高温冻土物理力学特性研究现状_刘世伟.pdf

文章编号 高温冻土物理力学特性研究现状 收稿日期 修订日期 基金项目 国家自然科学基金项目 冻土工程国家重点实验室自主研究课题 资助 作者简介 刘世伟 男 河南开封人 年毕业于中原工学院 现为中国科学院寒区旱区环境与工程研究所硕士研究生 主要 从事寒区岩土工程和冻土力学等方面的研究 通讯作者 张建明 刘世伟 张建明 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 甘肃 兰州 中国科学院 研究生院 北京 摘 要 高温冻土又称近相变区冻土 通常用来描述相对较高温度的冻土 由于其温度区间处于冻土 的剧烈相变区 冻土中冰和未冻水的比例对温度的变化极其敏感 因此 高温冻土的物理力学性质具 有强烈的不稳定性 极易在温度变化的影响下发生实质性改变 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 重点从强度特征 变形特 性以及本构模型三方面对高温冻土力学特性的研究现状进行了总结和分析 并提出要进一步探究高温 冻土变形机理及本构模型 可以为高温不稳定多年冻土区各类工程的基础变形及稳定性预报 评价提 供理论基础 关键词 高温冻土 未冻水含量 孔隙水压力 物理力学特性 中图分类号 文献标识码 引言 我国境内的多年冻土主要包括青藏高原的低纬 度高海拔冻土和东北的中低纬度冻土 就其年平均 地温而言大部分属于高温冻土的范围 青藏高原多 年冻土与欧亚大陆和北美洲多年冻土相比 具有温 度高 厚度薄的特色 相对于环绕极地的高纬度 多年冻土 青藏高原多年冻土的温度相对较高 被 认为是多年冻土中的高温冻土 在一些高海拔的高 山地带也存在温度相对较高的高温冻土 例如瑞士 东部的阿尔卑斯山高山多年冻土 研究表明 全球 气候变暖已经是一个不争的事实 预计到 年 青藏高原可能很明显地变暖 气候 变化和工程作用将极大地影响多年冻土的发育和热 稳 定 性 状 况 进 而 影 响 到 区 内 工 程 的 热 稳 定 性 在气候持续变暖的背景下 青藏高原冻土 处于区域性退化趋势 由于冻土的大面积退化 高 原冻土将从目前以 占主导地位变 为 占主导地位 低温冻土逐渐演变 为高温冻土 高温冻土逐渐退化为融土 对于修筑 其上的各类线性工程及各种构筑物的工程稳定性造 成巨大威胁 因此 对高温冻土特别是物理力学性 质的研究工程意义很大 高温冻土的定义及温度界限 随着对冻土物理力学性质研究的深入 对高温 冻土的研究频频出现在有关冻土研究的文献中 并 且作为一个研究热点而被广泛接受 在文献中 高温冻土 这一名词常常用来描述相对较高温度的 冻土 被广泛接受的是 高温冻土具有较高含量的 未冻水 一般而言 高温冻土是指温度介于 的冻土 也称近相变区冻土 在英文文 献中 大 致 有 以 及 等几种说法 高温冻土作为人为分 类标准下的产物会由于界定标准的不同而具有不同 的内涵 刘永智等 提出的多年冻土温度分区 即 以天然条件下多年冻土的年平均地温 为划 分界限 低于 的为低温多年冻土区 高于 第 卷 第 期 年 月 冰 川 冻 土 的为高温多年冻土区 而在 青藏铁路多 年冻土区工程勘察暂行规定 中对高温冻土界限 划分的 标 准 为 年 平 均 地 温 不 论 是 以 还是 为划分界限都是一个人为的 模糊定性 且这一划分多用于青藏高原上的多年冻 土 是从地理学角度的划分 这种划分有很大的局 限性和狭隘性 它源自于对青藏高原多年冻土的分 类 且是以年平均地温这一普通冻土学概念为标 准 就冻土作为一种岩土材料考虑时 用力学性质 及相关的力学参数定义和划分高温冻土显得更为合 理 高温冻土 高温冻土区 高温 高含冰量冻土 