孫洪偉

（長春工程學院土木工程學院，長春130012）

0 引言

凍土中所含冰的性質改變了本體融土的性質。實驗證實：在不同低溫條件下，冰在各向的抗剪強度、變形和黏滯性指標有明顯的差異，顯現(xiàn)出冰的各向異性特征。凍土中冰的各向異性和黏滯作用使凍土的黏滯性發(fā)生變化，凍土表現(xiàn)出特有強度的不穩(wěn)定性和流變特征。凍土的不穩(wěn)定極具危害性，往往不被深刻認知。在凍土地區(qū)，按常規(guī)融土處理技術設計和施工凍土地基上的工程［1－2］，常因對凍土性質和其凍脹與融化帶來的危害認識不足，頻發(fā)嚴重的工程“凍害”事故。本文結合多年對凍土的現(xiàn)場原位觀測試驗［3－4］，借鑒分析國內(nèi)外的凍土研究成果，提出冰體各向異性分析模型以解釋冰的各向異性機理，思考分析含冰凍土在荷載作用下的應變狀態(tài)和流變特征，凍土強度和變形不穩(wěn)定性的成因，旨在引起業(yè)內(nèi)人士重視。

1 凍土中冰的“各向異性”是凍土性質不穩(wěn)定的成因

冰力學性質的差異性影響含冰凍土性質。凍土由土顆粒、冰、水、空氣4項體組成，呈固體形態(tài)。類似其他固體材料，凍土的力學性質取決于其自身的抗剪強度，而影響其抗剪強度的主要因素是凍土的黏滯性，土中冰體的各向異性和黏滯作用使凍土的黏滯性發(fā)生變化。如：當剪切方向與冰晶基本平面方向重合，會發(fā)生剪切破壞，其他方向受剪則發(fā)生“冰晶破壞”，隨持續(xù)低溫，還會重新結晶定向，見圖1。

圖1 冰體各向異性分析模型

實驗表明，冰在主光軸方向（垂直于凍結面）上的黏聚力要比在平行與凍結面方向大得多［5］。Ь.Η.BeйHōepr測定，當溫度為－3℃時，冰在平行于主光軸方向上的抗剪強度為3.1～3.2MPa，而垂直于主光軸方向僅為2.0～2.5MPa，見圖1（作者長期研究建立）。CaBeЛbeB－崔托維奇2 000余次測定［5］，得出垂直于主光軸方向與平行于主光軸方向的抗剪強度之比為0.8。當冰溫度降至－66℃時，在主光軸上的線脹系數(shù)為29×10－6℃－1，垂直于主光軸方向上僅為17×10－6℃－1。當作用力垂直于主光軸時，冰的黏聚度為109～1010Pa·s，平行主光軸時為1013～1014Pa·s。以上力學指標的差異反應了冰明顯的“各向異性”，也反應出冰晶內(nèi)結構有相互連接的薄弱面，冰內(nèi)部融化沿薄弱面發(fā)展，對強度特性有較大影響，也會對凍土的勻質性有較大影響。

冰內(nèi)連接作用對溫度變化敏感。其聯(lián)結強度隨溫度降低而增長，據(jù) Η.K.ΠeKapcKaя的測定［1］，當溫度由－1.5℃下降至－3.5℃時，冰瞬時黏聚力從2.2MPa增加到4.5MPa。這是因溫度下降冰晶格中氫原子的活動性降低，冰分子更趨穩(wěn)定和堅硬。相反冰受剪時的長期強度σ∞很小，C.C.BяЛOB的實驗表明，當冰溫度為－0.4℃時，冰的長期強度低于0.2MPa。原因是氫原子有較大的活性，易深入晶格節(jié)點中去，使冰離子晶格具有不穩(wěn)定性，再者由于溫度較高，冰凍結不充分，內(nèi)有未凍水存在，導致長期強度降低。

