冻土改良方法及其机理研究综述

余薇薇 焦 勇 张玉婷

一、引言

季节和昼夜的温度变化会引起土体周期性的冻结和融化，土体冻结时膨胀，融化时沉降，这种物理特性导致土体结构、性质发生很大的变化，直接影响地基以及上部建筑物的长期安全稳定，是冻土地带建筑物产生裂缝的主要原因。尤其是在我国寒冻地区，冻融造成地基破坏的事件屡见不鲜。例如：呼伦贝尔建成的110kV 变电站在2005年因冻胀导致地基破坏，造成变电站设备支架倾斜，严重影响变电站的正常运行。

针对该问题，不少专家学者就冻融循环对土的力学特性影响进行了试验研究，主要包括冻土抗压强度、抗剪强度、承载比等。Wang 等对青海黏土进行三轴试验，结果表明冻融循环降低了土体的抗剪强度，需要在施工时高度关注。许雷等对膨润土进行了冻融循环试验，发现膨润土在冻融循环过程中出现明显的“冻缩融胀”特性，并且冻融循环对膨润土的抗压强度造成严重的影响。Ghazavi 等通过对黏土进行9 次冻融循环试验，发现经过冻融循环后黏土的粘聚力和摩擦角都有所下降。由此可见，目前急需有效措施能提高土体的抗冻性，保证建筑的长期安全稳定。

不少学者针对该问题，提出采用化学方法或者物理方法对土体进行改良，提高土体的抗冻性。本文分析了近20年关于改良冻土的方法以及改良机理的文献，并进行归纳总结，为进一步探究冻土改良方法提供理论参考。

二、改良冻土的方法

（一）化学改良方法

不少学者们提出采用在土体中掺入水泥、石灰、粉煤灰等化学手段改良土体的抗冻性。魏海滨采用粉煤灰对粉质黏土进行改良并对其进行动三轴试验，结果表明冻融循环后的改良土动力指标优于粉质黏土，具有较好的抗冻性，为冻区地基的选取提供了参考依据。Eskisar 等采用水泥对黏土进行改良，通过无侧限抗压强度试验发现水泥在一定程度上缓减了冻融循环对黏土的损伤，同时通过调节水灰比可以平衡循环次数对冻土的损伤。吕擎锋等则将水泥、石灰以及粉煤灰三者混合实现土体的加固，通过一系列试验发现了三者的最优配比，并认为在该配比下黄土的改良效果较佳，为工程设计提供了新的方案。Kallan 等通过在细粒土中添加废弃硅粉，发现经历冻融循环后的硅粉加固细粒土能极大提高土体的强度。

（二）物理改良方法

由于纤维具有优良的加筋效果，有学者提出将纤维掺入冻土中，发挥纤维加筋作用。目前常用的纤维包括人工合成纤维以及天然纤维两种。人工合成纤维具有高强度、耐酸碱等优势，在实验中得到学者的青睐。Zaimoglu 试验表明12 次冻融循环后0.75%的聚丙烯纤维加固细粒土质量损失降低50%，试件强度随着纤维掺量的增大而增大；Ghazavi 和Roustaie 指出在冻融循环下掺入钢纤维和聚丙烯纤维都可提高土的强度并减少冻胀量；Orakoglu 研究冻融循环对玻璃纤维加筋土和玄武岩纤维加筋土的影响，指出相对于未掺纤维的试样，掺入纤维的试样表现出更好的抗冻融性，强度下降从40%提升到18%；Boz 和Sezer 采用聚丙乙烯纤维和玄武岩纤维对冻融作用下的土体进行加固，发现掺入纤维可有效提高土的无侧限抗压强度。相对于人工合成纤维，天然纤维具有成本低廉、生态环保等优势，同样也受到了学者的关注，例如采用剑麻纤维、棉花秸秆纤维以及椰丝纤维等。研究成果表明采用天然纤维加固冻土也具有很好的效果。

三、改良的机理

采用化学方式进行土体加固，改善土体的抗冻性，主要是依据水泥等材料的胶结作用。当水泥等材料掺入土体中，土体发生凝结硬化产生晶体，晶体将周围的土颗粒紧紧包裹，从而提高了土体的强度。当加固的土体受到外界温度变化产生膨胀应力时，晶体发挥很强的锚固作用，阻止膨胀应力的发展，从而提高了土体抵抗冻融作用的能力。因而，将水泥、石灰以及粉煤灰等添加剂加入土体中，是改良土体抗冻性的良好方法。

采用物理方式进行土体加固主要是根据纤维良好的加筋作用，其加筋机理主要包括单根纤维的加筋作用以及纤维网形成的三维网状结构。将纤维掺入土体中，能明显提高土体的强度。同时，在温度变化时，土体由于冻胀融缩产生裂缝。而纤维的加筋作用能够阻止裂缝的开展，进而提高土体的抗冻性并且提高土体出现破坏时的应变。另外，相比较化学方法，纤维改良的方式属于物理改良方式，不会改变土体的基本物理力学特性，因而纤维加固存在很大的优势。

四、结语

本文通过总结近20年来关于冻土改良方式以及改良机理的文献研究，发现目前常用的改良方式主要包括化学改良以及物理改良两种。其加筋机理分别为胶结作用以及纤维加筋作用。同时，分析以上文献发现，提高土体的抗冻性仍是目前需要研究的重点，新的材料、新的改良方法以及新方法的机理仍是研究的重点。对此应进一步摸清我国冻土分布特征，总结冻土改良研究的经验和成果，开展冻土基础理论和应用课题的相关研究，为加强冻土区水利工程建设打好理论基础■