及高温 高含冰量冻土区等术语在文献中被广泛使 用 但是 高温 一词没有清晰合理的根据 也没有 明确具体的定义 不同的研究者将不同温度的冻土 定义为高温冻土 等 对温度介于 的砂土的蠕变特性进行了研究 并将此温 度区 间 的 冻 土 定 义 为 高 温 冻 土 等 将 附近的 电厂基础下温度 为 的多年冻土定义为高温冻土 按照冻土为冰所胶结状态的坚硬程度将冻土 分为坚硬冻土 低温冻土 和塑性冻土 高温冻土 同时给出了划分高温冻土和低温冻土的近似温度界 限 粉 砂 亚 砂 土 亚 粘 土 粘土 高温冻土的本质是塑性 冻土 其定义不能单纯从温度的角度出发 其物理 力学性质的特殊性才是判定高温冻土的主要标准 压缩性大 未冻水含量高 相变剧烈才是高温冻土 的主 要 特 征 认 为 冻 土 温 度 变 化 时 相应的未冻水含量变化等于或大于 时对应的温度区间为剧烈相变区 此时的冻土可认 为是高温冻土 高温冻土是一种由土 冰 未冻水 和空气等多相介质组成的复合多孔材料 温度的微 小波动都会引起冻土中未冻水含量发生较大变化 从而导致冻土力学性质发生明显的变化 齐吉 琳等 曾试图通过在不同温度下应变速率和压缩 系数的变化趋势 从力学特性方面定义高温冻土的 温度界限 其应变速率定义为当温度上升到新一级 时 从其初始点沿着应变 温度曲线的切线的斜 率 通过分析 其倾向于将 作为高温冻土 的温度界限 迄今 对于高温冻土的认识已经较为 成熟 但对其定义的方式和角度还未得到广泛共 识 如何合理的界定高温冻土仍需进一步研究 高温冻土中的未冻水 从冻土的物理性质出发 冻土被认为是一种多 相体系 包括固相土颗粒 冰相孔隙冰 液相未冻 水和气相 众所周知 标准大气压下自由水的冻结 温度是 而冻土中的孔隙水因其与土颗粒表面 的相互作用以及水中含有某种数量的盐分 其冻结 温度低于 当温度降至 以下时 土孔隙中 的水仅部分相变成冰 由于冰的形成增强了土颗粒 间的胶结力从而使得冻土的强度增强 然而 即使 温度低于相变点 孔隙中仍然有一部分水保持液态 而成为未冻水 对于细颗粒土 即使在很低的 负温下 土中仍由大量的未冻水以薄膜 水的形式包裹在土颗粒表面 土的比表面积越大 黏附在颗粒表面的未冻水越多 此外 在淤泥土中 由于孔隙相对较小 在冰点以下 未冻水含量相对 较大 在 下淤泥土中未冻水含量超过初始 含水量的一半 未冻水即使在低温下仍然大量存在 且随着温度的升高含量逐渐增大的趋势已被很多学 者所证实 冻土中未冻水含量主要取决于三 大因素 土质 包括土的粒度成分 矿物成分 分散 度 含水量 密度 水溶液的成分和浓度 外界条 件 包括温度和压力 以及冻融历史 冻土中未 冻水含量与温度有着密切的动态平衡关系 即随着 温度的升高 未冻水含量增加 反之亦然 因此 高温冻土的未冻水含量较高 且未冻水含量随温度 变化在高温区间 非常剧烈 即使 温度的微小改变也会引起未冻水含量的大幅变化 高温冻土实质上处于一种冰 水 土 气混合体的 状态 而冰 水处于一种敏感的过渡区 外界的轻 微扰动都会造成冰 水之间的相互转换 当未冻水 含量远远大于冰含量时 其接近于融化状态 而当 含冰量大于未冻水含量时 基本处于冻结状态 此 时未冻水含量的多寡决定了冻土的强度和变形性 质 当冻土中形成不同的冰组构时 又会造成不同 的力学性质 徐敩祖等 通过试验回归得到未冻 水含量与负温绝对值之间存在指数关系 可用下式 表达 式中 为 未 冻 水 含 量 为 负 温 绝 对 值 和 为与土质因素有关的经验参数 在任何分散性冻土中 甚至在很低的温度下 至少在 以内 都经常含有一定数量的液态 水 更何况是高温冻土 其中未冻水含量的量级 更为可观 从而使得高温冻土的物理力学性质介于 冻土和融土之间 