冻融作用对土体物理力学性质影响研究进展

汪恩良，姜海强，张栋，刘风波

（东北农业大学水利与土木工程学院，哈尔滨150030）

冻融作用对土体物理力学性质影响研究进展

汪恩良，姜海强，张栋，刘风波

（东北农业大学水利与土木工程学院，哈尔滨150030）

冻融作用是强风化作用，显著改变土物理、力学性质，影响寒区构筑物安全性和耐久性。通过比对分析冻融后土的物理性质和力学性质，表明试验材料和方法是试验结果差异主要成因，尤以孔隙率和内摩擦角差异性最显著。在解决工程实际问题时，应结合实际气象资料确定温度控制模式，采用模型比尺选取温度变化范围和速率，与实际气温变化吻合。由于土体冻融过程复杂性，开敞和封闭系统下冻融过程对土体物理性质、力学性质影响差异显著。

寒区；冻融；物理性质；力学性质；差异性

环境温度季节性周期变化，寒区表层岩土一年冻融循环高达100余次[1]。随着气温时空变化，冻融循环作用成为影响寒区渠道工程建设中建筑物基础安全和稳定的主要问题[2-3]。冻融过程本质为强风化过程，冻融作用下土体内部与外界环境间能量、物质交换复杂。反复冻融过程中，冷生作用改变土体原有内在结构和颗粒组成，土体内部由不稳定向稳定状态发展，引起土体物理性质和力学性质变化[4-5]。土体性质改变可引起基础隆起、沉陷，导致上部建筑物倾斜、产生裂缝，严重时可引发重大安全事故。因此，研究冻融作用下土体性质变化规律对寒区水利工程建设，水资源合理开发利用和经济发展具有重要意义。

1927年苏姆金的专著《苏联境内永久冻结土壤》出版，标志冻土学科问世。为解决寒区工程建设难题，研究者着眼于冻融作用下土体物理、力学性质变化，取得丰富成果。冻融循环可改变土体结构、物理性质和力学性质[6-7]。目前，研究途径主要集中在室内封闭系统下冻融循环试验，而温度控制方式多采用恒负温和正温实现冻结和融化，温度选取主观性较强，与野外土体实际冻融所处外界环境变化不同。温度梯度可影响冻融过程水分迁移，而含水量变化可引起相关性质改变。因此，温控模式对冻融循环试验尤为重要。本文对冻融作用下土体相关性质变化规律分类描述，探讨不同试验材料和方法的冻融作用对土体性质改变差异性的影响。

1 材料和方法选择差异性

1.1 试验材料差异性

试验材料选择根据工程地点和满足工程建设需求不同就地取材，在冻融循环试验时，采用土样通常分为原状土和重塑土两大类。由于原状土取样困难，试验较多采用重塑土为试材。重塑土以饱和度划分为饱和土和非饱和土，在试样制备时，多以含水率和干密度作控制变量。对部分位于地质环境复杂的工程，需考虑不同化学成分含量（如含盐量）和种类制备试样。

1.2 试验方法差异性

1.2.1 温控模式

试验方法根据试验设备条件不同差异较大。在温度控制模式上，除温度范围设定不同外，温控方式设定不同，主要有恒温控制模式和变温控制模式[8-9]。正弦曲线降温由于与实际环境温度变化吻合度较高，试验多采用此法。恒温控制模式时，通过冻结融化阶段在试样顶板和底板施加不同温度实现土体冻融过程。

1.2.2 冻融条件

冻融条件主要有开敞系统和封闭系统，由于土体在自然环境下冻结和融化过程中，相邻土层发生水分迁移，土体含水率发生变化。在室内模拟试验中，开敞系统冻融试验中外界补水常采用马氏瓶，但由于实际土体水分补给和迁移路径复杂，在冻结和融化期补水量和补水起止时间不易准确控制，因此室内冻融试验多采用封闭系统。

