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冻土力学的研究现状与发展趋势

马 巍

(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室)

        冻土是指温度在0oC或0oC以下,并含有冰的各种岩石和土壤。在我国青藏高原、西北高山和东北北部的大、小兴安岭及松嫩平原等地区分布着大片的多年冻土,而在贺兰山至哀牢山一线以西的广大地区,以及此线以东,秦岭-淮河线以北地区又是季节冻土的所在地。在这些地区,地表层都存在一层冬冻夏融的冻结-融化层,作为地基的冻结-融化层,在其冻融过程中土体性质受气温的变化直接影响着上部建筑物的稳定和安全。因此,在冻土地区进行水利工程、工业民用建筑及交通运输工程的建设,就必须对冻土及其与工程建筑物相互作用的一系列工程冻土学理论和实践问题做出解答,以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性、耐久性及经济合理性。而这些工程冻土学理论和实践问题就是冻土力学研究的内容,它主要包括:冻土的冻融过程;冻土在外荷作用下的力学性质;正冻土、冻土和正融土的强度及变形特征;冻土与建筑物基础的相互作用关系以及工程冻害的评价与防治措施等。[1]
        我国对冻土力学的研究始于20世纪60年代,以青海热水煤矿、格尔木至拉萨输油管道、南疆铁路及拟建的青藏铁路(格尔木-拉萨段)等工程建设项目的需要为出发点,就冻土工程地质评价、冻土物理力学性质及冻土地基基础稳定性等问题,进行了大量现场调查和室内外试验、观测、研究,并积累了许多科学资料。发展于20世纪80年代以后,以西部高山、青藏高原及东北多年冻土区经济发展的需要和两淮人工冻结凿井技术在矿井建设中的应用为目的,以中国科学院兰州冰川冻土所(现更名为寒区旱区环境与工程研究所)等为基地,展开了普通冻土学、冻土物理学、冻土力学和冻土工程学等全方位的系统研究,特别是冻土工程国家重点实验室于1991年在中国科学院兰州冰川冻土研究所建成并向国内外开放,为冻土学科的深入发展和人才培养提供了良好的实验条件,许多前沿性基础性课题研究,在该实验室取得长足发展,并取得了令世界瞩目的成绩,使我国冻土力学学科进入世界先进行列。在多届国际冻土大会的学术论文中,我国学者的论文名列前茅,程国栋院士当选第五届、第六届国际冻土协会副主席(1988-1998);朱元林当选为第六届、第七届国际冻土学会执委;马巍等当选为第七届国际冻土学会中国理事、第八届国际冻土学会执委等即是有力的说明。通过不完全的检索,我国自20世纪60年代以来,已出版的冻土研究专著上百部,各种科学研究论文数千篇,这些著作和一大批重大工程的研究成果、工程报告等全面展示了我国冻土力学等研究的成就,形成了自己的理论体系,概括为:以试验研究为手段,以冻土力学研究为基础,以冻土工程问题分析为核心,以工程应用为目的。我国老一辈冻土学家程国栋、周幼吾、吴紫汪、徐学组等为代表的专家,在艰苦的条件下,做试验、写专著,为这一理论体系的建立做出了奠基性的贡献。基本理论体系的建立,使我们认识到对冻土宏观力学性质的机理研究必须引申到冻土中水热迁移和成冰规律的微、细观研究上;引申到冻土相变过程发生的热传导特征、土壤热物理性质和水分输运参数与温度和相成分的关系上。从而借助先进的电镜扫描技术,CT扫描技术和压汞仪等仪器,研究人员开展了土、水、热、力和溶质五大要素对土中水成冰过程、冷生组构形成规律和力学性质等的影响研究。[2]