在融土中广泛应用的太沙基固结 理论和毕奥固结理论在高温冻土中是否适用还有待 期 刘世伟等 高温冻土物理力学特性研究现状 探讨 太沙基固结理论基于小变形 压缩系数和渗 透系数均为常数的假设 而对于高温冻土由于其 塑性较高而引起大变形 且压缩系数对温度变化很 敏感 温度的微小波动会引起压缩系数的较大变 化 因此 高温冻土不能完全满足太沙基固结理论 的假设 等 从理论创立到试验验 证对融 化 固 结 理 论 做 了 大 量 研 究 工 作 等 基于 等的一维大变形固结理论 建立 了一维大变形融化固结理论 高温冻土虽然处于冻 结状态 但由于具有较高的未冻水含量 在附加应 力的作用下 会不会产生孔隙水压力以及孔隙水压 力如何消散是个重要的研究方向 它对认清高温冻 土的变形机理有着重要作用 同时 在冻土水 热 力三场耦合的理论中 水分迁移规律较多采用了 未冻水渗流服从达西定律的假设 达西定理 中的压力梯度是渗流产生的驱动力 然而冻土中未 冻水分迁移的驱动力是什么尚未达成共识 人为将 其假设为达西定理中压力梯度的合理与否还有待商 榷 如若能从试验中测得孔隙水压力及其变化规律 将对此假设的合理性提供佐证 因此 在冻结状态 下如何测定高温冻土压缩变形过程中的孔隙水压力 及其消散规律显得尤为重要 通过冻结 试验在无外载无约束的土样中测得负孔隙水压力与 负温的关系 温度越低负压越大且饱和土样中的未 冻水在孔压梯度下可以自由迁移 等 研究了正冻土中冻胀力和孔隙水压力的变化 采用 实验的方法测得了孔隙水压力下降值 验证了理论 公式的正确性 等 研究了一些土的土 水特征曲线和土冻结特征曲线 并在 的高温区间内开展试验并证实了其预测方法的可行 性 等 设计了一套可以测得单向冻结 过程中孔隙水压力的试验装置 通过细颗粒土的冻 结试验得出 最大孔隙水压力近似等于超载压力且 孔隙水压力的峰值与温度的升高密切相关 等 设计试验测得了冻结缘中孔隙水压力的变 化并研究了冻结缘中孔隙水压力和有效应力的变化 规律 试验中一个重大发现就是利用孔隙水压力计 测得了冻结缘中孔压的明显降低 并认为冻结缘中 孔隙水压力的降低是分凝冰形成的驱动力 等 采用重塑细颗粒土在室内开展了温度 和冻融循环对超孔隙水压力影响的研究试验 发 现 在近相变区 冻土中超孔隙水 压力的变化剧烈 并将土动力学性质的转折性变化 归因于未冻水的变化 同时以 为目标温度 研究了在不同的温度路径下冻融循环对超孔隙水压 力的影响 正是由于未冻水的大量存在 使得高温 冻土的物理力学性质显得极为特殊 现有的很多理 论 适用于融土和低温冻土 不能很好的解释和解决 高温冻土的相关问题 因此 对高温冻土的研究已 成为衔接融土与低温冻土的桥梁 对于这种处于过 渡段的灰色地带 需要新的理论和方法的引入 高温冻土的力学性质 高温冻土的强度特征 高温冻土的力学性质包括高温冻土的强度特 征 变形特性及其本构模型 关于高温冻土的研 究 国外早在 世纪 年代就开始了这方面的工 作 主要是通过室内试验且集中于高含冰量冻土方 面 国内对高温冻土的研究开展相对较晚且 主要集中在青藏高原上的高温冻土 在冻土力学发 展的早期 冻土的研究大多在负温很低的条件下进 行 处于冻结状态的土体具有很高的瞬时强度 因 此 低温下的冻土在某些方面具有类似软岩的性 质 冻土的瞬时强度远远高于其长期强度 特别是 砂土的瞬时强度很大 在低温时可与半坚硬岩石相 媲美 冻土的强度是由土颗粒与冰的结合强度 所决定的 而对于高温冻土 其中的未冻水含量也 对冻土强度有重大影响 由于冻土中赋存有冰包裹 体 实际上任何数值的荷载都将导致冰的塑性流动 和冰晶的重新定向 与此同时 由于冻土中未冻的 粘滞性水膜的存在 导致了冻土在施加任意附加荷 载时都会产生蠕变 