2 冻融循环对土物理性质变化规律研究进展

2.1 孔隙率（n）

冻融作用通过改变内部颗粒、孔径、内部颗粒排列，影响孔隙率[10]。Viklander于1998年首次提出“残余孔隙比”概念，随冻融次数增加，松散土和密实土孔隙率趋近于稳定值[11]，但由于试验方法和材料不同，结论不一致。肖东辉等对原状黄土和重塑黄土在封闭条件下-20℃冻结，20℃融化冻融循环，通过压汞试验发现，随冻融循环次数增加，二者土体内部大孔隙先减后增，而小孔隙变化规律相反，5次冻融循环后，内部孔隙达到稳定状态，最终颗粒直径集中分布在0.01～0.05 mm[12]。基于压汞技术，青藏粉质粘土经冻融后，试样小孔隙体积和孔径并未发生变化，大孔隙体积和孔径冻融后增大，但冻融后试样孔隙率随冻融次数增多无明显规律[13]。夏祥友等以东北地区黑土为研究对象，在冻结温度-20℃，融化温度5℃温控模式下，结合CT扫描技术，发现冻融循环对粒径＞5 mm土样孔隙影响较大，冻融循环降低原状土孔隙面积和数目，在第3次冻融循环时达到最小值[14]。马骏骅等研究不同冻融温度下重塑黄土孔隙率变化，确定冻融次数和温度引起土疏密程度改变，在快速冻融温控模式下，土体内部孔隙率在第10次冻融循环时降到最低，而后升高，升高速率先快后慢[15]。

孔隙分布曲线是描述土体内部孔隙尺寸、方向和形状有效工具[16]。通过对封闭系统下兰州黄土和天津粉质粘土冻融前后孔隙分布曲线对比分析发现，兰州黄土冻融后大孔隙数量增加而面积减少，天津粉质粘土冻融后孔隙尺寸和形状无明显变化[17]。多次冻融后土结构变疏松，对陕西洛川黄土50次冻融后，其孔隙比增大近似线性[18]。可见，冻融作用对不同土质孔隙率影响规律不同，不仅与土质有关外，还与温控模式有关。不同温度梯度下，孔隙率变化程度不同，土体初始状态不同，冻融作用后变化规律存在差异。

2.2 含水率（w）

2.2.1 水分迁移基本模型

①毛细管理论模型

将土体内部孔隙假设为一束毛细管，土壤颗粒呈球形并规则排列在毛管内，冻结过程中由于冰-水交界面毛管吸力引起水分迁移。冰水吸力表示为：

其中，ui为冰压力，uw为孔隙水压力，ui-uw为毛管吸力，σiw为界面上-张力，riw为界面弯曲半径。

毛细管理论无法解释不连续冰透镜形成现象，经试验研究发现其理论计算数值与试验数值存在较大偏差，正确性存在争议。

②分凝势模型

为准确度量冻融过程水分迁移量，Konrad等研究不同温度梯度下水分迁移变化如下[19-20]：

Q=-SPΔT（2）

其中，S，P为分凝势，T为温度梯度，由于分凝势本身试验条件限制，冻结速率等受诸多因素影响，该式并未广泛应用。

③热力学模型

Duquennoi，Fremond和Mikkola提出冻融过程水分迁移热力学模型，该模型在质量、动量和能量及熵增原理基础上，建立多项介质本构方程并确定多项介质自由能和耗散能表达式[21]，该模型可描述孔隙水冻结、热质迁移、冻胀引起吸力。

2.2.2 含水率变化试验研究

冻融作用下边坡、基础失稳是工程建设不可回避问题，水分迁移是影响边坡稳定主要原因。但土中水分迁移机理尚无广泛应用模型。Perfect和willians首次发现负温可引起液态水运动，水分迁移必要条件是外界负温变化，冻融过程中温度梯度和土体初始含水率是影响水分迁移中众多因素中两个主要因素[22-23]。20世纪80年代，以美国陆地寒区研究与工程实验室（US Amy Cold Regions Research and Engineering Laboratory，简称CRREL）为首，学者探索冻土中水分迁移机制并开展系列试验。在冻结过程中，当负温变化速率较大时，下层土中水分尚未向冻结锋面迁移而在原位处结冰，此时水分迁移量较少，反之，冻结速率较小，对水分迁移越有利，水分迁移量越大。

谷宪明等建立Harlan偏微分数学模型，结合有限元对非饱和冻土路基分析发现，在垂直方向，路基土水分迁移集中在0.5～1.0 m之间，在冻结过程中，孔隙水不断向冻结锋面迁移[24]。为量化冻融过程中水分迁移，赵刚等研究原状粉质黏土和重塑粉质黏土在-40～60℃冻融作用下不同层水分迁移特性，发现原状土在顶端温度相同时，水分迁移量随初始含水率增大而增大，沿深度方向，试样2～8 cm层处含水率增大，8～12 cm层含水率减小，不同温度控制模式对试样水分迁移影响显著，冻结时温度越低，试样5 cm处水分聚集量越大，温度梯度越大，冻结速率越快，水分聚集层离暖端越近[25-26]。而重塑土冻结过程中上层含水率波动增大、下层减少并呈线性变化，融化过程中在聚集层出现较高含水量[27]。

