陳強

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西咸陽 712000）

1 黃土凍融循環(huán)研究背景

黃土是一種第四紀(jì)風(fēng)積物，在世界上分布相當(dāng)廣泛，占全球陸地面積的1/10，而我國是世界上黃土分布最廣、厚度最大的國家，覆蓋面積約63.1×104km2，約占全國土地面積的 6.16%[1～3]，集中分布于西北的甘肅、陜西、山西的大部分地區(qū)，以及河南、河北、山東、遼寧、寧夏、新疆、青海、內(nèi)蒙等省區(qū)的部分地區(qū)。然而，黃土地區(qū)地形破碎、溝壑縱橫、環(huán)境脆弱、氣候特殊，加之黃土高原公路、鐵路、市政、水利等工程項目基本上修筑于淺層黃土之上，淺層土體大面積暴露于自然狀態(tài)下，空間中受到諸如輻射、氣溫、降雨等外界因素的影響，在自然以及人工作用下，淺層黃土體的工程性質(zhì)隨著外界因素的改變而發(fā)生變化，宏觀上表現(xiàn)為黃土含水率和溫度的變化從而引起土體強度和凍融狀態(tài)等的改變，伴隨著這種變化常常導(dǎo)致一系列病害的發(fā)生，嚴(yán)重地危及各類工程建設(shè)及人民生命財產(chǎn)的安全，制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

2 黃土凍融循環(huán)研究的重要性及成果

陜北黃土地區(qū)屬于典型季節(jié)性凍土區(qū)。隨著西部大開發(fā)與“一帶一路”戰(zhàn)略的不斷深化，黃土地區(qū)建設(shè)事業(yè)蓬勃發(fā)展，與各類工程建設(shè)緊密相關(guān)的凍土學(xué)作為巖土工程中的一門新興學(xué)科，已在我國取得了相應(yīng)的研究成果。凍土力學(xué)已成為凍土學(xué)的重要組成部分同時也是巖土力學(xué)的重要分支，其理論與實踐知識，正逐漸被重視，成為指導(dǎo)國內(nèi)外凍土地區(qū)各類工程建設(shè)的理論工具。

此前世界上并沒有將凍土研究作為一門獨立的學(xué)術(shù)領(lǐng)域看待，蘇聯(lián)人H．A．崔托維奇，1973年出版著作《凍土力學(xué)》奠定了其在現(xiàn)代凍土力學(xué)中的重要地位，該書系統(tǒng)論述了凍土力學(xué)的基本理論、規(guī)律性、工程實際應(yīng)用，代表了當(dāng)時的國際水平。而黃上凍融作為凍上學(xué)科中的一個重要問題，吸引著許多研究者參與其中，并取得豐富成果?？茖W(xué)家們從不同角度對黃土凍融進(jìn)行研究，并由此獲取了一系列顯著成果，汪仁和等[4]通過對原狀土和凍融土的物理力學(xué)性質(zhì)的試驗研究，發(fā)現(xiàn)土凍結(jié)融化后土體孔隙比、壓縮系數(shù)、滲透性明顯增大。接著通過單軸和三軸試驗，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)融化土體抗剪強度明顯降低。羅小剛等[5]以典型粘土凍融試驗為基礎(chǔ)，分析凍融循環(huán)后孔隙率、滲透性、壓縮性等土工性質(zhì)的變化。研究表明，凍融后土的孔隙率和含水率呈現(xiàn)增大趨勢，同時指出外荷載對土體孔隙率和含水率的增大有抑制作用。筆者借助國內(nèi)外研究學(xué)者對凍土的研究文獻(xiàn)，從客觀角度分析凍融循環(huán)如何改變黃土結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)，并由此創(chuàng)作本文。

2.1 凍融循環(huán)對黃土孔隙率的影響

研究發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)是影響季凍區(qū)黃土地區(qū)工程的主要原因。凍融循環(huán)作用導(dǎo)致黃上孔隙率增大，使建設(shè)在黃上基礎(chǔ)上的工程出現(xiàn)不同程度安全問題，包括裂縫、滲漏等，從而影響相關(guān)黃土工程的安全性。究其深層原因，凍融循環(huán)作用使得土體內(nèi)水分重新分布且結(jié)構(gòu)發(fā)生弱化，改變了黃土的原有骨架和組構(gòu)，而黃土的骨架和組構(gòu)與黃土的孔隙率有著密切的關(guān)系。

2.2 凍融循環(huán)對黃土抗剪強度指標(biāo)的影響

除了前文提及的影響因素外，凍融循環(huán)對黃土的影響也體現(xiàn)在抗剪強度上。

抗剪強度指標(biāo)包括兩部分，即粘聚力和內(nèi)摩擦角，粘聚力主要由顆粒間的膠結(jié)、顆粒間接觸點的化合價鍵、范德華力、靜電引力、表觀粘聚力組成，摩擦強度主要有顆粒間滑動摩擦和咬合摩擦構(gòu)成。

