和梯度便問溶解，其中溫度梯度與時間控制相關，可模擬快速凍結和慢速凍結等；依照試樣在凍融過程中是否補水，分為封閉系統凍融和開放系統凍融；依照施加壓力方式不同，有軸向加壓凍融、圍向加壓凍融和自由凍融等。在試樣儀器的選擇上并無較大差異和發展，基于土工學試驗基礎上進行凍融試驗，在土力學性質研究方面現存試驗成果較多選擇直剪試驗進行。從現有文獻來看，由于凍融循環作用試驗研究涉及的試驗量較大，研究不同凍融方式下對土的工程性質影響的試驗成果較少，大多數試驗只設定一至兩個影響條件下的少次凍融循環試驗，對多個因素沒有進行系統的試驗比較。

4 結束語

由于凍融作用試驗模擬的復雜性，涉及到多學科多理論基礎，同時受試驗時間、試驗條件、試驗方法等多方面的限制，該領域仍有許多方面需要完善并進行深入研究。

[1]齊吉琳,程國棟,P.A.Vermeer.凍融作用對土工程性質影響的研究現狀[J].地球科學進展,2005,(8):887-894.

[2]邢開第.普通凍土學[J].冰川凍土,1990,(4):154.

[3]程國棟.中國冰川學和凍土學研究40年進展和展望[J].冰川凍土,1998,(3):21-34.

[P314.5]

A

2096-2789（2016）11-0232-01

劉寅（1987-），男，漢，河北石家莊人，助理工程師，碩士，研究方向：巖土工程。