我国高温高含冰量冻土力学特性研究现状

．２０

全国中文核心期刊路基工程

２００８年第６期（总第１４１期）

我国高温一高含冰量冻土力学特性研究现状木

马小杰

（浙江建设职业技术学院浙江杭州

摘要

３１

张生军任君妃

１２３１）（浙江润都建筑工程有限公司）

阐明了高温一高合冰量冻土力学特性研究的重大理论和现实意义，归纳总结了高温一高

含冰量冻土力学特性研究的现状。

关键词高温一高含冰量冻土力学特性强度蠕变

１

力学特性研究的意义

１．１现实意义

青藏铁路二期工程，从格尔木到拉萨长１１１８

ｋｍ；穿越连续多年冻土区５５０ｋｍ，不连续多年冻土区８２ｋｍ。其中有２７５ｋｍ处于高温冻土区（年平均地温高于一１．０℃），有２２１ｋｍ通过高含冰量冻土区（体积含冰量大于２０％）…矗“，高温高含冰量重叠路段１３４ｋｍ，这对青藏铁路路基的稳定性构成了极大威胁。如何保证既是高温又是高含冰量冻土地区铁路路基的稳定性已成为当前面临的最大挑战。根据青藏铁路、青藏公路及青康公路的实践经验，青藏铁路面临的主要问题是高温、高含冰量冻土地区路基稳定性及全球升温对冻土路基稳定性的影响¨ ，铁道部曾经组织有关单位在青藏铁路沿线清水河高温冻土段、北麓河厚层地下冰段以及沱沱河融区与多年冻土过渡段，开展了大规模的冻土路基试验工程研究ｐｏ。中国科学院也启动了知识创新工程重大项目“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”，对有关问题进行了深入研究一１。项目主管程国栋院士指出：高温、高含冰量冻土加全球气候转暖使青藏高原铁路的修筑面

木浙江建设职业技术学院科研课题（２００６０８），中国科学院寒区旱区环境与工程研究所创新课题（２００４１０４）。马小杰，男，助教，硕士。

临严峻的挑战。

青藏铁路成败的关键在路基工程，路基工程成败的关键在冻土，冻土的关键问题是融沉。设计部门出于保护多年冻土、有效预防融沉的考虑，普遍采用了加高路堤的工程措施；然而，由此带来的后果是虽然路基下多年冻土上限有所上升，但多年冻土层的温度却普遍升高，路基变形量持续增大，变形量已经达到了比较可观的量级，而且变形速率没有明显的衰减趋势。

由此可见，系统开展高温、高含冰量冻土的力学特性研究，揭示高含冰量冻土在高温剧烈相变区的力学特征，获取反映其力学特性的基本参数，对青藏铁路的路基沉降变形预测与维护，具有非常重要的现实

指导意义。１．２理论意义

早在冻土力学研究的初期，前苏联著名冻土学家崔托维奇¨ 就曾经指出：当利用冻土作为各类建筑物的地基和介质时，最重要的是一开始就要确定它按其含冰量和物理状态应属于哪一类。并提出按冻土的体积含冰量可将其分为：富冰冻土（大于５０％）、含冰冻土（２５％一５０％）、微含冰冻土（小于２５％）；按冻土的物理状态可将其分为：坚硬冻土（低温冻土）、塑性冻土（高温冻土），同时给出了划分高温冻土与低温冻土的近似温度界限为：粉砂一０．３℃、

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实度均１＞０．８７，满足要求。

（１）机场飞行区升降带各取样点附近土体的密（２）机场飞行区升降带各取样点附近土体的承载力特征值大小有差异，丽端高，为３００～４００ｋＰａ；西侧较高，为１７０～１９０ｋＰａ；东侧偏低，约为１１０

