季节性冻土围岩变形机理初探及长期循环冻融作用研究

　

(重庆交通大学河海学院　重庆　400074)

一、引言

全球冻土面积占陆地面积的其中多年冻土和季节性冻土各占一半，我国冻土约占国土面积的75%，其中多年冻土区面积215万平方公里，季节冻土区是513.7万平方公里。季节冻土是一种含冰晶的特殊土水体系。我国的地势西部高、东部低，辽阔的疆域和复杂的地形使我国的冻土独具特色。

二、冻胀机理

(一)冻胀力

冻胀力等级划分：

1.在深埋条件下。当广义冻胀力小于0.07MPa时为弱冻胀，素混凝土即可满足衬砌的安全要求；当广义冻胀力大于0.07MPa而小于0.3MPa时，为中冻胀，可通过提高混凝土强度或增加配筋量来满足衬砌的安全要求；当广义冻胀力大于0.3MPa时为强冻胀，需采取一定的隔热、保温措施进行设防。2.在浅埋条件下。当广义冻胀力分布峰值小于0.3MPa时为弱冻胀,素混凝土即可满足衬砌的安全要求；当广义冻胀力分布峰值大于0.3MPa而小于0.7MPa时为中冻胀，可通过提高混凝土强度或增加配筋量来满足衬砌的安全要求；当广义冻胀力分布峰值大于0.7MPa时为强冻胀，需采取一定的隔热、保温措施进行设防，避免冻害的发生。

(二)几种现有冻胀机理

1.含水风化层冻胀说

上个世纪八十年代学者们对大量的隧道冻害进行调查后发现，凡是有冻害的隧道，衬砌周边围岩均有10-20cm厚的风化层。冬季严寒时，边墙部位风化层大都夹有冰镜(夹在风化层中游离状薄层冰体)，而拱顶部位，尽管风化层厚达50cm，却几乎不生成冰镜。风化围岩试件直径8cm,高3cm,试件下方放一块2cm的透水板,板下为棉纱,该棉纱垂直下伸淹没于水中，冷却气温-4℃。当试件原始含水率小于25%时冻胀很小，冻胀率在10%以下；随着含水率的上升冻胀率也增加，含水率大于25%时，围岩风化层的冻胀率远远大于水结成冰的冻胀率(9%)，其原因在于，冻胀现象并不单纯是由于围岩中水冻结而造成的体积增长，更主要的是远处水分从未冻结部位转移到衬砌周围的围岩，并且这些水又冻结成冰。

2.冻融岩石圈整体冻胀理论

中国科学院寒区旱区环境与工程研究所根据大坂山寒区隧道实际情况，提出了适用于松散软弱围岩的冻融岩石冻结圈整体冻胀理论。该理论认为隧道衬砌周围一定深度范围的围岩形成冻结圈，冻结圈范围的岩石中孔隙均匀且饱和，则冻结圈范围内的水冻成冰以后将整体膨胀，从而对隧道衬砌产生冻胀力。

3.积水冻胀理论

2002年中铁西南科学研究院结合青藏线高寒隧道的研究提出积水冻胀模型。该模型中冻胀力主要由衬砌背后积水结冰引起，由于开挖面不平整、喷混凝土和钢架施工的表面不平整以及防水板铺设等原因使衬砌与围岩间留有局部存水空间，一旦结冰即产生冻胀力。

(三)长期循环冻融作用猜想

目前学者们对岩石破坏过程、破坏机理研究较多，对各种岩石的疲劳破坏也有较为深入的研究。陈涛[1]指出岩体的破坏具有渐进性，现场实测结果也表明隧道围岩破坏是渐进的。赵凯[2]对石灰岩开展了各种加载条件下的疲劳力学试验，发现在0.5～3Hz范围内，改变加载频率对石灰岩疲劳破坏时轴向极限变形几乎无影响；说明“岩石疲劳破坏时的极限变形规律”不受加载频率的影响。

连江波对黄土进行了循环冻融试验[3]，结果表明：密实的土样冻融循环过程中冻胀变形与融沉稳定变形随冻融循环次数增加累积增加，且土体初始含水率越高，土体变形量也越大；最优含水率下，冻融循环后试样冻胀与融沉变形量随干密度增加有先升高后降低的趋势；冻融循环对松散的土样有固结作用。在10个循环周期内冻融破坏作用最强，土体变形最为剧烈；30次循环后，土体逐渐趋于动态平衡。土体冻胀量与融沉稳定变形量随冻融循环次数增加累积升高；前5次冻融循环对土体强风化作用最为剧烈；10次冻融循环后，冻胀量与融沉稳定变形量已基本稳定，但土体表层的冻融风蚀作用持续累积。

张胜全等对西部某寒区岩样进行了饱水冻结[4]，通过CT扫描观察岩体内部细观结构变化、水分迁移发现，当岩样含水率低于一定值时，岩样的冻缩体积大于水结冰后膨胀的体积，表现为岩样整体收缩的现象。田俊峰等为了研究含水量的变化和冻融循环对黄土隧道围岩变形规律的影响[5]，对山西平阳高速公路阳曲1号隧道的围岩进行了变形规律的数值模拟分析。

综上：(1)围岩破坏不是瞬时完成的而是一个渐进过程；(2)当加载卸载频率为一个季度一次时，岩样的疲劳破坏极限规律与一天上百次的加载频率相比没什么差别；(3)当含水率高达一定值时围岩在低温情况下会发生冻胀现象，当围岩含水率较低时，围岩不冻胀反而“冻缩”，围岩在一年内发生的变形幅度比较大。

我们可以大胆猜想：(1)季节性冻土的冻融是一个长期循环的过程，即使围岩冻胀力很弱，衬砌及围岩在受到长期的冻胀力作用会不会产生“疲劳破坏”。(2)围岩的胀缩对衬砌而言是否相当于加载卸载的过程。

三、结论

隧道冻胀机理有多种解说，当然不只是文中提到的部分，并且学者们仍然在不断地探索研究。文中也结合现有的相关研究进行了大胆的猜想：把“循环冻融”与“疲劳破坏”联想在一起。

目前学者们对这个方向的研究探讨还尚少，所以这是一个较新的思路。但文中这个猜想也是初步，理论基础还不成熟，需要进一步讨论分析，拟出可行的试验方案进一步研究。