人工冻土融沉特性及融土微观结构研究综述

刘贯荣，杨 平，张 婷，庄惠敏

(南京林业大学 土木工程学院，南京 210037)

随着地下空间的大力开发，人工冻结法在城市地铁等市政岩土工程中应用日益增多，尤其在沿江沿海地区、天然含水量大或存在流砂地层的联络通道建设中加固效果显著，而冻结地层在解冻过程中存在融沉现象[1]。热融效应使地层产生差异沉降，如联络通道与隧道主线间的差异沉降，若差异沉降控制不当容易导致联络通道漏水，管片错位[2]。工程上常用跟踪注浆控制正融土体沉降，由实践可知短期融沉可控，但由于土体解冻周期长，跟踪注浆不到位，给地铁长期稳定运营埋下了隐患。融沉的内在机理是土体在温度荷载及重力荷载下微观结构发生变化，从而导致力学性能发生变化。土体的融沉特性及融化过程中微观结构的变化是跟踪注浆的主要影响因素，因此，土体融沉特性及其微观结构的研究对融沉的控制及注浆工艺的改进有重大意义。

1 融沉特性研究现状

融沉特性主要体现在各影响因素作用下融沉系数的变化，主要包括试验研究和数值模拟研究两方面。

1.1 试验研究

影响土体融沉的主要因素有土质、外荷载和含水率等。

(1)宋珲[3]研究发现粉黏粒含量是影响融沉的重要因素。付厚利[4]针对黏土和砂质黏土饱和状态下冻融过程中土层的融沉规律，分析了土层性质对融沉的影响，发现黏土、砂质黏土的融化固结速度明显低于砂土；杨平[5]等对南京地区典型土层进行研究也发现，砂土的冻胀及融沉效应明显低于黏性土。

(2)王效宾[6]对南京地区典型土质进行了融沉特性室内试验，结果表明，只有当土体含水率超过起始融沉含水率后才会融沉；当超过起始融沉含水率后土体融沉系数随含水率增大而增大。王林[7]等人依托武汉红黏土的冻融试验也得出相同结论，且淤泥质黏土、粉质黏土融沉系数随含水率增大而分段线性增大。杨凤学[8]等根据冻土原状土融沉压缩试验数据资料，对细砾土、砂土、粉土、黏性土、泥炭化黏性土和泥炭质土6类土，给出了确定6类土体积压缩系数的经验数据表。吕玉兰等[9]得出以上6类土的融沉系数—含水量线性回归方程式，并得到与各融沉特性分级相应的界限含水量。何平[10]等认为融沉系数与冻土中含冰量有关，融沉系数随含冰量的增大而增大，引入了界限孔隙率并以此界定过大的含冰量。Ponomarev[11]等对中密砂土融沉时的压缩性进行研究，建议将饱和度作为融沉指标，且其上覆土层的渗透系数越小，解冻过程中土层压缩性就越小。

(3)试验研究表明竖向荷载是影响融沉的又一重要因素。Crory，Frederick E[12]进行了带载的一维融沉试验，结果表明融沉系数随荷载的增大而增大，并将土体不均匀沉降纳入考虑范围。Alike，Bernard D[13]进行了一维条件下土体的融沉试验，并对土体在解冻过程中的竖向和水平应力以及孔隙水压力进行了测试，和土体的三维融沉试验进行比较，发现垂直应力是影响融沉的最主要因素；并指出，在融沉过程中，土体的弹性模量和泊松比也将成为考虑的因素。王建平[14]等对徐州地区黏性土进行冻融试验，发现土体在垂直方向上融沉比冻胀要明显，这是由于冻结过程中土体结构发生变化，融化时产生了突陷。