        总之,我国冻土力学研究经历了一条漫长崎岖的发展道路,从早期直接服务于寒区工程设计的简单的冻土宏观力学性质研究,到探索冻害原因的冻土细观机制试验研究;从对冻土力学性质的研究到更切合实际工程需要的正冻土、正融土力学性质的研究;从只针对冻土骨架固相的力学性质的试验研究,到考虑冻土中固、液、气多相多孔介质的力学响应的研究;从只研究冻土的力学性质研究,到开始研究冻土的水、热、力耦合机理研究;从了解冻土和利用冻土,到主动地对冻土进行改造;从被动的冻土体(路基、边坡、围岩等)稳定性可估,到主动的可控等。50年来,我国在冻土力学研究方面成果累累,现将主要成就分述如下:
        在宏观冻土力学性质研究方面,通过系统对冻土在不同负温、不同土性、不同初始含水量、不同荷载下的强度与变形的力学试验研究,提出了冻土破坏的抛物型屈服准则、冻土蠕变的渐进屈服准则以及冻土的综合变形方程;建立了适用于静荷或重复加载的能够反映温度效应的粘弹塑性本构模型;提出了冻土单轴压缩本构关系类型图。这些重要的力学模型相继成为冻土工作者进行科学研究和指导工程建设的重要理论。但工程实际的复杂多变又为我们提出新的研究内容和方向,基于围压对冻土力学性质的影响研究,指出冻土在变形过程中存在结构的强化和弱化,并利用电子显微镜扫描技术,从微观角度对冻土强度弱化机理进行解释。系统开展了冻土动力学性质研究,给出了冻土的动力学参数,提出了冻土的动强度和动蠕变模型,并阐明了冻土在振动荷载作用下颗粒发生明显的定向排列是导致蠕变强度和破坏应变减小的主要原因。基于寒区工程的地震响应分析发现,含冻土层路基动应力幅值较不含冻土层路基动应力幅值大得多,并且含冻土层路基动应力的频率一般大于不含冻土层路基动应力的频率,可见冻土层的存在可能加剧路基的震害响应。冻土场地的地表位移、速度随地温的降低而减小,加速度幅值则随地温的降低呈现减小—增大—再缓慢减小的变化规律。将蠕变指标看成是冻土的内在性质,将应力看作表现蠕变性质的手段,针对冻土蠕变规律的相似特点,提出了冻土非衰减单轴压缩蠕变的归一化模型。随着人们对冻土蠕变性质认识的深化,学科之间的渗透以及微观测试手段的完善,通过蠕变试验和微结构观测研究,借助当代损伤力学处理问题的框架,引入冻土蠕变耗散势,并将其构造为含冰量、颗粒定向因子以及面积损伤因子等表征微结构变化的内变量的函数,建立了内变量演化方程及冻土蠕变的一般损伤理论,这一理论可同时描述蠕变过程中的“强化”观象和“弱化”现象。通过对冻土的断裂特性进行了较系统的试验研究,发现在-10oC~-2oC温度范围内,KⅡC随温度的降低呈线性递增,在50~100N/S加载速率范围内,KⅡC与加载速率基本无关。基于冻土单轴、三轴压缩动态CT 试验,对冻土附加损伤的两个阶段,即塑性损伤和微裂纹扩展损伤分别采用硬化曲线法和动态CT 识别方法进行了损伤计算,在此基础上给出了冻土附加损伤与弹性应变的对应关系,建立了基于试验的冻土损伤演化方程,这一研究将有助于研究冻土从劣化到破坏的整个受力过程。[3-8]
        近年来,随着人工冻结技术在开发深部地下空间中的广泛应用,深部人工冻土的力学性质研究显得尤为必要和迫切,我国学者在比较和论证深部冻土与常规冻土异同的基础上,提出了深部冻土力学研究的基本框架,在这一基本理论框架的指导下,建立了深部冻土力学的研究手段,并研制了适合于室内深部冻土力学研究的试验装置,利用此装置,开展了系统的室内研究,获得了深部人工冻土实际的弹性变形范围,揭示了冻土初始刚度受埋深变化的内因;获得了以冻土的单轴压缩强度与未冻土的内摩擦角来确定深部人工冻土破坏强度的函数关系式,并将Duncan-Chang双曲线模型引入冻土力学研究,这不仅为深部冻结壁的设计和施工提供了理论依据,而且完善和发展了冻土力学理论。[9-11]
