冻土力学参数综述.doc

第一章 绪论1.1 选题背景和研究意义近些年来，随着国家对西北地区基础交通设施的投资，我国高速公路隧道的建设进入了一个新的发展阶段。在西部大开发战略中，建成便利的交通系统是西部经济发展和社会进步的必然需求，而陆路交通网的完善也必然要求交通基础设施延伸至自然环境恶劣的高海拔寒冷地区。随着我国青藏高原铁路、公路建设的发展，高海拔寒冷地区隧道的建设技术问题日益受到工程界的关注和重视。其中对于高寒地区的公路隧道，冻害问题一直以来是个比较棘手的问题，同时也是亟待解决的一个难题。几乎所有的冻害问题都关系到冻土和冻岩的力学问题，对高寒多年冻土区的隧道建设开展专项冻土力学参数研究显得势在必行。本项目以国道214线共和至玉树（结古）公路平均海拔4000多米的鄂拉山和姜路岭高寒多年冻土特长隧道为依托工程，总体目标是结合国道214线共和至玉树高寒多年冻土公路隧道目前揭露的冻土地质条件，开展以下5种冻土（岩）的物理力学试验研究：（1）含冰亚粘土夹碎石土物理力学试验；（2）含冰页岩物理力学试验；（3）含冰凝灰岩物理力学试验；（4）含冰板岩物理力学试验；（5）含冰安山岩物理力学试验。基于以上物理力学实验，分析多年冻土公路隧道含冰围岩的施工力学特性及变形机理，建立隧道多年冻土的破坏准则，提出多年冻土隧道合理有效的施工方案、控温标准、变形控制技术和保温方案，有效解决特殊地理、恶劣气候及地质条件下所面临的隧道设计、施工技术难题，为今后在高海拔多年冻土区修建公路隧道积累宝贵的工程经验，为在高海拔冻土地区建成便利的公路交通系统，推动我国青藏地区经济发展和社会进步做出贡献。1.2 研究现状1995年，淮南矿业学院的杨平根据两淮地区近十个井筒的人工冻土力学试验，归纳总结出了该地区深部冻结土的强度和变形的一般特性。2001年，中科院寒区旱区环境所的李宁、程国栋、许学祖和朱元林从冻结土的宏观力学性质，正冻土中的水、热迁移理论，正冻土的水热力耦合模型四个方面分析综述了国内外冻土力学的发展历史、研究现状与我国冻土力学研究中存在的问题，并指出了我国冻土力学今后的重点研究方向。2003年，大连理工大学的刘增利和李洪升基于国家自然科学基金工程地基冻胀破坏机理及冻害预报(项目批准号:59578039)和冻土地基广义强度破坏理论及其应用研究(项目批准号:50278010)， 采用断裂力学方法对其破坏进行了研究与分析，目的建立一种新的破坏准则一广义强度破坏理论。同时对冻土进行损伤量的细微观测试分析，为后续采用损伤力学进行冻土破坏机理分析做好前期准备。2003年，兰州大学的张俊兵和林传年、中科院寒区旱区环境所的朱元林在常应变率下对饱和冻结兰州粉土(黄土)进行了单轴抗压强度试验。通过对试验资料的分析，得出了在一定条件下粉质粘土抗压强度的变化规律。次年，他们又通过对三种不同干密度的饱和冻结黏土在常应变率下做了单轴抗压强度试验,得出了饱和冻结黏土的单轴抗压强度受温度、应变率、破坏时间及干密度等因素的影响规律,并分别建立了以温度、应变率(或破坏时间)及干密度为变量的强度预报方程。2005年，东南大学的刘雨和龚维明在分析多年冻土地区桩基工作机理的基础上，结合冻土的物理力学性质及热学性质，着重对青藏高原多年冻土地区钻孔灌注桩设计中基础冻结力的形成过程、回冻过程中基桩承载力的变化规律、施工后桩周冻土的回冻规律等几个主要力学问题进行了研究。对灌注桩基础在多年冻土条件下的力学特性和工作机理进行了阐述，表明了其力学问题的差异性和特征性，提出了多年冻土中桩基的设计准则。2006年，大连理工大学的刘晓洲和李洪升从研究冻土发生脆性断裂破坏的条件出发，建立了适用于冻土自身特性的断裂破坏准则。同时，还就在冻土试验研究中从未采用过的翼型裂纹试样进行了压裂断裂韧度和压剪断裂韧度测试研究，分别得出了这两种计算模型的断裂韧度值，并分析了两者之间的关系。2006年，安徽理工大学的张照太和汪仁和以试验为基础，根据正交试验设计，对多种影响冻土力学性能的因素进行试验分析研究，进行了不同应力路径下冻土三轴强度试验，尤其是获得了卸载条件下冻土的力学性能参数。