以上分析均针对垂直方向上土体内部含水率变化展开研究，由于受试验土样尺寸限制，对冻融前后土体内部水平方向上含水率变化规律采用其他相关量变化呈现，电阻率与土体内部含水率之间相关[28]，利用电阻率与含水率关系反演，冻融循环使水分由中间向四周迁移[29]。

2.3 渗透系数（K）

2.3.1 渗流特性数学模型

冻融过程中，渗透系数对土体水分场分布起决定性作用。目前，对于冻土中渗流问题，多引入土水势，将非饱和土中达西定律与水流连续方程结合，得到土体水分非稳定运动基本方程为Richards方程：

其中，θ，t为土含水量和时间；q1为水分迁移通量；ψm为基质势；ψ为土水势。

2.3.2 渗透系数确定方法

确定冻结过程中土体渗透系数时，考虑土体内部孔隙水在负温作用下成冰，对水渗透产生阻碍作用，又称阻抗系数。与渗透系数关系表达式为：

其中，Kf为冻结区渗透系数，Ku为未冻区渗透系数，Ω为阻抗系数。

也有学者利用渗透系数与温度相关函数求解，Zhu和Carbee确定除温度和渗透系数相关表达式[30]：

其中，α和β为材料参数。

2.3.3 渗透性变化试验研究

土体受冻融循环后渗透性变化主要归结于孔隙变化，原因是孔隙和颗粒粒径变化，且颗粒粒径对渗透性影响大于孔隙[31]。原状黄土和重塑黄土在-20～20℃之间恒温冻融发现，原状黄土和重塑黄土在冻融作用下变化趋势一致，即先减后增，最终在4×10-4～6×10-4cm·s-1间趋近稳定值[32-33]。不同试验材料对冻融作用下渗透性影响不同，砾质土在封闭条件下经过冻融后渗透系数增大，12次冻融后渗透系数增大1～2个数量级，这是由于冻融使土体内部大孔隙数目增多、小孔隙数目减少，土体内部联结降低[34]。对西安Q3原状黄土多次冻融并结合电镜扫描发现，多次冻融后试样渗透性趋于稳定，冻融作用使土样表面产生不规则裂缝是渗透性增大主要原因，Q3黄土渗透性具有各向异性，通过变水头渗透试验测定竖直渗透系数大于水平渗透系数[35-36]，渗透系数变化情况除土质不同，与试验过程中制样条件和初始含水率、干密度直接相关[37-38]。原状黄土冻融后，土样垂直和水平方向渗透系数与初始含水率呈正相关关系，结合电镜观察发现，反复冻融使土颗粒在冰晶生消过程中不断受挤压出现团聚，冻融后土颗粒之间孔隙发育致试样完整性降低，渗透系数增大[39-40]。冻融作用通过破坏土体固有结构，使土体内部大团聚体变为小团聚体而使整体变疏松，与原状土相比，粘土在冻融后渗透系数增大3～10倍[41-42]。

2.4 其他物理性质

导热系数作为计算土体内温度场重要参数，其在冻融作用下规律变化尤为重要，但导热系数阐述多集中在融土和冻结土。导热系数受含水率、密度、温度、化学组分影响，其值随含水率、干密度、温度升高而增大[43-45]。多次冻融后导热系数值变化规律有待进一步研究。

pH为表征土体化学成分重要参数。研究冻融作用下pH变化规律，发现冻融作用对土体pH未产生影响[46]。

3 冻融循环对土力学性质变化规律研究进展

3.1 黏聚力（C）和内摩擦角（φ）

3.1.1 冻融作用下常规土黏聚力（C）和内摩擦角（φ）变化试验研究

抗剪强度指土体抵抗剪切破坏极限强度，同种土质抗剪强度取决于土体密实度、含盐量、含水率、颗粒级配以及土体历时和结构等[47]。黏聚力（C）和内摩擦角（φ）是影响土体抗剪强度主要原因，其与土质、试验材料初始状态和试验方法直接相关。

