关于冻土的不稳定性研究

孙洪伟

（长春工程学院土木工程学院，长春130012）

0 引言

冻土中所含冰的性质改变了本体融土的性质。实验证实：在不同低温条件下，冰在各向的抗剪强度、变形和黏滞性指标有明显的差异，显现出冰的各向异性特征。冻土中冰的各向异性和黏滞作用使冻土的黏滞性发生变化，冻土表现出特有强度的不稳定性和流变特征。冻土的不稳定极具危害性，往往不被深刻认知。在冻土地区，按常规融土处理技术设计和施工冻土地基上的工程［1－2］，常因对冻土性质和其冻胀与融化带来的危害认识不足，频发严重的工程“冻害”事故。本文结合多年对冻土的现场原位观测试验［3－4］，借鉴分析国内外的冻土研究成果，提出冰体各向异性分析模型以解释冰的各向异性机理，思考分析含冰冻土在荷载作用下的应变状态和流变特征，冻土强度和变形不稳定性的成因，旨在引起业内人士重视。

1 冻土中冰的“各向异性”是冻土性质不稳定的成因

冰力学性质的差异性影响含冰冻土性质。冻土由土颗粒、冰、水、空气4项体组成，呈固体形态。类似其他固体材料，冻土的力学性质取决于其自身的抗剪强度，而影响其抗剪强度的主要因素是冻土的黏滞性，土中冰体的各向异性和黏滞作用使冻土的黏滞性发生变化。如：当剪切方向与冰晶基本平面方向重合，会发生剪切破坏，其他方向受剪则发生“冰晶破坏”，随持续低温，还会重新结晶定向，见图1。

图1 冰体各向异性分析模型

实验表明，冰在主光轴方向（垂直于冻结面）上的黏聚力要比在平行与冻结面方向大得多［5］。Ь.Η.BeйHōepr测定，当温度为－3℃时，冰在平行于主光轴方向上的抗剪强度为3.1～3.2MPa，而垂直于主光轴方向仅为2.0～2.5MPa，见图1（作者长期研究建立）。CaBeЛbeB－崔托维奇2 000余次测定［5］，得出垂直于主光轴方向与平行于主光轴方向的抗剪强度之比为0.8。当冰温度降至－66℃时，在主光轴上的线胀系数为29×10－6℃－1，垂直于主光轴方向上仅为17×10－6℃－1。当作用力垂直于主光轴时，冰的黏聚度为109～1010Pa·s，平行主光轴时为1013～1014Pa·s。以上力学指标的差异反应了冰明显的“各向异性”，也反应出冰晶内结构有相互连接的薄弱面，冰内部融化沿薄弱面发展，对强度特性有较大影响，也会对冻土的匀质性有较大影响。

冰内连接作用对温度变化敏感。其联结强度随温度降低而增长，据 Η.K.ΠeKapcKaя的测定［1］，当温度由－1.5℃下降至－3.5℃时，冰瞬时黏聚力从2.2MPa增加到4.5MPa。这是因温度下降冰晶格中氢原子的活动性降低，冰分子更趋稳定和坚硬。相反冰受剪时的长期强度σ∞很小，C.C.BяЛOB的实验表明，当冰温度为－0.4℃时，冰的长期强度低于0.2MPa。原因是氢原子有较大的活性，易深入晶格节点中去，使冰离子晶格具有不稳定性，再者由于温度较高，冰冻结不充分，内有未冻水存在，导致长期强度降低。

现场实验也发现［3，6］：寒期江、河、湖面冻结冰层若与工程结构（如，船台基础桩）接触，会在桩、冰的接触面上产生“裂隙”，如图2。原因是桩周围的膨胀冰体对桩产生水平的冻胀应力和向上的切向冻胀应力，在桩、冰接触面间产生局部摩擦热，使接触冰层融化。由于该区域压力较大，融化水将向低压区域流动，遇冷再结冰而形成“裂隙”。足见，不同的应力场内，冰的强度和形态也显现出不稳定性。