1.2 数值模拟研究

(1)融沉过程实际是温度场、应力场、位移场及渗流场多场耦合的作用，现行的数值模型重点考虑位移场和温度场在解冻过程中的分布及变化，仅有少数考虑了渗流场。Foriero，Sally Shoop[15-16]分别基于有限变形固结理论，D-P塑性硬化模型对正融土的融化规律进行了数值分析。蔡海兵[17]考虑了地层温度、地表热量对流等各类初始边界条件及土体的相变潜热，基于ABAQUS建立了冻融瞬态温度场数学模型，进而提出隧道水平冻结施工时地层冻胀融沉的弹塑性热力耦合数值模拟预测方法。袁云辉[18]等研究了水平冻土帷幕在人工强制解冻条件下温度场的分布规律，结果表明：提高循环热水温度、延长热水循环时间以及尽量利用原有水平冻结管的最短间距均能够缩短冻土帷幕人工强制解冻的完成时间。Guymon[19]对淤泥质土进行了一维单向冻融试验，得到土柱在解冻过程中的温度和孔隙水压力的分布，并以湿气流量和热流量为参数建立了一维数学模型，来预测模拟解冻过程中温度和孔隙水压力的分布，且与实测数据吻合良好。李述训等[20]研究草炭亚黏土和亚黏土在冻结和融化过程的热交换特征，结果表明：冻融作用使热交换过程中表层温度梯度加大，热交换强度增强。

(2)在融沉评价和预测方面多采用灰色理论及神经网络理论进行模拟。鲍俊安等[21]通过建立灰色关联分析模型，研究了含水率、干密度、冷端温度、荷载对冻胀融沉特性的影响程度，结果表明，影响冻胀融沉的因素依次为含水率、冷端温度、干密度和荷载。王效宾等[22]等运用BP神经网络研究了干密度、含水量和冻结温度对融沉系数的影响，并建立了相应融沉系数预测的模型。姚晓亮[23]也通过BP人工神经网络算法，建立了干密度、含水量、粉黏粒含量以及液塑限同融沉系数间的经验关系。由于试验样本的有限性及土层的各向异性，影响因素的评价方法受到了局限，而融沉系数的预测应有同一地区大量的试验数据才有可靠性。

以上研究表明，土体的非均匀性及试验手段的局限性使得试验仅在定性分析层面开展；样本的有限，地质条件的复杂性使得沉降量的预测还处在灰色系统地带。

2 融土特性研究现状

融土特性研究主要包括物理特性和力学特性两方面。

2.1 物理特性

(1)孔隙特征。冻融作用降低松散土体的孔隙比，增加密实土体的孔隙比，Chamberlain等[24]发现细粒土在冻融循环作用后，土样的孔隙比会变小，但土样的渗透性会增大，并且发现这种效应随着土体塑性指数的增大而增大。Viklander[25]提出了残余孔隙比的概念：即经过多次冻融循环后，松散土和密实土的孔隙比趋于一稳定值eres。杨成松等[26]对砂质粘土和轻亚粘土进行室内冻融试验，结果表明：经多次冻融循环后土体的干容重趋于某一定值，即孔隙特征趋于稳定，且这一定值与土体的初始干容重无关，而与土体的种类有关。

(2)渗透性。冻融循环作用使得土的结构变化，经常导致渗透率变化几个数量级。杨平[5]等研究发现已融黏土的渗透系数比同样成分的原状土要大3～10倍 。试验研究证明，这种现象是由于在冻融过程中土体中的细颗粒增多，土体中产生纵向裂隙所致。

2.2 力学特性

(1)强度特性。在温度荷载作用下原状土受到扰动，其力学性能发生变化，主要表现为黏聚力和摩擦角的变化。王效宾[27]等对原状土及不同解冻条件下的融土进行了固结排水剪切试验，发现冻融后，黏聚力降低，内摩擦角增大，且融化温度对融土的强度影响很小。于琳琳[28]在不同冻结温度和融化温度、不同冻融循环次数、开放和封闭体系条件下对冻融饱和原状粉黏土试样进行了不固结、不排水剪切试验也得到了以上结论，并且发现随着冻融循环次数的增加，5～7 次冻结循环后黏聚力和内摩擦角逐渐趋于稳定。