現(xiàn)場實驗也發(fā)現(xiàn)［3，6］：寒期江、河、湖面凍結冰層若與工程結構（如，船臺基礎樁）接觸，會在樁、冰的接觸面上產(chǎn)生“裂隙”，如圖2。原因是樁周圍的膨脹冰體對樁產(chǎn)生水平的凍脹應力和向上的切向凍脹應力，在樁、冰接觸面間產(chǎn)生局部摩擦熱，使接觸冰層融化。由于該區(qū)域壓力較大，融化水將向低壓區(qū)域流動，遇冷再結冰而形成“裂隙”。足見，不同的應力場內(nèi)，冰的強度和形態(tài)也顯現(xiàn)出不穩(wěn)定性。

圖2 冰層融化裂隙

冰的以上特征表明，在不同低溫條件和不同工程環(huán)境下，冰的各項力學性能差異明顯，這是含冰凍土性質不穩(wěn)定的主要根源。

2 荷載作用時間是影響凍土力學性質不穩(wěn)定性的重要因素

凍土中由于冰與未凍水的存在，使其在荷載作用下發(fā)生的變形表現(xiàn)出彈性、塑性和黏性特性。（1）在小荷載作用時，凍土的彈性變形表現(xiàn)出體應變和剪應變的可逆性，在冰晶格的可逆化、礦物顆粒間聯(lián)結水膜的厚度和顆粒間的偏移范圍之內(nèi)，該荷載比能引起礦物顆粒彈性變形的荷載要小得多。（2）凍土的塑性變形表現(xiàn)為其體應變和剪切應變的不可逆，主要由荷載作用下冰的不可逆相變與重新組合、未凍水的遷移、氣體的排出、礦物顆粒的移動所引起。（3）凍土的黏性變形表現(xiàn)為剪切和體應變隨荷載作用時間而發(fā)展，主要由礦物顆粒沿未凍水膜移動、冰和未凍水黏性蠕動所引起，屬不可逆變形。常速率的黏性流動只在高含冰凍土或冰中產(chǎn)生，多數(shù)情況下凍土的黏性變形伴隨著其彈性、塑性而發(fā)展，表現(xiàn)為應力—應變狀態(tài)隨時間而變化，即具有明顯的流變特性。因此，荷載作用時間是影響凍土力學性質不穩(wěn)定性的最重要因素之一。當溫度恒定，瞬時加載時，因荷載接觸點上空隙冰的融化和隨后融化水流向低應力區(qū)凍結不是瞬時發(fā)生的，需要一定發(fā)展時間，故此時凍土力學性質變化不明顯。換言之，在應力場作用下的冰夾層（或冰透鏡體）內(nèi)能見到冰的重結晶現(xiàn)象、晶體減小，在有效應力方向上冰晶的定向改變是十分緩慢的，荷載作用時間愈長，對凍土性質影響愈烈，直至黏塑流階段凍土結構破壞為止，或與強化作用之間達到平衡狀態(tài)。

3 凍土的力學性質也取決于低溫條件和礦物組分

大氣溫度周期變化，凍土層在年變化深度范圍內(nèi)溫度場也在相應地變化。若人工熱源或人為改變環(huán)境熱狀況時，凍土地基中溫度沿深度分布通常是不均勻的，且在不斷變化，這決定了凍土地基沿深度是非勻質的，其性質是在相應地改變。凍土溫度越低，抵抗外力的強度越大，相應的變形就越?。?，7］。而溫度影響凍土力學性質變化的程度是不同的，且主要取決于土溫范圍屬于哪一個土壤水的相變化區(qū)內(nèi)。變化區(qū)域的劃分以不同負溫區(qū)間界定。見表1。這里所謂相變化是指水在低溫下由液體（稱液相）凍結成冰（為固體稱固相）的變化過程。

表1 相轉換區(qū)的溫度范圍／℃

劇烈相變化區(qū)內(nèi)（砂質土0～－0.2℃、黏性土0～－2.0℃、飽和黏土0～－5.0℃），決定凍土強度的因素是冰和未凍水的含量以及其隨負溫變化的關系。如溫度從－1℃降到－2℃時，凍結黏性土的未凍水含量減少5%，而增加相應數(shù)量的冰含量，其抗壓強度從1.0MPa提高到1.5MPa，遞增50%。從圖3凍土中未凍水含量與負溫的關系可見，在相劇烈變化區(qū)內(nèi)，溫度的少許變化，將使凍土中較多的未凍水含量及伴隨著的含冰量發(fā)生相應的變化，并宏觀上表現(xiàn)出強度大幅度的增減。該區(qū)內(nèi)水結冰是放熱過程。