通过对冻土流变试验结果的分析，以C.C.维亚洛夫提出的冻土幂函数蠕变方程为基础，采用Mises屈服准则，对C.C.维亚洛夫方程进行修正，获得了修正的CC.维亚洛夫蠕变方程。2006年，天津市政工程设计院的张贵生、重庆交大的梁波以及兰州交大的刘德仁通过对青藏高原清水河、北麓河、安多三个典型工点,五种典型土样的室内试验,对与多年冻土冻融变形密切相关的冻土物性、力学特性进行了研究。对基本物理性质、压缩系数和强度参数进行了对比分析。2006年，东北林业大学的许净莲和贾艳敏从冻土和桩的性质入手，归纳了冻土的典型本构关系，对冻土的工程性质、桩的荷载传递机理和破坏模式进行了介绍。随后对桩土相互作用机理及桩土的应力分布进行了详细论述。2008年，兰州交通大学的孙文和吴亚平对青藏高原北麓河冻土区气候变化特点和趋势作了分析，研究了在气温变化的背景条件下，多年冻土区普通填土路基和热棒路基地温变化特点及发展趋势，进而研究了涵洞对热棒路基热稳定性的影响。2008年，吉林大学的陈义民对中俄石油管道冻土区不同土质间融沉特性进行了比较分析，并对其影响机理进行了阐述，并且参照规范中的分类标准对各类冻土的融沉性进行了分类研究，并与规范值进行了比较分析。2009年，南京林业大学的王效宾和杨平以南京地铁二号线逸仙桥站盾构出洞水平冻结加固工程为依托，应用室内实验、现场实测、理论分析和数值模拟的综合方法，对人工冻土融沉特性、冻融土体物理力学特性、人工冻土融沉对周围环境的影响规律及人工冻土融沉的防治措施进行了较系统的研究。2009年，北京交通大学的段东明和魏庆朝通过对国内外冻土湿地路基研究现状的调查分析，在查清唐古拉山北麓冻土湿地工程地质条件基础上，开展了以路基失稳发生机理和工程处理措施为核心的冻土湿地路基稳定性关键技术研究。通过高原冻土湿地路基稳定性数学模型分析、试验段实体工程冻土地温和路基变形观测和基于观测数据基础上的理论预测计算，提出了影响高原冻土湿地路基稳定性的主要因素。2009年，东北林业大学的候恩创和程培峰以哈尔滨市具有代表性的道路粘质土作为研究对象，考虑了冻融温度、冻结方式两个因素，研究了路基重塑土冻融后的物理变化特性，考虑含水量、密度、冻融周期三个因素，研究了土冻融后力学性质的变化规律。2010年，中国铁科院的杨让宏和朱本珍依托国家“十一五”科技支撑项目青藏铁路运营安全保障系统研究中“多年冻土工程检测与病害整治技术研究”课题之“多年冻土斜坡路基的稳定性评价与整治措施研究（2006BAC07B02）”子课题，重点对青藏铁路运营期间多年冻土区斜坡路堤工程结构的稳定性进行了分析和研究。在此基础上提出了多年冻土区斜坡路堤稳定性的综合分析评价方法和标准。2010年，哈尔滨工业大学的董鉴峰基于中俄石油管道电力设备项目-220kV 塔河-漠河输电线路新建工程，对取自塔河-漠河输电线路场地的 101 个原状多年冻土样本的物理力学指标（冻土密度、含水量、颗粒分析、起始冻结温度、导热系数、冻胀系数、融沉系数、单轴抗压强度）进行了测定，其次，为了模拟低温环境引进了英国原产核磁共振仪，并且自主研发了配套制冷设备，通过试验分析得到了温度对原状冻土未冻水含量的影响规律。2011年，兰州交通大学的潘艳霞和王旭对青藏铁路清水河试验段高温多年冻土地基钻孔灌注桩回冻过程的温度场进行了模拟，建立温度场计算模型，考虑了混凝土水化热的影响，对桩及桩周土进行热学分析，得到了回冻过程桩周土的温度等值线图，给出了不同深度处温度随时间变化的曲线以及温度随深度的变化曲线。在确定的温度场条件下，进行温度场与应力场的耦合计算分析，得到了冻结力随深度的变化规律。2011年，北京交通大学的施烨辉和何平在国家自然科学基金(50778012)支持下，研究分析了冻融循环作用对冻土特性的影响，开展了室内冻土动三轴试验研究，结合现场调研和观测结果，建立模型计算分析了冻融作用下路基温度、水分分布情况，并基于上述研究结果，计算分析了列车荷载和冻融循环作用对冻土路基稳定性影响。