        然而,大量的试验表明冻土的强度性质具有从高温下融土摩擦类材料的强度特性到低温下晶格类材料的强度的两面性,仅仅对已冻结土的变形与强度性质的研究远不能满足实际工程的需要,而且也不能揭示冻结土的强度与变形的变化规律。因此,自80年代以来,对影响冻土力学性质的根本因素:水、热迁移与相变的细观机理研究在我国开始发展起来。在试验研究方面,利用两个不同的初始含水量及其对应的冻结温度给出了预报给定土未冻水含量的基本模式,在此基础上,根据冰点降低的叠加性,建立了可预报未冻水含量随初始含水量、初始浓度和外载变化的综合模式。就盐的类型和浓度对未冻水含量的影响进行了系统研究,并对含氯化钠盐冻土中未冻水含量曲线上二次相变进行分析,揭示了电解质的介入对未冻水和温度之间关系的影响规律。由于冻土中的水分迁移并在一定位置上成冰是造成土体冻胀的主要原因,为此,对处于封闭系统和开放系统条件下的非饱和土、饱和土进行大量试验,研究了正冻土、已冻土和正融土中的水分迁移规律,给出了封闭系统已冻土中的水分迁移通量与冻结历时、温度和温度梯度的关系式。通过检验渗压机制,阐明了溶质浓度梯度对相同温度条件已冻土中水分迁移的影响,利用扫描电镜,观察了毛管水和薄膜水的迁移现象。对冻结过程及其影响因素研究的最终目的就是对冻土中水、热、力与变形之间的耦合关系给出理论解答,基于以上实验数据的积累以及对试验现象的分析,在混合物理论基础上提出了正冻土中水热迁移耦合模型,推导出正冻土中考虑未冻水迁移影响的非线性热传导方程。从连续介质力学与热力学原理出发,系统分析了土体冻结过程中水、热、力耦合作用,提出了饱和正冻土的水、热、力耦合模型;基于季节冻土的水分场、温度场和外荷载的相互关系, 提出了考虑水分迁移、热质扩散和外荷载相互作用的冻胀预报模式;通过冻土多孔多相微元体的平衡方程,提出了考虑土骨架与冰颗粒之间相互作用力(冻胀力)的冻土介质特殊的有效应力原理。在多孔固液介质(包括准饱和时的气相)的质量守恒方程,多孔多相介质的热、能守恒方程的基础上,建立了全面考虑冻土中骨架、冰、水、气四相介质水、热、力与变形真正的耦合作用的数理框架,并在引进国外大型岩土工程分析软件的平台上,开发了饱和与准饱和冻土介质温度场、水分场、变形场三场耦合问题的有限元分析系统。以上冻土力学性质的宏、细结构研究成就,为解决寒区工程建设中建筑物因受寒冷气候变化影响而发生的冻胀和融沉问题奠定了坚实的理论基础,同时,在青藏铁路、青藏公路、南水北调工程、西气东输等重大工程的论证、设计、施工中得到了全面运用。[12-14]
        在冻土-结构相互作用的研究方面也有较大进展:我国学者对位于冻土上的建筑物所承受的切向、法向、水平向冻胀力的影响因素及取值范围进行了系统研究后,将影响冻胀力的因素归纳为自然条件和工程条件两大类;将隧道围岩和支护结构根据冻结状态不同分为衬砌、正冻围岩和未冻围岩三个弹性分区,假定在各区分别满足轴对称平面应变问题,分区界面上冻胀力满足连续性方程,获得了冻胀力的弹性解;对建筑的不同基础下的冻胀力进行了系统分析与评述;对冻土区挡土建筑物的设计和冻胀力计算进行了分析研究。上述研究成果主要体现在《冻土地区建筑地基基础设计规范》、《水工建筑物抗冰冻设计规范》以及《岩土工程勘察设计手册》等规范中,而这些规范的问世,进一步说明了我国在冻土力学方面的研究成就已完全运用到实际工程建设中,成为指导工程顺利施工与安全运行的理论依据。[15]
