劉 寅，馮 飛

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

凍融作用對(duì)黃土劣化損傷試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

劉 寅，馮 飛

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

冬季黃土地區(qū)的溫度變化較大，凍融作用對(duì)黃土性質(zhì)的影響一直是具有重大工程科研意義的命題。目前凍融作用對(duì)黃土物理力學(xué)性質(zhì)的影響研究已有比較深入的研究成果，但在許多領(lǐng)域缺乏共識(shí)，有待繼續(xù)深入研究。

凍融作用；黃土；劣化

1 季凍土與凍融作用

季凍土隸屬于凍土，隨著季節(jié)溫度的變化而產(chǎn)生，凍結(jié)時(shí)間超過一個(gè)月，每年在冬季凍結(jié)在夏季消融。季節(jié)性凍土區(qū)域遍布在緯度高于24°的地區(qū)，我國(guó)季凍土區(qū)域面積約占到國(guó)土總面積的50%。凍融作用是土體在環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)由溫度效應(yīng)所產(chǎn)生的對(duì)土性質(zhì)影響的效應(yīng)，凍融作用主要指凍脹和融沉作用，凍脹與融沉的核心便土體中水分子隨溫度變化形態(tài)隨著變化的過程。在季凍土區(qū)域，同時(shí)伴隨的凍脹和融沉作用則是導(dǎo)致土具有特殊性的主要原因。

2 凍融作用對(duì)黃土性質(zhì)影響試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外廣泛研究?jī)鋈谘h(huán)作用，基于土質(zhì)、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)儀器等差異，研究成果沒有比較統(tǒng)一的共識(shí)，同時(shí)處于單純的理論研究階段，與工程實(shí)際連接較少，工程中能參考的成果也較少，有待進(jìn)一層探討研究。

2.1 國(guó)外研究進(jìn)展

國(guó)外研究開展的較早，研究范疇涵蓋了凍脹融沉機(jī)理、試驗(yàn)方法探究、預(yù)測(cè)模型建立等多方面。早在20世紀(jì)中期第一凍脹理論提出毛細(xì)壓力的概念，水分向凍結(jié)前緣移動(dòng)、聚集而形成冰晶的動(dòng)力。隨后提出了第二凍脹理論，凍結(jié)深度與凍結(jié)程度之間的關(guān)系，以及冰晶行程條件及形態(tài)等。20世紀(jì)60年代研究?jī)鋈谘h(huán)，試圖從機(jī)理上解釋凍融循環(huán)作用下土體內(nèi)顆粒排列及分子遷移的規(guī)律。研究表明凍融循環(huán)作用對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。國(guó)外關(guān)于凍融作用及凍融循環(huán)作用的研究在廣度及深度都比較領(lǐng)先，在關(guān)于凍融作用對(duì)土體物理性質(zhì)影響研究方面也取得了一些被大家廣為認(rèn)同的結(jié)論，但由于試驗(yàn)土體自身差異性和復(fù)雜性，也導(dǎo)致研究成局限性較大。

2.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)展開凍融作用的試驗(yàn)研究起步較晚。90年代初期，我國(guó)有學(xué)者針對(duì)結(jié)凍機(jī)理與水分遷移理論，研究?jī)鋈谧饔弥宣}脹的機(jī)理。研究初期，通過水熱輸運(yùn)試驗(yàn)方法，提出了凍融作用中水分遷移聚集的基本機(jī)理；開放系統(tǒng)下的反復(fù)凍融循環(huán)試驗(yàn)；對(duì)凍融循環(huán)條件下的成冰機(jī)制做了系統(tǒng)的研究分析。提出了凍融循環(huán)作用對(duì)水泥土力學(xué)性質(zhì)的影響研究結(jié)論并闡述了其劣化的機(jī)理，通過模型試驗(yàn)研究了凍融土地基極限承載力的變化規(guī)律。在多次凍融循環(huán)作用下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及壓縮性等力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了較為深入的研究。總體來看，早期研究對(duì)象主要針對(duì)土體內(nèi)部水分遷移、結(jié)冰機(jī)理和土體凍脹融沉等方面的機(jī)理研究，并且試圖建立凍脹融沉預(yù)測(cè)模型，但仍存在與實(shí)際工程結(jié)合不緊的問題。隨后在凍融作用對(duì)土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響研究中展開了廣泛充分的試驗(yàn)?zāi)M研究，涵蓋土體基本物理性質(zhì)，力學(xué)強(qiáng)度模量等方面，同時(shí)對(duì)凍融循環(huán)作用的機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，但各方面研究成果差異性較大，有待進(jìn)一步的研究。