与蠕变过程相关的另一个流变 过程 即随着荷载作用时间的增加 冻土的长期强 度也逐渐降低 相比较而言 冻土长期强度的工程 意义更大 冻土蠕变及强度性能是冻土力学最重要 的内容之一 它是寒区工程建设中地基和基础设计 的基本依据 通过大量冻土单轴抗 压强度的实验发现 冻土单轴抗压强度随温度的降 低而增加 等 则表明二者之间存在幂函数 关系 马巍等 利用 手段观测并分析冻土三轴 压缩蠕变过程中结构的变化情况 研究了温度和围 压对蠕变强度的影响 得出了蠕变强度随时间降低 的方程式和抛物型屈服准则 吴紫汪等 通过大 量的室内外试验发现温度与冻土强度可用线性关系 预报 马巍等 系统地进行了高围压作用下冻 结砂土和冻结粉质粘土的强度试验研究 发现 围 压的作用可导致这两种土的强度弱化 并分析了它 们之间弱化机理的差别 虽然对冻土强度的研究已 冰 川 冻 土 卷 取得丰硕的成果 但大多研究都集中在低温冻土的 特性 而对高温冻土特别是温度接近 的冻土研 究甚少 徐敩祖等 曾指出 在天然地层中温度接 近 处于剧烈相变区的冻土 其温度微小的 波动就会导致其强度和变形的实质性变化 因此 对高温冻土力学性质的研究也越来越受到重视 吴 紫汪曾就冻土的破坏形式指出 低温冻土多呈脆性 破坏 高温冻土呈塑性破坏 这在高温 高含冰 量冻结粘土的单轴和三轴实验结果 中得到了证 实 赖远明等 通过试验探讨了 下的高温 冻结砂土的偏应力随含水率的增加而明显增大的现 象 并得出 高温 高含水率冻结砂土 的三轴应力大部分由粘聚力承担而内摩擦力在强度 中起的作用较小 马小杰等 在室内开展了高温 高含冰量冻土的强度及蠕变试验研究 在不同的 高 温 条 件 下进行了单轴抗压强度试验 发现 高温 高含冰量冻土的应力 应变曲线为应变硬化型 且以塑性破坏为主 当温度低于 时 高温 冻土存在最不利含水量 该值随温度降低而增大 当温度高于 时 高含冰量冻土随含水量的 增大 单轴抗压强度增大 高温冻土随着温度升 高 强度减小 这是由于冻土的力学性质很大程度 上取决于温度 随着温度的升高 冰胶结物的联结 削弱 未冻水含量增加 水薄膜厚度变大 冰胶结 物本身的强度减小 其解释大多从未冻水含量变化 及冰胶结的角度考察 认为由于温度升高 未冻水 含量增大 使得冻土塑性变形增大 工程施工中大 多利用低温冻土的高强度来做支护结构 例如人工 冻结法施工 而对高温冻土强度的研究目前还不多 见 但是随着冻土力学的发展和工程建设的需求 对高温冻土的强度研究已不容回避 高温冻土的变形特性 国内外有关冻土路基变形的现场实测资料表 明 即使在路基下多年冻土不发生融化的情况下 地温年变化深度范围内的多年冻土层也会因路基填 土及行车荷载的作用而产生较大的压缩变形量 尤 其是在高温 高含冰量冻土及路堤较高地段 路基 沉降变形具有可观的量级 可见 高温冻土在 荷载作用下具有相当高的压缩性 这一结论早已于 年由 崔托维奇通过试验指出 变形是评 价和预测冻土地基稳定性的根本指标 其主要包 括 活动层的冻胀 融沉变形和下伏冻土层的变 形 下伏冻土层变形包括与活动层相接处高温冻土 层的压缩变形和下部低温冻土层的蠕变变形 张建 明等 认为在多年冻土区计算路基沉降变形时 应将路基下形成的高温冻土引起的压缩变形考虑在 内 并给出了计算高温冻土变形的公式 式中 为冻土因温度升高引起的压缩系数的变 化 为高温冻土层厚度 为高温冻土层所受压 力 此种计算方法比较简单直观却无法反映高温冻 土的变形机理 虽然高温冻土引起的沉降变形远远 小于冻土的融沉变形 但是由于高温冻土的变形稳 定需要较长时间 因此对青藏铁路和其它寒区工程 的长期稳定性有很大影响 有关冻土融沉变形的理 论已经相当成熟 早期学者 和 