总结了冻土常用的物理力学等各项表征量，并给出这些表征量对冻土工程性质的具体影响及相关规律；提出了基于温度和含水量的路基稳定性评价方法。2011年，吉林大学的冷毅飞和孙友宏针对黑龙江地区中俄石油管道多年冻土的物理力学性质做了专门的试验研究。完成了细砾、砂土、粉土、粘性土、泥炭化粘性土和泥炭质土六种共345个土样的融沉试验，通过对大量的试验数据进行分析，提出了多年冻土融沉系数与融化压缩系数的经验确定方法，并对冻土融沉性分类做了进一步的研究。2012年，吉林大学的李长雨针对季节冻土地区的道路冻害问题，依托国家高技术研究发展计划（863 计划）项目季节冻土区路基抗冻融稳定控制技术研究，以国道 G102 线扩建为工程依托，开展了冻融循环下橡胶颗粒改良粉煤灰土的理论与应用研究。运用大量的试验手段对橡胶颗粒改良粉煤灰土的静力特性、动力特性进行了研究。2012年，吉林大学的王静和刘寒冰基于国家自然科学基金资助项目计划冻融循环后路基材料力学特性的静动参数转换理论及试验研究项目（50978117），对不同塑性指数路基土进行不同次数冻融循环，再进行静、动三轴试验，得到了压实路基土静、动力参数与冻融循环次数的关系。同时采用场发射扫描电镜（ESEM）采集不同塑性指数土，不同冻融循环次数后的压实路基土微观结构图像，然后对土各状态下颗粒及孔隙的微观结构参数进行量化统计，并且对其微观机理进行了分析。2012年，中科院寒区旱区环境工程所的刘世伟基于有关高温冻土物理力学性质研究的文献，综述了高温冻土的定义及其温度界限，同时论述了未冻水对高温冻土物理力学性质的巨大影响，并提出了一种在冻结状态下高温冻土中未冻水孔隙水压力的测试方法。1.3 依托工程概况及技术特点本研究项目拟选择G214线的姜路岭隧道和鄂拉山隧道作为依托工程，隧道所在地区属典型的高原大陆性半干旱气候类型，冬季气候寒冷漫长，多风雪，易成雪灾；夏季气候凉爽短促，雨水较充足，中高山脉终年霜雪不断，降水分布地区差异明显，随地势升高降水量增加，且降雨主要集中在59月份，气温和蒸发量随海拔高度的增加而相对下降和减少，线路区寒长暑短，四季不分明，昼夜温差大，空气稀薄，气压低含氧量少，大气含氧量比平原低40%，缺氧严重，日照充足，年平均日照率达5060%，无绝对无霜期，全年冰冻期长达7个月。姜路岭隧道冬季年最低平均气温-10.3摄氏度，最大积雪深度16cm，最大冻结深度277mm。隧址区属冰缘侵蚀中高山，地形中间高南北低，东西两侧为山脉走向峰脊，海拔高程4690米，两座隧道海拔高度在4280m以上。姜路岭隧道所处地段的的工程地质主要分布为：（1）多年冻土的融沉滑塌；主要分布在最老109国道左侧缓坡处，面积不大，仅30-70m2,长15-20m,宽10-15m有4-5处，距隧道进口山坡处100m左右，（2）涎流冰；主要分布于隧道出口左侧沟沟内， K329+920线路右侧泉水，水流量0.8-1L/s，冬季形成涎流冰。（3）在隧址区姜路岭坡麓及山间洼地处广泛分布有水草地及水草沼泽，特别是隧道进口段发育着多年冻土区冻结层上水；由冻结层上水形成的水草地及水草沼泽，其水位、含水层厚度受冻土上限控制，冻土上限埋深一般为1.6-2.2m。（4）冻土；多年冻土分布于姜路岭南北坡进出口及山顶处，为连续多年冻土区，多年冻土区上限1.6-2.2m；下限28-42m。上部多年冻土层为含亚粘土的碎石土以多冰、富冰、饱冰冻土为主，融沉类别为弱融沉、融沉、强融沉，其水平及垂向分布具不均一性。进口钻孔K329+940在3.5-7.3m处见有大量的冻结层状冰，洞身段K330+700在20-30之间见有大量的冻岩裂隙冰。冻岩进入基岩强风化层20.0-38.0m，主要分布在泥质页岩夹板岩中，冻岩节理张开裂隙内或层间的冰粒及冰晶较发育，多年冻土及冻岩对隧道洞身段影响较小（埋深大于42m），但多年冻土开挖融化后，含亚粘土的碎石土呈软塑状，强度极低，成洞极为困难。岩石冻结时强度高，开挖后冻岩融化，裂隙张开，强度降低，易风化呈碎块状。受反复冻融作用，洞身极易变形，导致侵限甚至冒顶灾害。这种灾害普遍较为难治