圖3 凍土中未凍水含量與負溫的關系

非劇烈相變區(qū)（砂質土－0.2～－0.5℃、粉質亞黏土－2.0～－5.0℃、飽和黏土－5～－10℃），凍土強度隨溫度降低而增加，原因不僅是含冰量增加，另一個重要因素是冰的強度隨負溫度降低而增大。

當凍土處于實際凍結區(qū)（砂質土＜－0.5℃、粉質亞黏土＜－5.0℃、飽和黏土＜－10.0℃）時，凍土的強度性質主要取決于膠結冰的強度，它隨溫度降低而提高。如凍結砂溫度從－1.0℃降至－2.0℃，其極限抗壓強度則從6.4MPa增加到7.5MPa，而在該溫度變化區(qū)間，未凍水含量不超過0.1%，可見此區(qū)間的強度增加是由于膠結土粒的冰強度提高所致。冰的這種結構強化作用，是由于其中氫原子的聯(lián)結作用非常微弱，其活動性隨著溫度降低而急劇減弱所致。有試驗表明這種強化作用在土溫度接近－70℃就停止。

此外，細顆粒分散性土凍結時，在凍結溫度下，只是其中一部分水變成冰，當溫度進一步降低，繼續(xù)發(fā)生水的相變，但其劇烈的程度逐漸降低。ЦbITOBич的實驗表明，發(fā)生凍結的數(shù)量，除溫度是關鍵因素外，還與土中礦物顆粒的比表面積、吸附性陽離子的成分和壓力等因素有關。在溫度、壓力條件相同時，細粒黏性土的礦物成分、交換陽離子的交換容量和成分對未凍水含量的增減影響大，進而對凍土強度產(chǎn)生影響。如，高交換容量和被一價陽離子Na＋、K＋飽和的蒙脫石黏土中的未凍水相對最多，該類凍土強度相對最低；具有小交換容量和多價陽離子Fe3＋、AI3＋的飽和高嶺土中的未凍水含量相對最少，此類凍土強度相對最高；具有中等交換容量和二價陽離子Ca2＋、Mg2＋的飽和水云母土，其中的未凍水含量介于以上兩者之間，其強度也介于二者之間。

可見，作為四相體系的凍土，其力學性質主要取決于其中冰的含量、強度、冰的各項異性和流變特性，也與礦物成分有關。而冰的這些特性的變化依賴于溫度、作用荷載和持荷時間，這構成了凍土力學性質隨外界溫度、壓力及荷載作用時間而變化，性質的不穩(wěn)定性是凍土的特性，設計凍土做地基或構筑物時應正視與謹慎處理。

4 流變體現(xiàn)了凍土的塑性

凍土的流變表現(xiàn)為蠕變、松弛和強度降低等過程。蠕變是在不變荷載作用下，變形隨時間發(fā)展；松弛是維持某一恒定變形必須的應力的降低；強度降低是隨荷載作用時間的延長，凍土抵抗破壞的強度降低［3，5］。

蠕變是彈縮黏滯性變形的過程，凍土的彈性、塑性和黏滯變形可隨時間同步發(fā)展。按照蠕變過程的特性，可分為小荷載作用下產(chǎn)生的衰減型蠕變和較大荷載下的非衰減型蠕變。衰減可為隨時間的延長應變的變化率（應變速率）逐漸減小的特征。圖4為蠕變應變和應變速率隨時間發(fā)展曲線，其中σ1、σ2、σ3為三級不同荷載作用于同類黏性凍土試件產(chǎn)生的應力，且σ1＜σ2＜σ3，σ1＜σ∞（凍土的長期強度），σ3＞σ2＞σ∞。

