季節性凍土圍巖變形機理初探及長期循環凍融作用研究

(重慶交通大學河海學院　重慶　400074)

一、引言

全球凍土面積占陸地面積的其中多年凍土和季節性凍土各占一半，我國凍土約占國土面積的75%，其中多年凍土區面積215萬平方公里，季節凍土區是513.7萬平方公里。季節凍土是一種含冰晶的特殊土水體系。我國的地勢西部高、東部低，遼闊的疆域和復雜的地形使我國的凍土獨具特色。

二、凍脹機理

(一)凍脹力

凍脹力等級劃分：

1.在深埋條件下。當廣義凍脹力小于0.07MPa時為弱凍脹，素混凝土即可滿足襯砌的安全要求；當廣義凍脹力大于0.07MPa而小于0.3MPa時，為中凍脹，可通過提高混凝土強度或增加配筋量來滿足襯砌的安全要求；當廣義凍脹力大于0.3MPa時為強凍脹，需采取一定的隔熱、保溫措施進行設防。2.在淺埋條件下。當廣義凍脹力分布峰值小于0.3MPa時為弱凍脹,素混凝土即可滿足襯砌的安全要求；當廣義凍脹力分布峰值大于0.3MPa而小于0.7MPa時為中凍脹，可通過提高混凝土強度或增加配筋量來滿足襯砌的安全要求；當廣義凍脹力分布峰值大于0.7MPa時為強凍脹，需采取一定的隔熱、保溫措施進行設防，避免凍害的發生。

(二)幾種現有凍脹機理

1.含水風化層凍脹說

上個世紀八十年代學者們對大量的隧道凍害進行調查后發現，凡是有凍害的隧道，襯砌周邊圍巖均有10-20cm厚的風化層。冬季嚴寒時，邊墻部位風化層大都夾有冰鏡(夾在風化層中游離狀薄層冰體)，而拱頂部位，盡管風化層厚達50cm，卻幾乎不生成冰鏡。風化圍巖試件直徑8cm,高3cm,試件下方放一塊2cm的透水板,板下為棉紗,該棉紗垂直下伸淹沒于水中，冷卻氣溫-4℃。當試件原始含水率小于25%時凍脹很小，凍脹率在10%以下；隨著含水率的上升凍脹率也增加，含水率大于25%時，圍巖風化層的凍脹率遠遠大于水結成冰的凍脹率(9%)，其原因在于，凍脹現象并不單純是由于圍巖中水凍結而造成的體積增長，更主要的是遠處水分從未凍結部位轉移到襯砌周圍的圍巖，并且這些水又凍結成冰。

2.凍融巖石圈整體凍脹理論

中國科學院寒區旱區環境與工程研究所根據大坂山寒區隧道實際情況，提出了適用于松散軟弱圍巖的凍融巖石凍結圈整體凍脹理論。該理論認為隧道襯砌周圍一定深度范圍的圍巖形成凍結圈，凍結圈范圍的巖石中孔隙均勻且飽和，則凍結圈范圍內的水凍成冰以后將整體膨脹，從而對隧道襯砌產生凍脹力。

3.積水凍脹理論

2002年中鐵西南科學研究院結合青藏線高寒隧道的研究提出積水凍脹模型。該模型中凍脹力主要由襯砌背后積水結冰引起，由于開挖面不平整、噴混凝土和鋼架施工的表面不平整以及防水板鋪設等原因使襯砌與圍巖間留有局部存水空間，一旦結冰即產生凍脹力。

(三)長期循環凍融作用猜想

目前學者們對巖石破壞過程、破壞機理研究較多，對各種巖石的疲勞破壞也有較為深入的研究。陳濤[1]指出巖體的破壞具有漸進性，現場實測結果也表明隧道圍巖破壞是漸進的。趙凱[2]對石灰巖開展了各種加載條件下的疲勞力學試驗，發現在0.5～3Hz范圍內，改變加載頻率對石灰巖疲勞破壞時軸向極限變形幾乎無影響；說明“巖石疲勞破壞時的極限變形規律”不受加載頻率的影響。

連江波對黃土進行了循環凍融試驗[3]，結果表明：密實的土樣凍融循環過程中凍脹變形與融沉穩定變形隨凍融循環次數增加累積增加，且土體初始含水率越高，土體變形量也越大；最優含水率下，凍融循環后試樣凍脹與融沉變形量隨干密度增加有先升高后降低的趨勢；凍融循環對松散的土樣有固結作用。在10個循環周期內凍融破壞作用最強，土體變形最為劇烈；30次循環后，土體逐漸趨于動態平衡。土體凍脹量與融沉穩定變形量隨凍融循環次數增加累積升高；前5次凍融循環對土體強風化作用最為劇烈；10次凍融循環后，凍脹量與融沉穩定變形量已基本穩定，但土體表層的凍融風蝕作用持續累積。

張勝全等對西部某寒區巖樣進行了飽水凍結[4]，通過CT掃描觀察巖體內部細觀結構變化、水分遷移發現，當巖樣含水率低于一定值時，巖樣的凍縮體積大于水結冰后膨脹的體積，表現為巖樣整體收縮的現象。田俊峰等為了研究含水量的變化和凍融循環對黃土隧道圍巖變形規律的影響[5]，對山西平陽高速公路陽曲1號隧道的圍巖進行了變形規律的數值模擬分析。

綜上：(1)圍巖破壞不是瞬時完成的而是一個漸進過程；(2)當加載卸載頻率為一個季度一次時，巖樣的疲勞破壞極限規律與一天上百次的加載頻率相比沒什么差別；(3)當含水率高達一定值時圍巖在低溫情況下會發生凍脹現象，當圍巖含水率較低時，圍巖不凍脹反而“凍縮”，圍巖在一年內發生的變形幅度比較大。

我們可以大膽猜想：(1)季節性凍土的凍融是一個長期循環的過程，即使圍巖凍脹力很弱，襯砌及圍巖在受到長期的凍脹力作用會不會產生“疲勞破壞”。(2)圍巖的脹縮對襯砌而言是否相當于加載卸載的過程。

三、結論

隧道凍脹機理有多種解說，當然不只是文中提到的部分，并且學者們仍然在不斷地探索研究。文中也結合現有的相關研究進行了大膽的猜想：把“循環凍融”與“疲勞破壞”聯想在一起。

目前學者們對這個方向的研究探討還尚少，所以這是一個較新的思路。但文中這個猜想也是初步，理論基礎還不成熟，需要進一步討論分析，擬出可行的試驗方案進一步研究。