ｋＰａ。承载力满足要求。

图２承载力特征值柱状图

值超过６００ｋＰａ。２００５年承载力特征值偏低的主要原

（３）根据直剪试验和固结试验结果，机场飞行区升降带各取样点土体的抗剪强度均较高，满足抗断裂要求。

（４）机场跑道在飞机循环冲击荷载的作用下，各项指标均满足控制标准，能够保证机场的安全运营。

参考文献：

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收稿日期：２００７—１０一ｌｌ

因是雨季地下水位较高，填土被长期浸泡所致，其中３号样的承载力特征值是采用２００３年的值。

分析说明，无论是室内试验指标，还是现场原位测试指标及通过计算得到的指标，填土均满足要求。４结语

马小杰等：我国高温一高含冰量冻土力学特性研究现状

２ｌ

亚砂一０．６℃、亚粘土一１．０℃、粘土一１．５ｏＣ。并且明确指出：所有负温值高于坚硬冻结状态之特征值的高温冻结粘土和亚粘土均属塑性冻土，这类土甚至在保持其冻结状态时都可能使地基基础产生明显的沉降。随后又特别指出：迄今为止，在工程师中普遍认为处于负温状态的冻土地基在压力作用下是不可压缩体。但是，这种观点只对低温冻土才大体适用，而对高温冻土则是不正确的。崔托维奇的研究结果表明，高温冻土的压缩作用是一种非常复杂的物理、力学过程，这种过程受其所有成分的变形性质及迁移作用控制，由于问题的复杂性，目前还没有得出预报冻土渗透迁移变形随时间变化的计算方法，因此在预报位于高温冻土上建筑物的沉降时，仅限于根据冻土的总相对压缩系数、一定的外荷载以及有效的压缩层厚度来确定总的压密（固结）沉降量，而无法将它分解为渗透迁移变形（初固结）及衰减蠕变变形（次固结）两部分。维亚洛夫旧１指出温度对冻土力学性质具有巨大影响，在自然地层中接近于０ｏＣ的冻土并处于剧烈相变区，土体温度的不大改变就会导致其的变形及强度实质性变化。

由此可见，系统地开展高温、高含冰量冻土的力学特性试验研究，揭示高含冰量冻土在高温剧烈相变区的力学特征和参数，对于促进冻土强度及流变学理论的发展具有十分重要的理论价值。

２研究现状

为了保证多年冻土地区建筑物地基基础的稳定性，我国冻土学者对冻土力学性质的研究付出了坚持不懈的努力。但由于受当时试验条件所限，加之问题本身的复杂性，大量的试验均在较低的温度条件下进行，对高温、高含冰量冻土，尤其是温度接近０℃的冻土研究甚少。根据掌握的文献资料，主要有以下几个方面的工作：

朱元林川曾经对青藏高原风火山亚粘土及兰州中砂在冻结（一０．３一一０．７℃）状态下的压缩性进行了试验研究，结果表明：温度是影响冻土压缩系数的主要因素，冻土的相对压缩系数随温度的升高而增大。特别值得注意的是，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（０一一１．０ｏＣ）非常剧烈，即使负温的微小变化也会引起压缩系数的大辐度变化，高温冻土的压缩系数具有可观的量级。

吴紫汪哺１通过大量的试验研究发现，水分对冻土的流变性具有重要影响。冻土蠕变一般有衰减型和非衰减型两种，除应力大小的影响外，水分是一个重要的因素。当冻土中含水（冰）量超过一定数量时，即使在较小荷载下亦属非衰减型蠕变，多年冻土地区地下冰在不同荷载下均发生非衰减型蠕变。朱元林一’曾对青藏高原地下冰开展现场蠕变试验研究，得出结论：当应力大于０．０７ＭＰａ、温度高于一０．４０℃时，地下冰（含冰量８０％～９０％）总是发生非衰减型蠕变，高温、高含冰量冻土的长期强度很小。

为科学预测青藏铁路路基沉降变形，马小

杰¨则叫１２１对高温一高含冰量冻结粘土进行了比较系统的室内外试验研究，主要工作如下。

（１）开展了高温一高含冰量冻土室内单轴压缩试验，研究了高温一高含冰量冻土强度特征与温度、含水量之间的关系。

（２）开展了高温一高含冰量冻土室内蠕变试验，系统研究高含冰量冻土在高温条件下的流变特性，建立了冻土变形模型，确定了相应参数。

（３）应用钻孔旁压仪在高温一高含冰量冻土路基段开展原位旁压试验，确定了高温一高含冰量多年冻土强度、剪切模量与温度、含水量之间的关系，确定了路基对下部高温一高含冰量多年冻土强度、剪切模量的影响程度。

（４）应用钻孔旁压仪在高温一高含冰量冻土路基段开展原位旁压蠕变试验，查明高温一高含冰量多年冻土的流变特性，确定蠕变参数及温度和含水量对其的影响程度。

（５）应用核磁共振仪，测定高温一高含冰量冻土中未冻水含量，研究高温一高含冰量冻土未冻水含量与温度、含水量之间的关系；查明高温一高含冰量冻土强度及蠕变特性与低温冻土或低含冰量冻土不同

的原因。３结语

通过广大学者的努力，我国已在高温一高含冰量冻土力学特性研究方面取得了丰硕的成果；但是，高温一高含冰量冻土在低应力状态下的长期蠕变特性及高含冰量冻土在高温状态下的水分迁移等问题还有待深入研究，且与青藏铁路路基沉降变形精确预测的要求还存在一定差距，因此，尚需广大冻土工程界共同努力，不断探索。参考文献：

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