季节性冻土区风积土结构性和渗透的研究现状

李刚

摘要：风积土在我国分布范围较广，其具有显著的结构性，在温度、应力和渗流作用下，路基常有冻胀、融沉、强度降低等病害发生，路基填料结构性的损伤与演变是根本原因，给基础建设造成严重经济损失。本论文阐述我国西部高纬度和北方地区风积土，在季节性冻胀、应力和渗流耦合作用下，风积土路基填料结构性的研究现状。

【关键词】路基；结构性；冻融；渗流

我国在西部大开发战略中，冻土（尤其是多年冻土）问题已经严重影响了公路、铁路、机场等基本建设，为此中国科学院兰州寒旱区研究所冻土工程国家重点实验室进行了大量并卓有成效的研究工作。在我国路网规划建设中，高速公路、高速铁路和城市地铁等都会遇到冻土这一技术难题。但与西部大开发不同的是东北的大部分地区属于季节冻土区风积土的范畴，风积土是指在干旱的气候条件下，岩石的风化碎屑物被风吹扬，搬运一段距离后，在有利的条件下堆积起来的一类土。

1.季节性冻土区风积土结构性的研究现状

1.1季节性冻土区风积土结构性研究方法国内外研究现状

土的结构性是指它们之间形状、空隙大小、联结和排列组合以及土颗粒以及土中颗粒合体等一系列综合特征。根据近期研究数据不难看出，土体的宏观力学性质直接与其结构性有关。由内因来看，在渗透系数、各向异性以及固结系数等方面，土体的初始结构性会导致其出现一定差异性；由外因来看，就应力的路径、水平、作用过程以及冻融循环等方面，可以对形成此生结构以及自身结构产生一定影响，使即使同一种土，当形态不同的情况下都有可能出现不同的力学性质。土的应力-应变关系、孔隙水压力-应变曲线和固结曲线等都与土的结构性有明显的关系。因此，对于工程力学性质来说，土的结构具有很大影响。由于各地区的土质都不同，因此对于力学性质的影响也不尽相同，因此，土体结构性的研究离不开具体的工程地质环境、气候条件和工程条件。

1973年，N.K.Tovey采用微观图象定量分析系统来研究定量描述微结构形态诸要素的方法。同时，O.Hideki和R.N.Yong等人对土微结构的变化进行了力学模拟。近些年来，CT技术等也参与到土的结构性的研究。随着先进技术的应用，土的微观结构研究更加深入，土体的结构性参数概念逐渐被提出，直接联系着土的物理性质、工程性质以及力学性质等。

1.2季节性冻土区风积土结构性对土体力学性质影响的研究现状

在对非饱和黄土以及结构性黏土等进行试验后，将结构性黏土的堆砌体模型进行了提出，同时对结构性黏土可利用电竞技术进行剪切，对其周围土体的微观结构进行了相关总结与分析；谢定义、齐吉琳等人将描述土结构性的综合结构式以及定量化参数进行提出，同时对土体变形、强度以及综合结构式之间的关系进行了研究；将架构性土体的损伤全过程以及损伤特性运用断裂力学以及损伤力学等理论等，同时将相应的耦合解以及数学模型建立起来；陈云敏等人利用共振柱仪和动三轴仪对粉土和粉砂的动力特性进行了试验研究，提出利用剪切波速来反映重塑样与原位土的结构性差异；以及结构性对土的固结变形、微观变形、卸载体缩现象和机理的研究等。

1.3 季节性冻土区风积土结构性对土体物理性质影响的研究现状

在不同压力下，龚晓南等人进行了重塑土以及原状土的相关渗透试验，对黏土结构性对于渗透性的影响进行了研究；通过图像A.Dathe，S. Eins，J. Niemeyer等人对土体内在空隙的分形维数进行了分析，同时将溶质运移以及分形维数的关系进行建立；A.J.VandenBygaart，C.A.Fox，H.L.Kristensen等人研究了氮、蚯蚓等对土壤结构性的影响；由于对粒间吸力的认识是非饱和土有效应力及变形、强度特性研究的基础，根据粒间吸力各组成部分的土粒间吸力的测试原理和方法，对红粘土的粒间吸力进行了试验研究；张保华等采用平均结构直径和结构分形特征进行评价，并研究了土壤渗透性、持水性等水分特性。