3 試驗(yàn)研究現(xiàn)存問題分析

試驗(yàn)手段是凍融作用研究最基本最有效的方法，主要是進(jìn)行室內(nèi)凍融試驗(yàn)。土體試樣選取方式、凍融作用模擬方式和試驗(yàn)方法選取導(dǎo)致了研究成果中凍融過程的差異性。關(guān)于凍融模擬方法的選擇，主要有獨(dú)立凍融作用模擬和凍融作用模擬與試驗(yàn)同步兩類。獨(dú)立凍融過程是利用低溫控溫設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立的控溫模擬，有單向控溫和整體控溫，試樣在封閉的環(huán)境中完成凍融作用模擬全過程。優(yōu)點(diǎn)在于能夠較為完整的模擬天然狀態(tài)下的凍融作用過程，但缺點(diǎn)是缺乏全過程的監(jiān)控跟蹤研究。凍融作用模擬與試驗(yàn)同步的方法，在模擬凍融作用的同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，部分試驗(yàn)在凍融過程中增加試樣同步跟蹤設(shè)備，包括對(duì)試樣形態(tài)、位移、溫度等多方面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)可以模擬單向、多向受力條件下的凍融過程。有些試驗(yàn)中在土樣軸向，圍向施加壓力，模擬單向受力狀態(tài)下的凍融過程，也有增加補(bǔ)水條件模擬補(bǔ)水情況下的凍融循環(huán)過程。

試驗(yàn)方法的選擇也是決定凍融作用試驗(yàn)研究結(jié)果的重要因素?，F(xiàn)階段關(guān)于凍融試驗(yàn)的研究多以室內(nèi)試驗(yàn)為主，主要受限于試驗(yàn)條件與設(shè)備條件，也有利用積實(shí)土樣埋置于室外，或者室外室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)合等方式。單從室內(nèi)試驗(yàn)方法出發(fā)，不同方法選擇也導(dǎo)致了凍融作用對(duì)土性質(zhì)影響效應(yīng)具有較大的差異。依照施加冷源位置的不同，有整體凍融、單向凍融和雙向凍融；依照施加冷源方式的不同，凍結(jié)過程有恒溫低溫凍結(jié)和梯度變溫凍結(jié)，溶解過程也有恒溫溶解和梯度便問溶解，其中溫度梯度與時(shí)間控制相關(guān)，可模擬快速凍結(jié)和慢速凍結(jié)等；依照試樣在凍融過程中是否補(bǔ)水，分為封閉系統(tǒng)凍融和開放系統(tǒng)凍融；依照施加壓力方式不同，有軸向加壓凍融、圍向加壓凍融和自由凍融等。在試樣儀器的選擇上并無較大差異和發(fā)展，基于土工學(xué)試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行凍融試驗(yàn)，在土力學(xué)性質(zhì)研究方面現(xiàn)存試驗(yàn)成果較多選擇直剪試驗(yàn)進(jìn)行。從現(xiàn)有文獻(xiàn)來看，由于凍融循環(huán)作用試驗(yàn)研究涉及的試驗(yàn)量較大，研究不同凍融方式下對(duì)土的工程性質(zhì)影響的試驗(yàn)成果較少，大多數(shù)試驗(yàn)只設(shè)定一至兩個(gè)影響條件下的少次凍融循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)多個(gè)因素沒有進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)比較。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于凍融作用試驗(yàn)?zāi)M的復(fù)雜性，涉及到多學(xué)科多理論基礎(chǔ)，同時(shí)受試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法等多方面的限制，該領(lǐng)域仍有許多方面需要完善并進(jìn)行深入研究。

[1]齊吉琳,程國(guó)棟,P.A.Vermeer.凍融作用對(duì)土工程性質(zhì)影響的研究現(xiàn)狀[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2005,(8):887-894.

[2]邢開第.普通凍土學(xué)[J].冰川凍土,1990,(4):154.

[3]程國(guó)棟.中國(guó)冰川學(xué)和凍土學(xué)研究40年進(jìn)展和展望[J].冰川凍土,1998,(3):21-34.

[P314.5]

A

2096-2789（2016）11-0232-01

劉寅（1987-），男，漢，河北石家莊人，助理工程師，碩士，研究方向：巖土工程。