图2 冰层融化裂隙

冰的以上特征表明，在不同低温条件和不同工程环境下，冰的各项力学性能差异明显，这是含冰冻土性质不稳定的主要根源。

2 荷载作用时间是影响冻土力学性质不稳定性的重要因素

冻土中由于冰与未冻水的存在，使其在荷载作用下发生的变形表现出弹性、塑性和黏性特性。（1）在小荷载作用时，冻土的弹性变形表现出体应变和剪应变的可逆性，在冰晶格的可逆化、矿物颗粒间联结水膜的厚度和颗粒间的偏移范围之内，该荷载比能引起矿物颗粒弹性变形的荷载要小得多。（2）冻土的塑性变形表现为其体应变和剪切应变的不可逆，主要由荷载作用下冰的不可逆相变与重新组合、未冻水的迁移、气体的排出、矿物颗粒的移动所引起。（3）冻土的黏性变形表现为剪切和体应变随荷载作用时间而发展，主要由矿物颗粒沿未冻水膜移动、冰和未冻水黏性蠕动所引起，属不可逆变形。常速率的黏性流动只在高含冰冻土或冰中产生，多数情况下冻土的黏性变形伴随着其弹性、塑性而发展，表现为应力—应变状态随时间而变化，即具有明显的流变特性。因此，荷载作用时间是影响冻土力学性质不稳定性的最重要因素之一。当温度恒定，瞬时加载时，因荷载接触点上空隙冰的融化和随后融化水流向低应力区冻结不是瞬时发生的，需要一定发展时间，故此时冻土力学性质变化不明显。换言之，在应力场作用下的冰夹层（或冰透镜体）内能见到冰的重结晶现象、晶体减小，在有效应力方向上冰晶的定向改变是十分缓慢的，荷载作用时间愈长，对冻土性质影响愈烈，直至黏塑流阶段冻土结构破坏为止，或与强化作用之间达到平衡状态。

3 冻土的力学性质也取决于低温条件和矿物组分

大气温度周期变化，冻土层在年变化深度范围内温度场也在相应地变化。若人工热源或人为改变环境热状况时，冻土地基中温度沿深度分布通常是不均匀的，且在不断变化，这决定了冻土地基沿深度是非匀质的，其性质是在相应地改变。冻土温度越低，抵抗外力的强度越大，相应的变形就越小［5，7］。而温度影响冻土力学性质变化的程度是不同的，且主要取决于土温范围属于哪一个土壤水的相变化区内。变化区域的划分以不同负温区间界定。见表1。这里所谓相变化是指水在低温下由液体（称液相）冻结成冰（为固体称固相）的变化过程。

表1 相转换区的温度范围／℃

剧烈相变化区内（砂质土0～－0.2℃、黏性土0～－2.0℃、饱和黏土0～－5.0℃），决定冻土强度的因素是冰和未冻水的含量以及其随负温变化的关系。如温度从－1℃降到－2℃时，冻结黏性土的未冻水含量减少5%，而增加相应数量的冰含量，其抗压强度从1.0MPa提高到1.5MPa，递增50%。从图3冻土中未冻水含量与负温的关系可见，在相剧烈变化区内，温度的少许变化，将使冻土中较多的未冻水含量及伴随着的含冰量发生相应的变化，并宏观上表现出强度大幅度的增减。该区内水结冰是放热过程。

图3 冻土中未冻水含量与负温的关系

非剧烈相变区（砂质土－0.2～－0.5℃、粉质亚黏土－2.0～－5.0℃、饱和黏土－5～－10℃），冻土强度随温度降低而增加，原因不仅是含冰量增加，另一个重要因素是冰的强度随负温度降低而增大。

当冻土处于实际冻结区（砂质土＜－0.5℃、粉质亚黏土＜－5.0℃、饱和黏土＜－10.0℃）时，冻土的强度性质主要取决于胶结冰的强度，它随温度降低而提高。如冻结砂温度从－1.0℃降至－2.0℃，其极限抗压强度则从6.4MPa增加到7.5MPa，而在该温度变化区间，未冻水含量不超过0.1%，可见此区间的强度增加是由于胶结土粒的冰强度提高所致。冰的这种结构强化作用，是由于其中氢原子的联结作用非常微弱，其活动性随着温度降低而急剧减弱所致。有试验表明这种强化作用在土温度接近－70℃就停止。

此外，细颗粒分散性土冻结时，在冻结温度下，只是其中一部分水变成冰，当温度进一步降低，继续发生水的相变，但其剧烈的程度逐渐降低。ЦbITOBич的实验表明，发生冻结的数量，除温度是关键因素外，还与土中矿物颗粒的比表面积、吸附性阳离子的成分和压力等因素有关。在温度、压力条件相同时，细粒黏性土的矿物成分、交换阳离子的交换容量和成分对未冻水含量的增减影响大，进而对冻土强度产生影响。如，高交换容量和被一价阳离子Na＋、K＋饱和的蒙脱石黏土中的未冻水相对最多，该类冻土强度相对最低；具有小交换容量和多价阳离子Fe3＋、AI3＋的饱和高岭土中的未冻水含量相对最少，此类冻土强度相对最高；具有中等交换容量和二价阳离子Ca2＋、Mg2＋的饱和水云母土，其中的未冻水含量介于以上两者之间，其强度也介于二者之间。

可见，作为四相体系的冻土，其力学性质主要取决于其中冰的含量、强度、冰的各项异性和流变特性，也与矿物成分有关。而冰的这些特性的变化依赖于温度、作用荷载和持荷时间，这构成了冻土力学性质随外界温度、压力及荷载作用时间而变化，性质的不稳定性是冻土的特性，设计冻土做地基或构筑物时应正视与谨慎处理。