冻融后土体抗剪强度变化尚无定论，其融化过程中强度与土质有关[18,48]，冻融作用可降低土体黏聚力，降低速率随冻融循环次数和初始含水率增加而降低，冻融作用通过改变土体内部颗粒之间咬合力和联结能力降低土体黏聚力。但内摩擦角变化规律不同。粘性土冻融前内摩擦角可表示为两部分：

其中φ0为液限制样时在正常压密条件下剪切土残余内摩擦角，即基本内摩擦角；Δφ为土体实际内摩擦角与φ0差，不同土质Δφ值不同。

冻融前粘性土内摩擦角值与塑性指数关系[47]如表1所示。

冻融后土体内摩擦角略增，但规律不明显；非饱和原状黄土冻融后直剪试验证实，内摩擦角值随冻融次数增加而升高，低含水率未引起内摩擦角变化[49]。青藏粘土多次冻融作用后不固结不排水剪切，内摩擦角在15°～30°波动，而饱和青藏粘土冻融后内摩擦角增大[50]。陕西杨凌黄土经冻融后固结排水剪切，内摩擦角总体呈降低趋势，但规律性不明显，内摩擦角波动值在5°以内，或有土样内摩擦角变化在1°～2°之间。试验材料相同，经冻融多次循环后快剪试验，内摩擦角基本保持不变[51-53]。西安Q3原状黄土封闭系统冻融后经直剪试验发现，内摩擦角变化无明显规律，而在静三轴试验下，内摩擦角值无明显变化[60-61]。哈达客运专线长春路段饱和原状粉质黏土冻融循环后不固结不排水剪切，内摩擦角值在开放体系和在封闭体系下均增大，5～7次冻融后达到稳定状态[62]。洛川原状和重塑黄土多次冻融后不固结不排水剪切，在电镜下发现50次冻融后土样原始胶结力被完全破坏，内摩擦角随冻融次数增加而增大，而原状黄土经过多次冻融后抗剪强度与重塑黄土一致[18]。

表1 内摩擦角（φ0）与塑性指数（IP）关系Table 1Internal friction angle(φ0)and plasticity index(IP)relationship

3.1.2 冻融作用下盐渍土黏聚力（C）和内摩擦角（φ）变化试验研究

当土体中易溶盐含量≥0.3%，具有溶陷、腐蚀、盐胀等特殊性质土称其为盐渍土[57]。在冻融作用下，土体易溶盐随水分迁移发生聚集、溶解、结晶，土体原有性质发生改变。

陈炜韬等通过对格尔木盐渍土室内封闭条件下冻融循环试验，揭示冻融作用下盐渍土黏聚力变化规律，在含水率一定条件下，当冻结温度-10℃，常温下融化时，无论向土中加入Na2SO4或NaCL，黏聚力值均随冻融循环次数增加而降低，且降低主要集中在第1～2次冻融过程，盐渍土中CaCL2溶液含量对黏聚力影响显著，氯酸盐盐渍土和硫酸盐盐渍土冻融后在固结排水剪切，二者黏聚力和内摩擦角值均随冻融循环次数增大而减少，通过比对发现，硫酸盐盐渍土对土体抗剪强度参数影响均大于氯酸盐盐渍土[58-59]；包卫星等以新疆盐渍土为试验材料，冻结过程中顶端温度-10℃，低端温度5℃，常温下融化，经多次冻融后不固结不排水剪切，低液限粘土随冻融次数增加黏聚力线性减小，内摩擦角呈“S”型变化，含砂低液限粘土黏聚力呈反“S”型，内摩擦角亦呈“S”型[60]；试验发现盐渍土冻融后冷端和暖端黏聚力和内摩擦角值变化不同，天然粗颗粒盐渍土经不同次数冻融后，冷端黏聚力增大而内摩擦角先减后增，暖端黏聚力和内摩擦角均逐渐减小[61]。

3.2 弹性模量（E0）

弹性模量反映材料抵抗变形能力，从微观角度反映原子、离子或分子之间键合强度。因此，影响键合强度因素均间接改变弹性模量。弹性模量测定主要有两种方法：①通过三轴压缩试验确定，根据偏应力（σ1-σ3）-应变（ε）曲线，选取曲线中直线段拟合，其斜率即为弹性模量值；②粘土多次冻融循环试验时，通过无围压压缩试验将应变ε=1%时对应应力值作为土体是否受冻融作用影响标准[62]，通过下式计算[63]：

