凍土改良方法及其機(jī)理研究綜述

余薇薇 焦 勇 張玉婷

一、引言

季節(jié)和晝夜的溫度變化會引起土體周期性的凍結(jié)和融化，土體凍結(jié)時(shí)膨脹，融化時(shí)沉降，這種物理特性導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)、性質(zhì)發(fā)生很大的變化，直接影響地基以及上部建筑物的長期安全穩(wěn)定，是凍土地帶建筑物產(chǎn)生裂縫的主要原因。尤其是在我國寒凍地區(qū)，凍融造成地基破壞的事件屢見不鮮。例如：呼倫貝爾建成的110kV 變電站在2005年因凍脹導(dǎo)致地基破壞，造成變電站設(shè)備支架傾斜，嚴(yán)重影響變電站的正常運(yùn)行。

針對該問題，不少專家學(xué)者就凍融循環(huán)對土的力學(xué)特性影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，主要包括凍土抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、承載比等。Wang 等對青海黏土進(jìn)行三軸試驗(yàn)，結(jié)果表明凍融循環(huán)降低了土體的抗剪強(qiáng)度，需要在施工時(shí)高度關(guān)注。許雷等對膨潤土進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)膨潤土在凍融循環(huán)過程中出現(xiàn)明顯的“凍縮融脹”特性，并且凍融循環(huán)對膨潤土的抗壓強(qiáng)度造成嚴(yán)重的影響。Ghazavi 等通過對黏土進(jìn)行9 次凍融循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過凍融循環(huán)后黏土的粘聚力和摩擦角都有所下降。由此可見，目前急需有效措施能提高土體的抗凍性，保證建筑的長期安全穩(wěn)定。

不少學(xué)者針對該問題，提出采用化學(xué)方法或者物理方法對土體進(jìn)行改良，提高土體的抗凍性。本文分析了近20年關(guān)于改良凍土的方法以及改良機(jī)理的文獻(xiàn)，并進(jìn)行歸納總結(jié)，為進(jìn)一步探究凍土改良方法提供理論參考。

二、改良凍土的方法

（一）化學(xué)改良方法

不少學(xué)者們提出采用在土體中摻入水泥、石灰、粉煤灰等化學(xué)手段改良土體的抗凍性。魏海濱采用粉煤灰對粉質(zhì)黏土進(jìn)行改良并對其進(jìn)行動三軸試驗(yàn)，結(jié)果表明凍融循環(huán)后的改良土動力指標(biāo)優(yōu)于粉質(zhì)黏土，具有較好的抗凍性，為凍區(qū)地基的選取提供了參考依據(jù)。Eskisar 等采用水泥對黏土進(jìn)行改良，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水泥在一定程度上緩減了凍融循環(huán)對黏土的損傷，同時(shí)通過調(diào)節(jié)水灰比可以平衡循環(huán)次數(shù)對凍土的損傷。呂擎鋒等則將水泥、石灰以及粉煤灰三者混合實(shí)現(xiàn)土體的加固，通過一系列試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了三者的最優(yōu)配比，并認(rèn)為在該配比下黃土的改良效果較佳，為工程設(shè)計(jì)提供了新的方案。Kallan 等通過在細(xì)粒土中添加廢棄硅粉，發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷凍融循環(huán)后的硅粉加固細(xì)粒土能極大提高土體的強(qiáng)度。

（二）物理改良方法

由于纖維具有優(yōu)良的加筋效果，有學(xué)者提出將纖維摻入凍土中，發(fā)揮纖維加筋作用。目前常用的纖維包括人工合成纖維以及天然纖維兩種。人工合成纖維具有高強(qiáng)度、耐酸堿等優(yōu)勢，在實(shí)驗(yàn)中得到學(xué)者的青睞。Zaimoglu 試驗(yàn)表明12 次凍融循環(huán)后0.75%的聚丙烯纖維加固細(xì)粒土質(zhì)量損失降低50%，試件強(qiáng)度隨著纖維摻量的增大而增大；Ghazavi 和Roustaie 指出在凍融循環(huán)下?lián)饺脘摾w維和聚丙烯纖維都可提高土的強(qiáng)度并減少凍脹量；Orakoglu 研究凍融循環(huán)對玻璃纖維加筋土和玄武巖纖維加筋土的影響，指出相對于未摻纖維的試樣，摻入纖維的試樣表現(xiàn)出更好的抗凍融性，強(qiáng)度下降從40%提升到18%；Boz 和Sezer 采用聚丙乙烯纖維和玄武巖纖維對凍融作用下的土體進(jìn)行加固，發(fā)現(xiàn)摻入纖維可有效提高土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。相對于人工合成纖維，天然纖維具有成本低廉、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)勢，同樣也受到了學(xué)者的關(guān)注，例如采用劍麻纖維、棉花秸稈纖維以及椰絲纖維等。研究成果表明采用天然纖維加固凍土也具有很好的效果。

三、改良的機(jī)理

采用化學(xué)方式進(jìn)行土體加固，改善土體的抗凍性，主要是依據(jù)水泥等材料的膠結(jié)作用。當(dāng)水泥等材料摻入土體中，土體發(fā)生凝結(jié)硬化產(chǎn)生晶體，晶體將周圍的土顆粒緊緊包裹，從而提高了土體的強(qiáng)度。當(dāng)加固的土體受到外界溫度變化產(chǎn)生膨脹應(yīng)力時(shí)，晶體發(fā)揮很強(qiáng)的錨固作用，阻止膨脹應(yīng)力的發(fā)展，從而提高了土體抵抗凍融作用的能力。因而，將水泥、石灰以及粉煤灰等添加劑加入土體中，是改良土體抗凍性的良好方法。

采用物理方式進(jìn)行土體加固主要是根據(jù)纖維良好的加筋作用，其加筋機(jī)理主要包括單根纖維的加筋作用以及纖維網(wǎng)形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。將纖維摻入土體中，能明顯提高土體的強(qiáng)度。同時(shí)，在溫度變化時(shí)，土體由于凍脹融縮產(chǎn)生裂縫。而纖維的加筋作用能夠阻止裂縫的開展，進(jìn)而提高土體的抗凍性并且提高土體出現(xiàn)破壞時(shí)的應(yīng)變。另外，相比較化學(xué)方法，纖維改良的方式屬于物理改良方式，不會改變土體的基本物理力學(xué)特性，因而纖維加固存在很大的優(yōu)勢。

四、結(jié)語

本文通過總結(jié)近20年來關(guān)于凍土改良方式以及改良機(jī)理的文獻(xiàn)研究，發(fā)現(xiàn)目前常用的改良方式主要包括化學(xué)改良以及物理改良兩種。其加筋機(jī)理分別為膠結(jié)作用以及纖維加筋作用。同時(shí)，分析以上文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，提高土體的抗凍性仍是目前需要研究的重點(diǎn)，新的材料、新的改良方法以及新方法的機(jī)理仍是研究的重點(diǎn)。對此應(yīng)進(jìn)一步摸清我國凍土分布特征，總結(jié)凍土改良研究的經(jīng)驗(yàn)和成果，開展凍土基礎(chǔ)理論和應(yīng)用課題的相關(guān)研究，為加強(qiáng)凍土區(qū)水利工程建設(shè)打好理論基礎(chǔ)■