使用小变形固结理论方法得到了冻土单向融 化固结的解析解 当土体变形过大时 小变形理 论会出现不可避免的预测误差 为了更为精确的预 测大变形条件下土体的变形 大变形融化固结理论 也得很好的发展 姚晓亮 基于现时构形的三维 大变形融化固结理论和考虑冻土相变的热传导方程 得到适用于复杂边界问题的三维大变形融化固结理 论 然而 有关高温冻土变形机理的研究并不多 见 由于高温冻土物理力学性质的易变性和突变 性 其在冻土力学研究领域一直被设置为 难点 问 题土 高温冻土的变形机理到底是蠕变还是 固结 至今尚无定论 高温冻土的压缩变形是一种 非常复杂的物理 力学过程 这种过程受其所有成 分 气体 液体 未冻水 粘塑性体 冰 及固体 矿物 颗 粒 的 变 形 性 及 迁 移 作 用 控 制 朱 元 林 等 开展了系统的室内侧限压缩试验研究 在 的范围内 研究了冻土的弹性变形及压 缩变形 在温度为 和 的条件下测定了不同土质的弹性模量 同 时研究了其压缩变形过程 发现 无论对冻结粘土 还是冻结砂土 压缩系数随温度的变化在 高温 区 间 非常剧烈 即使负温的微小变 化也会引起压缩系数的大幅度变化 温度是影响压 缩系数的主要因素 朱元林等 曾对青藏高原地 下冰开展现场蠕变试验研究 认为当应力大于 时 温度高于 的地下冰及含土冰层总 是发生非衰减型蠕变 覃英宏等 通过对青藏铁 路高温冻土区的沉降资料分析与理论计算 证实了 高温冻土层的蠕变稳定需较长时间 并预测了含水 期 刘世伟等 高温冻土物理力学特性研究现状 量为 温度为 的高温冻土层的蠕 变稳定时间需要 郑波等 通过室内高温 含 冰 量 冻 土 的 恒 载 变 温 实 验 研 究 发 现 在 条件下 冻土的压缩量相对较 大 且在 两级温度荷载下的压 缩量占总压缩量的 压缩系数随温度的升高而 显著增大 温度是影响冻土压缩系数的主要因素 其变化规律可近似地用指数方程描述 式中 为负温绝对值 和 为试验参数 主 要取决于土质 含水量及压力等 恒载变温试验较常规的恒温变载试验更符合工 程实际 在全球升温及人类工程活动的双重作用 下 路基下多年冻土的温度普遍升高 其压缩过程 实际上是一个恒载变温过程 马小杰等 通过对 青藏铁路北麓河试验段冻土的钻孔旁压实验研究 得出对于冻结粘土 富冰冻土和饱冰冻土的剪切模 量对 温 度 变 化 的 敏 感 性 高 于 含 土 冰 层 施 烨 辉 等 采用青藏铁路北麓河试验段的粉质粘土 在 动三轴试验机上进行了温度为 和 下的动荷载试验研究 发现 的冻土在振动过程中阻尼比随着围压呈波 动上升趋势 在 以上冻土体弹性模量与温 度的关系相对比较复杂 并认为 时 冻土 动力学性质改变比较快 对 以上的冻土即 高温冻土还需要做更多的研究 等 综合了 路基变形现场观测资料和数值模拟结果得出 青藏 铁路即使在路基下多年冻土上限有所抬高的情况下 还存在较大沉降变形 这一变形主要来自原天然冻 土上限以下高温高含冰量冻土的蠕变变形 同时 认为路堤高度越大 高温 高含冰量冻土层厚度越 大 升温幅度越大 则路基的沉降变形越大 综上 可知 目前对于高温冻土变形的研究内容还不够丰 富 其变形机理还未能达成共识 然而 高温冻土 变形对多年冻土区各类构筑物的长期稳定性的威胁 亟待解决 因此 为了确保高温冻土区建筑物及各 类线性工程地基基础的稳定性 并为该地区各种工 程设施的设计和维护提供科学依据 开展高温冻土 变形机理的试验研究是冻土力学与寒区工程实践中 亟待解决的问题 研究高温冻土的变形特性及其随 时间的发展过程 不仅对工程建设具有重要的现实 意义 而且对于促进冻土变形理论的发展具有重要 的学术价值 高温冻土的本构模型 材料的本构关系是反映材料的力学性质的数学 表达式 其形式一般包含 应力 