        冻土力学试验是了解冻土物理力学性质的重要手段,经过几十年的发展,我国的冻土力学测试和试验水平已有很大的提高。目前,常用的室内冻土力学性质研究仪器虽然还是MTS-810材料试验机,但由于它不具备低温控制装置,无法进行冻土试验,经过我国科研人员的改制后,不论从温度控制、测试精度、操作过程等方面都要优于国外同类设备。冻融过程试验系统已突破了单一的固定边界控温,发展到随机模拟外界温度变化控温,更符合于寒区冬冻夏融实际过程的模拟和工程应用。随着电子显微镜及计算机图象处理系统的发展,我国在研究冻土宏观力学性质的同时,将电镜扫描和CT技术引入冻土力学研究,通过对冻土结构变化的研究来阐明冻土工程性质的改变,从而使我国对冻土微观结构的研究跻身于世界先进行列。为研究深部人工冻土的力学特性,我们自主研制了高压低温K0固结装置,利用本装置,可在室内实现对深部人工冻土形成、受力过程的完全模拟。超声波方法以其无损、快速、简便等优点在岩土工程勘测及混凝土探测中已成为一种不可缺少的检测方法和手段,而冻土和其它岩体相似的弹性力学性质启发冻土研究者将其用于冻土动力学研究。为此,我国科研人员通过研制适合冻土测量用的纵横波复合宽度超声换能器,成功实现了超声波技术在冻土检测中的应用。等等上述研究方法的创新,也是我国冻土力学处于世界领先水平的重要标志。
        我国冻土力学研究经过半个多世纪的发展,无论在研究手段、冻土物理力学性质还是冻害防治方面都取得了丰硕的成果,但它作为一门综合科学,毕竟还很年轻,要去解释复杂多变的冻土现象,更好的服务于寒区经济建设,还有许多问题亟待解决,尤其是西部大开发战略的实施,将会为冻土力学研究提出新问题、新思路和新挑战。预计在未来冻土力学研究中,需主要关注以下几个方面的工作:
         (1) 冻土力学的研究对象应从室内试验的研究向具有各种不同水热交换边界条件与水热迁移内在规律的冻土体发展,同时,还需研究试块强度与现场冻土体强度之间的区别与联系,为室内冻土力学的研究成果成功运用到工程建设创造条件。
         (2) 冻土力学的研究内容应从对冻土物理、力学性质室内外测试方法及仪器的标准化和规范化入手,借鉴相关学科领域的研究成果,进一步深入开展冻土物理性质、力学行为及机理的研究,建立一整套能够统一描述冻土力学与热力学性质及行为的力学模型,以更加真实的解释和描述冻土的物理力学规律,为进一步提高寒区工程的耐久性及人工冻结技术在深厚表土层和市政工程中的广泛应用,削减人力、物力、财力的大量浪费而发挥作用。
         (3) 冻土力学的研究思路应该从对土样纯力学量的试验研究向土样结构、级配、含水量、饱和度等土性指标在不同负温下对土样颗粒排列与胶结特性的强度、变形影响机理方面转移。
         (4) 解决工程科学问题的数值方法近几十年来已有了很大的发展。由于大型高速电子计算机的使用和大型软件的研制使得这些方法的普及性和灵活性都有了很大的加强。因此,在冻土力学研究领域,发展和应用数值仿真的方法体系将是提高冻土力学试验效率的手段之一。

参考文献
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