1.4季节性冻土区风积土结构性对土体工程性质影响

T.A.Dijkstra对黄土的对土体滑坡以及结构性的影响；徐永福等人对结构性软土中，软土的弹塑性性质以及打桩引起的超孔隙压力及其具体的分布情况进行研究；郝玉龙、王立忠等人将软土结构性的地基沉降计算方式进行考虑并提出；陈云敏，王军等以工程实践以及软土的结构性试验为基础，将两段式简化模型进行提出，將一维固结模型进行设计，同时将一维固结计算公式进行提出，对其产生影响的因素进行分析；另外，还对含结构性土的土工结构物的稳定性进行了分析。

综上所述，季节性冻土区风积土存在结构性，且差异较大，对力学、物理及工程性质产生不同程度的影响。

2.渗流对路基填土性质的影响

近些年来，渗流对路基填土性质的影响也引起国内外学者的高度重视，它不仅会影响土体中土水的相互作用，还会影响冻土区路基的温度场。渗流场和温度场的耦合作用，会直接影响路基填料的力学性质。对于那些多年冻土地区，在修筑路堤后可能会出现夏季路边坡积水的情况，在路堤及其下壤在进行渗流的过程中，因为会出现对流换热，因此必然会在很大程度上影响路堤基地的稳定；王瑞刚等研究出了一个渗流使用模型，是建立在降雨作用下非饱和土高填土路堤上的，考虑不同的降雨入渗深度对非饱和土路堤稳定的影响；吴紫汪等在渗流理论及传热学卢纶的基础上，将在地表出现积水下渗的情况下，基于渗流场耦合作用以及路基温度场的作用下，将控制微分方程进行导出；吴世余针对下为砂层、上为粘性土覆盖层双层堤基的非稳定渗流情况，研究了砂层和覆盖层因体积胀缩、水动延滞所引起的水头滞后，对于某些特殊的土质条件，导出了解析解；土体的抗剪强度是土体的主要强度指标之一，当土体中存在渗流情况时，在水流物力、化学、力学的共同作用下，土体的抗剪强度会随之发生变化，柴军瑞等人将各种情况下，渗流作用对土体的有效应力、切向力以及抗剪强度指标等在渗流作用下产生的影响，最终得出了土体抗剪轻度在渗流作用下的表达时；朱文彬，刘宝琛院士等人基于饱和-非饱和的渗流理论，分析了降雨时的渗流规律。

综上所述，渗流会对路基稳定性产生十分重要的影响，研究路基土结构性应当考虑渗流场的影响。

3.结束语

在我国北方地区，一年中近四分之一处于冻融情况。对于路基、机场跑道等土工构造物来说，受到非稳定（动态）应力场、温度场和水分场的共同作用，更表现出明显的结构性。同时，一些地区由于地下水流作用（渗流场），对地表土工构造物的破坏也越来越严重。在相关课题的研究过程中发现，冻融和渗流对土体结构性的影响是不可忽视的，某些情况下由此产生的土体次生结构会成为土体结构性的主导因素，对土体的宏观力学性质将产生很大的影响。综上所述，在我国北方的广大地区路基填料结构性的研究应包括初始结构性、季节性冻融过程（温度场）、动态应力场对结构性的影响，同时还应考虑渗流场的影响。对土体结构性的研究涉及到冻融环境和渗流的影响，而冻融和渗流又是解决季节冻土区路基稳定和病害的关键问题。

【参考文献】

[1]刘松玉，曹菁菁，蔡光华.活性氧化镁固化粉质黏土微观机制[J]. 岩土力学，2018，39（5）：1543-1546.

[2]苏凯，张建明，刘世伟等.高温-高含冰量冻土压缩变形特性研究[J].冰川冻土，2018，35（2）：369-373.