应变 强度 时 间 冻土作为一种特殊的岩土材料 由于组分中冰 及大量未冻水的存在 呈现出显著的流变性 其被 广泛接受的变形模型是基于粘塑性硬化理论的流变 模型 冻土由于对温度极为敏感 在其本构模型 中应充分考虑温度的影响 因此 冻土本构模型的 建立相当困难 高温冻土由于温度区间处于剧烈相 变区 其极为特殊性的物理力学性质使得构建其本 构模型更为艰巨 尽管如此 许多学者还是在这些 方面进行了大量地探索 从早期 的幂函数 单轴应力 应变关系 到蔡中民等 提出的粘弹 塑本构方程 再到苗天德等 借鉴损伤理论从微 观机理出发的损伤本构模型 冻土本构模型的发展 可谓硕果累累 而专门构建适用于高温冻土本构模 型的研究文献相对较少 高志华等 为了研究高 温 高 含 冰 量 冻 土 的 动 力 学 特 性 在 温 度 为 下开展了 青藏重塑粘土的动三轴试验 提出了用广义的双曲 线模型来描述动应力 应变关系 并且给出了模型 参数预报关系式 但是 从其结论中无法看出高温 冻土 与低温冻土 在应力 应变关系及模型参数预测方法 上的差别 体现不出高温冻土区别于低温冻土的特 殊性 赖远明等 和李双洋等 认为 对于高温 冻土来说 即使在土温相同的条件下 由于冻结过 程中外界因素的影响 其内部结构的差异性很大 造成了各种力学指标呈现出很强的不确定性和随机 性 因而使得高温冻土的力学性质具有很强的离散 性 传统的确定性本构关系已不能很好地反映这一 特征 从而建立了高温冻土单轴压缩的随机损伤本 构模型 同时发现了正态及对数正态分布能较好地 反 映 高 温 冻 土 的 弹 性 模 量 概 率 分 布 规 律 而 分布能很好的反映高温冻土的强度分布规 律 李清泽等 通过高温条件下 的三轴 试验发现 高温冻土的应力 应变曲线具有明显的 离散性和随机性 且应变越大 离散性越大 并引 进 破坏准则提出了高温冻土损伤 本构模型 随着统计损伤理论引入高温冻土研究 对高温冻土的认识水平也不断提高 高温冻土实际 上并不是完全弹性体 将其作为弹塑性体研究与实 际更为接近 同时却会增加问题的复杂性 等 通过现场实测资料和室内试验资料的分析 冰 川 冻 土 卷 得出了高温高含冰量冻土对荷载和温度升高都极为 敏感的结论 等 对瑞士东部的阿尔 卑斯山高山冻土的原状样开展了大量蠕变试验研 究 讨论了近相变区高含冰量冻土 高温冻土 有关 蠕变应变率及残余强度的简单关系 并对 型 蠕变模型及其相关参数进行了合理修正 得出了适 用于温度为 且应力不变量小于 条件下的蠕变模型 式中 为蠕变应变率 为负温的绝对值 为体积含冰量 为应力不变量 三轴条件 下为 槡 等 在研究人工冻 结土的力学性质时 针对高温高含冰量冻土并基于 微观力学发展了一个既能预报相变膨胀又能预报饱 和冻土粘弹性性质发展的模型 首次将 方程引入多晶冰的蠕变研究 此方程经 常被用于描述温度对蠕变的影响 然而 一些研究 认为在温度为 时 使用 方程 经验性地描述蠕变与温度的依存关系是一种误导 等 评价了速率过程理论 在冻结细 砂中的适用性 得出 温度在 之间 速率过程理论失效 由此可见 很多理论及模型只 适用于负温较低的冻土 当温度较高特别是接近相 变温度时不能很好地描述和解释冻土力学性质的变 化规律 含量相对较高的未冻水被认为起着重要的 作用 但是未冻水变化与力学性质变化之间的影响 机理尚不清楚 传统的冻土本构模型大多借助于固 体力学或材料力学中的蠕变理论和损伤理论 当负 温很低的情况下冻土性质更接近于固体材料 此 时 这种模型与现实材料的相符度较高 然而 高 温冻土由于大量未冻水的存在 其各项物理力学性 质更倾向于融土 基于土的本质是散体材料的集合 体 尝试采用土力学中经典的固结理论来解释高温 