4 流变体现了冻土的塑性

冻土的流变表现为蠕变、松弛和强度降低等过程。蠕变是在不变荷载作用下，变形随时间发展；松弛是维持某一恒定变形必须的应力的降低；强度降低是随荷载作用时间的延长，冻土抵抗破坏的强度降低［3，5］。

蠕变是弹缩黏滞性变形的过程，冻土的弹性、塑性和黏滞变形可随时间同步发展。按照蠕变过程的特性，可分为小荷载作用下产生的衰减型蠕变和较大荷载下的非衰减型蠕变。衰减可为随时间的延长应变的变化率（应变速率）逐渐减小的特征。图4为蠕变应变和应变速率随时间发展曲线，其中σ1、σ2、σ3为三级不同荷载作用于同类黏性冻土试件产生的应力，且σ1＜σ2＜σ3，σ1＜σ∞（冻土的长期强度），σ3＞σ2＞σ∞。

图4 蠕变应变及应变速率随时间的发展

衰减型蠕变在小荷载作用下发生，如图4（a）中曲线1，荷载作用在冻土试件上产生的应力σ1≤σ∞（冻土的长期强度），即作用荷载较小，冻土试件的持荷时间比较长，初期短时间内应变较大，后期长时间应变线性平缓增长，呈弹性变化特征。对应的应变速率ε′为图4（b）中的应变速率曲线1所示，初期短时内应变速率降低较快，其后长时间随荷载作用时间延长呈线性平稳减小趋势，即随时间增长而线性衰减（减小），并趋向于0，即ε1′∣t→∞＝0。最终冻土试件不再有新的应变，原因是作用荷载较小，产生的小应力不足以使冻土试件产生更多的应变。

非衰减蠕变在大荷载作用下发生，如图4（b）中的曲线2和3，其作用应力σ3＞σ2＞σ∞，其应变随荷载作用历时而递增。应变速率随时间的变化如图3中的曲线2所示，按3个阶段变化：（1）第Ⅰ阶段应变速率ε′快速减小，属非稳定蠕变，应变速率ε′趋向第二阶段的相对稳定值εⅠ′→εⅡ′；（2）第Ⅱ阶段蠕变为稳定黏塑性蠕变，其应变ε随荷载作用历时呈上凸曲线性型递增，应变速率εⅡ′类似线性增加，且大致恒定于εⅡ′＝C；（3）第Ⅲ阶段蠕变系渐进流动蠕变，应变速率εⅢ′逐渐增大，最后导致脆性或黏性破坏，此阶段有εⅢ′→∞。图4（b）中的曲线3加载大且加载速度最快，在短时内加载至最大应力σ3。加载的前半时段和后半时段应变速率凸显2种不同变化状态。在前半时段，随应力快速增大，应变速率εⅢ′快速减小，呈明显的非稳定蠕变特征；后半时段，随应力继续快速加大，应变速率εⅢ′继续增大，冻土又显现出渐进流动蠕变特征，至加载到最大应力σ3时，应变速率εⅢ′继续增大，冻土达到极限应变，最后产生脆性或黏性破坏。即加载速度快和加载大时，冻土呈现应变速率大和破坏周期短的特性。

应力松弛是另一个流变过程。如上所述，冻土试件上加负某一恒荷后，其应变将随时间发展。若某一时段让其变形保持恒定，即应变不随时间而变化，就必须逐渐减小负载。换言之，应变恒定时，控制试件中应力随时间不断减少的现象为应力松弛。

蠕变的另一过程就是随荷载作用时间的不断增长而使冻土抗破坏的强度不断降低，当作用的荷载足够大时，便出现非衰减蠕变，应变不断发展直至冻土破坏为止。作用的应力越小，则发展到冻土破坏的时间越长，当加负某一小应力时，冻土试件不发生非衰减蠕变，即试件该作用应力即为冻土试件的长期强度σ∞，它可以是抗压、抗拉、抗剪等试验的长期强度。

5 结语

含冰冻土改变了天然融土的力学性质。二者间的强度、变形等各项力学指标有很大差异。处于冻土环境工程的设计和施工，应调查分析场地冻土的类型和含冰构造，研究其流变特点、强度变化状态及冻融效果，预测对工程带来的危害并采取措施有效预防［8－9］。不同地域岩土成分的差异和不同的含水条件，变化的低温环境形成的冻土力学指标各异，这就要求科研工作者和工程技术人员从冻土的基本性质研究入手，掌握冻土的共性特点，有针对性地探索不同类型冻土的性质，有的放矢地解决冻土理论和工程问题。

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