土的抗剪強度指標(biāo)是土力學(xué)中最重要的參數(shù)之一，幾乎與土強度相關(guān)的問題都需要粘聚力和內(nèi)摩擦角作為分析和設(shè)計的依據(jù)。常溫下土體抗剪強度測試技術(shù)己經(jīng)十分成熟并己經(jīng)得到廣泛工程應(yīng)用，但季凍區(qū)凍融循環(huán)下土體抗剪強度指標(biāo)，無論在定性和定量分析上都存在很大爭議。從有限的研究中可以看出，目前對于凍融循環(huán)下土的抗剪強度指標(biāo)的變化規(guī)律存在較大爭議，對于粘聚力的研究僅僅有較為統(tǒng)一的認(rèn)識，認(rèn)為凍融循環(huán)下粘聚力不斷降低，但也有認(rèn)為粘聚力增大的存在。對于凍融循環(huán)下內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律則爭議很大，認(rèn)為增加、減小、無規(guī)律、基本無變化、先降低后升高等結(jié)果均存在。凍融循環(huán)下抗剪強度指標(biāo)的試驗研究還很不成熟，需要大量的試驗來探索試驗結(jié)果爭議的原因，揭示凍融循環(huán)下季凍土的抗剪強度指標(biāo)變化模式。

2.3 凍融循環(huán)對黃土含水率的影響

凍融對黃土的影響也反映在含水率方面，研究含水率的影響機理發(fā)現(xiàn)，含水率的高低對水分遷移率的影響以正比例形式展現(xiàn)，遷移率隨其升高而加大。這一發(fā)現(xiàn)充分證明，含水率的高低決定了凍融作用影響程度。

王鐵行等[6]研究表明，凍融后黃土的水平向滲透系數(shù)和豎直向滲透系數(shù)較凍融前明顯增大，且凍融后黃土的滲透性隨著凍融時試樣初始含水率的增加而增強。隨著初始含水率的增加，黃土凍融后的滲透系數(shù)比值減小，表明隨著凍融時試樣初始含水率的增加，凍融后黃土滲透性的各向異性減弱。凍融循環(huán)過程中不同初始含水率的黃土試樣受凍融作用的影響不相同，初始含水率較低時，由于水凍結(jié)成冰后產(chǎn)生的凍脹力較小及上體良好的結(jié)構(gòu)對凍脹力的束縛，土樣經(jīng)過凍融后孔隙比有所增加，但變化量不大，其對土體結(jié)構(gòu)性影響也相對較小。隨著凍融時試樣初始含水率增加，土體中水凍結(jié)成冰產(chǎn)生的凍脹力增大，對土顆粒聯(lián)結(jié)的破壞作用增強，凍融循環(huán)過程中引起的孔隙凈變形量會隨著試樣初始含水率的增加而增加，凍融對土樣結(jié)構(gòu)破壞作用也隨著初始含水率的增加而增強。

3 存在問題

綜上所述，筆者認(rèn)為對凍融循環(huán)作用的研究還存在以下問題：

（1）國內(nèi)外學(xué)者針對凍融作用下土的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)開展了大量的研究工作，取得了豐碩的成果，但是這些研究工作主要是圍繞土體物理力學(xué)強度開展的，從黃土體微觀結(jié)構(gòu)角度、溫度場角度研究還較少。

（2）如何開展凍融循環(huán)試驗存在分歧，不同的試驗方式往往造成不同的結(jié)果。

（3）由于研究設(shè)備缺乏，現(xiàn)階段研究成果還未得到驗證。由于現(xiàn)實情況的限制，諸多研究結(jié)果無法直接作用于實際工程建設(shè)。

4 結(jié)論及展望

（1）在已研究成果中，凍融循環(huán)影響黃土的方式以物理力學(xué)性質(zhì)為主，無論黃土密度如何變化，凍融循環(huán)作用均會增加土的滲透性，這些研究成果已經(jīng)得到學(xué)術(shù)界的普遍認(rèn)識，而對于凍融循環(huán)是否會影響黃土的其他方面，仍然處于分歧狀態(tài)，這種分歧將會引領(lǐng)未來學(xué)術(shù)發(fā)展方向。

（2）黃土凍融循環(huán)的相關(guān)研究中仍然存在一個問題沒有攻克，即三場耦合的影響，該方面的相關(guān)研究結(jié)論較少，黃土體由于受到氣候、自重、其他附加荷載等多種因素影響，因此其自身溫度場、水分場、應(yīng)力場均處于動態(tài)變化的狀態(tài)。同時，由于沒有現(xiàn)實成果作為支持，這一研究沒能從現(xiàn)實角度解決問題，對于該問題未來將仍需要進(jìn)行研究，研究成果出現(xiàn)后才能解決困擾諸多專業(yè)學(xué)者的季節(jié)性凍土地區(qū)黃土災(zāi)害問題。