冻土的变形机理是一个有趣的方向 由此而建立的 模型应更为合理 虽然关于高温冻土的物理力学性 质在国内外都进行了不同程度的研究 但是对于高 温冻土强度特征 变形机理及其本构关系的认识尚 处于初级阶段 已有的试验方法及相关规范标准是 否能适用于高温冻土还需要进行大量的探索 证 实 因此 系统而深入地研究这方面的问题无论从 工程角度还是理论创新上都有着重要意义 讨论 通过以上讨论 高温冻土的定义及其界定标准 需要进一步探讨 研究 力争从高温冻土作为工程 材料的角度出发 采用相应的力学性质及其指标作 为界定标准 给高温冻土下一个明晰的定义 这样 对高温冻土力学特性的研究有重要意义 在土力学 中 压缩系数作为评价土压缩变形特性的重要指 标 通过试验测得不同负温条件下冻土的压缩系 数 进而探寻压缩系数发生突变时所对应的负温 值 依此作为高温冻土和低温冻土的温度分界点 同时要综合考虑土的类别和未冻水含量随负温变化 的拐点位置 高温冻土中孔隙水压力的量测是目前需要解决 的关键技术问题 高温冻土具有较高含量的未冻 水 这是造成高温冻土物理力学性质非常特殊的重 要原因 高温冻土虽然处于冻结状态 但由于具有 较高的未冻水含量 其在附加应力的作用下 会不 会产生超孔隙水压力以及孔隙水压力如何消散是一 个重要的研究方向 它对认清高温冻土的变形机理 有着重要作用 由于颗粒表面能的作用 使得冻土 中水分以液态水膜的形式赋存于土颗粒表面及土颗 粒与冰之间的孔隙之中 此液态水只能存在于冻土 孔隙中 一旦排出土体立即冻结成冰 因此 如何 巧妙地将冻土中的孔隙水压力传递出来以便量测是 解决此问题的一个切入点 笔者认为可以采用微小 探头刺入式孔隙水压力计来量测高温冻土中的孔 压 需要研制一种体积较小的针状探头刺入冻土试 样中 在刺入前对探头采用合适的不冻液进行有效 饱和 使得不冻液起到传压媒介的作用 这种不冻 液体需要满足 负温下不冻结 难溶于水且粘度和 水相似 然而 这种方法的可行性及实用性还需要 进一步的实践检验 应当认识到 高温冻土中孔隙 水压力测量已不是一个科学问题而是个技术难关 试验测试技术的滞后已成为制约冻土力学向前发展 的瓶颈 因此 试验测试技术上的创新和研发将会 大力推动冻土力学的进步 高温冻土变形机理及其本构模型的研究是目前 冻土工程学研究的重点课题之一 高温冻土由于大 量未冻水的存在 其各项物理力学性质倾向于融 土 基于土的本质是散体材料的集合体 尝试采用 土力学中经典的固结理论来解释高温冻土的变形机 理是一个有趣的方向 研究高温冻土变形机理及本 构模型可为多年冻土区 尤其是高温 高含冰量不 期 刘世伟等 高温冻土物理力学特性研究现状 稳定多年冻土区各类工程基础的变形及稳定性预 报 评价提供理论基础 因此 系统而深入地开展 高温冻土物理力学性质的研究意义重大 参考文献 童伯 良 李树德 青藏高原多年冻土的某些特征及其影响因素 青藏冻土研究论文集 北京 科学出版社 秦大河 中国西部 环境演变评估 北京 科学出版社 王绍令 赵秀峰 郭东信 等 青藏高 原冻土对气候变化的响应 冰川冻土 增刊 李述训 程国 栋 郭东信 气候持续变暖条件下 青藏高原多年冻土变化 趋势数值模拟 中国科学 辑 地球科学 齐吉琳 张 建明 姚晓亮 等 多年冻土地区构筑物沉降变形分析 岩土力学 增刊 刘永智 吴青 柏 张建明 等 青藏高原多年冻土地区公路路基温度场现 场试验研究 公路 铁道第一勘察设 计院 青藏铁路多年冻土区工程勘察暂行规定 兰州 铁 道第一勘察设计院 崔托维奇著 冻土力学 张长 庆 朱元林译 北京 科学出版社 赖远 明 李双洋 高志华 等 高温冻结粘土单轴随机损伤本构模 型及强度分布规律 冰川冻土 徐敩祖 王家澄 张立新 冻土物理学 北京 科学出版社