(2)压缩特性。冻融作用下土体的孔隙特征发生变化，从而压缩特性也将发生变化。查甫生[29]等研究发现冻融后土体的压缩性增大，土体发生软化。而姚晓亮[30]等研究发现同一冻结条件下(冷端温度-10℃)初始干重度对冻融前后土的力学性质有一定的影响。

以上研究表明：冻融作用对土体的物理力学特性产生了明显影响，主要从其基本的物理力学指标进行着手，但目前涉及的土质较少，尤其缺少对河相和海相软土的研究。

3 融土微观结构研究

3.1 常温土微观结构研究

土体的微观结构研究主要包括形态学特征、几何学特征及能量学特征。形态学特征主要包括孔隙大小、形状、表面特征及其定量比例关系；几何学特征主要为孔隙、颗粒在空间的排列状况；能量学特征主要表现在颗粒与颗粒的接触及连接特性。

目前，在常温土微观结构定性分析上已取得了大量的成果，定量分析方面也成绩斐然。Moere.C.A[31]引入分形理论对砂性土的微观结构进行研究，得出砂性土颗粒形态具有分形特征。王宝军、刘熙媛[32，33]等也发现黏性土微观结构中土颗粒的分布符合分形特征。胡瑞林[34]认为土体的微结构形态主要包括颗粒形态、颗粒排列方式、孔隙性和颗粒接触关系，李向全基于以上理论[35]利用分形几何方法，提出了粒度分维、颗粒定向分维等7项参数表征土体微观结构。刘长礼[36]发现软土孔隙分维数随固结压力的增大而减小。柳艳华[37]从多重分形的角度对孔隙的不均匀性进行定量描述，并建立了孔隙多重分形谱各特征参数与荷载之间的关系。前人的研究均表明，土体的微观结构形态存在分形特征。

3.2 融土微观结构研究

对于人工冻融土的微观结构研究尚属刚刚起步，相关研究文献较少。

郑美玉[38]通过对粉质黏土冻融后微观结构特征的研究发现，土样经过一个冻融循环后矿物成分并无明显变化；内部的孔隙大小发生了变化，土样冻融后比表面积、孔隙率较冻前增大。何伟朝[39]研究了冻融循环作用下，各微观结构参数与抗剪强度之间的关系，并用灰色关联理论进行了相关影响因素的分析，同时利用BP神经网络进行了验证。唐益群[40]以上海原状和冻融后的暗绿色粉质黏土为研究对象，结合该土体冻结前后的微结构电镜扫描图片，对比分析了土体冻融后动力特性变化的微观机理，表明土体强度削弱来自冻结时水分膨胀对土体微观结构的破坏。洪军等[41]以上海第四层淤泥质黏土为研究对象，研究了土体冻结温度对孔径、孔隙形状、定向性、面孔隙度和面孔隙比变化的影响。穆彦虎[42]通过补水条件下的冻融循环试验，对不同冻融循环次数的压实黄土进行定量分析，发现随着冻融循环次数的增加，土样内部冰晶的生长及冷生结构的形成导致土样中孔隙体积增加，土颗粒受到挤压并形成新的土骨架结构，证实了冻融对黄土结构的削弱作用。王静[43-44]研究发现随着冻融循环次数的增加，土孔隙排列向均匀化发展，圆形度呈上升趋势。

人工冻融土的微观结构研究成果不多，融土微观结构的研究延续常温土的研究思路，由于冻融土的特殊性，定量分析上尚处于起步阶段；能量学特性的研究接近空白。

4 结束语

本文通过对已有文献的总结得出了人工冻融土融沉特性及微观结构研究的现状。提出应采用多种手段结合、宏观、微细观相联系研究人工冻融土的物理力学特性，以微细观来解释宏观参数的变化机理，并尝试探寻宏观和微细观的定性和定量关系。

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