其中，σ为应力值，ε为应变量。

冻融作用对弹性模量影响研究相对较少，王静等在封闭条件下对不同塑性指数土体冻融循环后不固结不排水剪切，弹性模量值与围压正相关，随冻融循环次数增加而下降，动弹模变化规律与弹性模量一致[64-65]。王大雁等以青藏粉质粘土为试验材料，证实其随冻融循环次数增加，弹性模量值先降后升，冻融7次后弹性模量值开始升高并保持不变[51]。以哈尔滨黄土为试验材料结果与上述一致但弹性模量未在第7次出现升高，而是在第5次时即出现上升趋势。刘亚红研究发现冻融后土体弹性模量变化幅度与颗粒尺寸有关，细土粒冻融后弹性模量变化值较粗颗粒相比较大[46]。冻融作用后弹性模量变化受土体基本性质影响，但尚未发现不同因素对其影响差异比较。

3.3 阻尼比（ζ）

阻尼比可度量物质结构在激振作用下振动衰减形式。冻融后土样不同围压下动三轴试验发现，阻尼比随着围压升高而增大，但与冻融循环次数无明显相关性[65]。

4 讨论及展望

从冻融作用对土体物理力学性质影响分析可知，试验材料和试验方法是造成试验结果差异主要原因。在工程实际和试验研究中，存在问题如下：

a.由于不同试验材料性质存在差异和试验方法不同，对土物理力学指标产生影响，尤其土孔隙率（n）和内摩擦角（φ）在冻融后产生变化，前者直接关系到土体内部水分场和温度场分布，后者由于在土抗剪强度中起重要作用且变化规律差异较大。须以工程实际使用和运行环境为标准选择试验材料，对受土质影响较大因素，不建议借用其他材料相近变化规律设计施工。

b.在室内模拟冻融循环试验时，不同温度控制模式对冻融后土体物理力学性质规律影响不同，采用施加恒温和变温温度控制模式（时间和温度范围）与野外实际环境温度变化不一致，由于温度梯度存在差异，冻融过程对水分迁移速率产生影响，试验结果失真。为准确提供工程设计所需各项参数指标，建议温度控制模式结合当地实际气象资料，通过模型比尺确定试验温度控制范围和变化速率，综合考虑湿度、降雨等相关气象因子，开展室内冻融循环模型试验。

c.由于开敞系统下冻融循环模拟试验较复杂，目前多在封闭系统下研究冻融后各项指标变化，但与土体实际状况不符，封闭系统下各项指标变化规律与实际误差亟待确定。

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Research progress on the effect of freezing and thawing on the physical and mechanical properties of soil

/WANG Enliang,JIANG Haiqiang,ZHANG Dong,LIU Fengbo(1.School of Water Conservancy and Civil Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Freezing and thawing cycle could make a great change on the physical and mechanical properties of the soil.As strong weathering which will affect the safety and durability of the structure.The following conclusions were drawn by summarizing the results of previous experiments and making contrastive analysis on the physical and mechanical properties of the soil after the freezing and thawing cycle.The main reason of different results were attributed to the different test materials and methods, especially the porosity and internal friction angle.In solving engineering problems,the confirmation of temperature control mode and the range and rate of temperature were based on the actual meteorological data and the model scale respectively,which consisted with the actual condition.Meanwhile,the model had a higher credibility in the actual project.Due to the complexity of the soil freezing and thawing process,the difference of the physical and mechanical properties under the open and closed systems should be attention.

Cold zone;freezing and thawing;physical properties;mechanical properties;difference

U213.14；U416.168

A

1005-9369（2017）05-0082-07

时间2017-5-23 13:19:53[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.s.20170523.1319.022.html

汪恩良,姜海强,张栋,等.冻融作用对土体物理力学性质影响研究进展[J].东北农业大学学报,2017,48(5):82-88.

Wang Enliang,Jiang Haiqiang,Zhang Dong,et al.Research progress on the effect of freezing and thawing on the physical and mechanical properties of soil[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(5):82-88.(in Chinese with English abstract)

2017-03-02

国家自然科学基金（51541901）；黑龙江省应用技术研究与开发计划（GZ16B020）；黑龙江省自然科学基金（E201405）

汪恩良（1971-），男，教授，博士，研究方向为工程冻土及水工建筑物冻害防治技术。E-mail:HLJWEL@126.com