圖4 蠕變應變及應變速率隨時間的發(fā)展

衰減型蠕變在小荷載作用下發(fā)生，如圖4（a）中曲線1，荷載作用在凍土試件上產(chǎn)生的應力σ1≤σ∞（凍土的長期強度），即作用荷載較小，凍土試件的持荷時間比較長，初期短時間內(nèi)應變較大，后期長時間應變線性平緩增長，呈彈性變化特征。對應的應變速率ε′為圖4（b）中的應變速率曲線1所示，初期短時內(nèi)應變速率降低較快，其后長時間隨荷載作用時間延長呈線性平穩(wěn)減小趨勢，即隨時間增長而線性衰減（減?。?，并趨向于0，即ε1′∣t→∞＝0。最終凍土試件不再有新的應變，原因是作用荷載較小，產(chǎn)生的小應力不足以使凍土試件產(chǎn)生更多的應變。

非衰減蠕變在大荷載作用下發(fā)生，如圖4（b）中的曲線2和3，其作用應力σ3＞σ2＞σ∞，其應變隨荷載作用歷時而遞增。應變速率隨時間的變化如圖3中的曲線2所示，按3個階段變化：（1）第Ⅰ階段應變速率ε′快速減小，屬非穩(wěn)定蠕變，應變速率ε′趨向第二階段的相對穩(wěn)定值εⅠ′→εⅡ′；（2）第Ⅱ階段蠕變?yōu)榉€(wěn)定黏塑性蠕變，其應變ε隨荷載作用歷時呈上凸曲線性型遞增，應變速率εⅡ′類似線性增加，且大致恒定于εⅡ′＝C；（3）第Ⅲ階段蠕變系漸進流動蠕變，應變速率εⅢ′逐漸增大，最后導致脆性或黏性破壞，此階段有εⅢ′→∞。圖4（b）中的曲線3加載大且加載速度最快，在短時內(nèi)加載至最大應力σ3。加載的前半時段和后半時段應變速率凸顯2種不同變化狀態(tài)。在前半時段，隨應力快速增大，應變速率εⅢ′快速減小，呈明顯的非穩(wěn)定蠕變特征；后半時段，隨應力繼續(xù)快速加大，應變速率εⅢ′繼續(xù)增大，凍土又顯現(xiàn)出漸進流動蠕變特征，至加載到最大應力σ3時，應變速率εⅢ′繼續(xù)增大，凍土達到極限應變，最后產(chǎn)生脆性或黏性破壞。即加載速度快和加載大時，凍土呈現(xiàn)應變速率大和破壞周期短的特性。

應力松弛是另一個流變過程。如上所述，凍土試件上加負某一恒荷后，其應變將隨時間發(fā)展。若某一時段讓其變形保持恒定，即應變不隨時間而變化，就必須逐漸減小負載。換言之，應變恒定時，控制試件中應力隨時間不斷減少的現(xiàn)象為應力松弛。

蠕變的另一過程就是隨荷載作用時間的不斷增長而使凍土抗破壞的強度不斷降低，當作用的荷載足夠大時，便出現(xiàn)非衰減蠕變，應變不斷發(fā)展直至凍土破壞為止。作用的應力越小，則發(fā)展到凍土破壞的時間越長，當加負某一小應力時，凍土試件不發(fā)生非衰減蠕變，即試件該作用應力即為凍土試件的長期強度σ∞，它可以是抗壓、抗拉、抗剪等試驗的長期強度。

5 結語

含冰凍土改變了天然融土的力學性質。二者間的強度、變形等各項力學指標有很大差異。處于凍土環(huán)境工程的設計和施工，應調查分析場地凍土的類型和含冰構造，研究其流變特點、強度變化狀態(tài)及凍融效果，預測對工程帶來的危害并采取措施有效預防［8－9］。不同地域巖土成分的差異和不同的含水條件，變化的低溫環(huán)境形成的凍土力學指標各異，這就要求科研工作者和工程技術人員從凍土的基本性質研究入手，掌握凍土的共性特點，有針對性地探索不同類型凍土的性質，有的放矢地解決凍土理論和工程問題。

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