土体冻结和冻胀研究的新进展——“国际地层冻结和冻结作用研讨会”论文综述

１９９７年４月１５～１７日在瑞典吕勒奥工学院召开了“国际地层冻结和冻结作用研讨会”。会议共发表论文８２篇，涉及７个专题：ＩＳＳＭＦＥ工作组报告、正冻正融土岩中的热质迁移、冻结敏感性和冻胀、已冻已融和正融土岩的力学性质、环境土冻结、工程设计和工程实例。文章主要论述土体冻结和冻胀研究的新进展。     

冻结缘和冻胀模型的研究现状与进展

为加深对冻胀机理的了解,首先研究与未冻水迁移密切相关的冻结缘是十分必要的。文章综述了冻结缘的微结构特征和冻结缘的特征参数（包括未冻水含量、导湿系数和冰、水相压力）。然后概述了各类冻预报模型的发展方向,并提出冻结缘和冻胀模型研究领域的工作重点是：继续加强冻胀机理的研究,深入测定冻结缘的特征参数和建立健全冻胀预报模型的综合评价。     

基于不同冻结试验模式分析控制冻胀规律

对冻结技术应用中冻胀控制这一重要课题．通过试验比较了控制冻深的间歇冻结模式与传统连续冻结模式的冻胀量差异．试验结果表明：控制冻深的间歇冻结模式冻胀量为连续冻结模式的48．8％,其等效条件下的冻胀量约为连续冻结模式的71．2％,冻胀部分得到控制。针对该间歇冻结模式控制冻胀的规律,提出末透镜体层为冻胀控制的关键透镜体层。通过对试验的定性分析．指出控制冻深的间歇冻结模式在间歇段能够促使末透镜体分凝温度升高,形成速度减缓,继而出现停止形成的阶段,控制冻胀。分析指出控制冻深的间歇冻结模式是工程唯一可用的冻胀控制的冻结模式,且该模式较传统连续冻结模式更为经济。     

青藏粉土单向冻结冻胀率变化特性研究

开展了饱和青藏粉土在开放系统不同温度梯度条件下的单向冻结试验,对冻结过程中冻结深度和冻胀速率的发展变化过程进行了研究.结果表明：不同顶板温度下,土样均在25 h左右达到冻结稳定状态,之后冻结深度基本不再发生变化.土样冻结过程中,冻胀速率表现为快速减小、较小值保持稳定、快速增大、较大值保持稳定四个阶段.基于以上试验结果,对土样冻结过程中冻胀率的变化过程进行了研究,发现冻胀率随冻结深度的增加先减小后增加,冻胀率从减小变为增大的时刻就是冻结深度趋于稳定的时刻,而冻胀率快速增大的时刻为冻胀速率进入较大值保持阶段的时刻.冻胀率变化的内在机理为土样冻结过程中由冰透镜体分凝所导致的未冻区固结和已冻区冻胀共同作用的结果.     

一种考虑显热和潜热双重效应的冻土比热计算方法

对土在冻结过程中孔隙水的相态演变过程进行了分析,并在研究显热、潜热物理本质的基础上,将冻土进一步划分为冻结土和冻实土。根据潜热的物理意义指出,随土温从一般地温逐渐降低至较大负温,土的比热应该分段计算,即分为融土阶段、冻结阶段和冻实阶段。在融土阶段,孔隙水始终为液态;在冻结阶段,存在可以进一步冻结为冰的液态水;在冻实阶段,不再存在进一步可能冻结为冰的液态水。因此,冻结土的进一步降温将同时伴有显热释放和潜热释放。而在冻实土中,进一步的降温只伴有显热释放。在此基础上,基于混合物比热容的加权叠加法则,研究了冻土的比热构成,给出了涵盖潜热的冻土比热计算方法。     

正冻土中冰透镜体形成力学判据的分析讨论

冻结缘是正冻土中从未冻区向冻结区过渡、并且非常薄的冰水共存带. 由于冻结缘在正冻土中位置的特殊性和其对冻胀的重要性, 从其概念的提出并在试验中得到证实后, 基于冻结缘的第二冻胀理论得到了快速发展. 通过分析近些年冻结缘的研究现状及冻结缘内冰-水压力关系基本可以发现, 由于受到现有观测和测试技术的限制, 描述冻结缘的很多参数大多来自于经验. 土体在冻结过程中, 在温度梯度小的情况下, 可以形成不连续的多层分凝冰. 只有了解冻结缘的特性才能更深刻了解分凝冻胀. 但关于分凝冰的形成判据却有很多种, 主要分为两类:一类是以热物理方面作为判据; 另一类是以力学方面作为判据. 通过对分凝冰形成的各种判据的综合分析和比较, 发现用冰压力和未冻水膜压力判断分凝冰形成是比较合理的, 而用孔隙压力则因为水压力概念的不清而显得模糊. 这些分析将为冻土冻胀理论的研究提供科学参考.     

双向冻结-单向融化土压缩性及水分迁移试验研究

通过室内冻融试验,研究双向冻结-单向融化作用下不同冻前含水率和干密度对青藏粉黏土压缩特性的影响及水分迁移的变化规律。试验结果表明：（1）大梯度冻融作用使低密度土压缩性减小,使高密度土压缩性增大;而小梯度冻融作用使低、高密度土的压缩性均减小;（2）随着冻前含水率的增加,大梯度冻融作用使土体压缩性增大,但变化幅度逐渐减小,小梯度冻融作用的土体压缩性变化并不明显;（3）随着冻结梯度的增加,不同干密度融土相对压缩系数均呈现先减小后增加的变化趋势,不同冻前含水率融土相对压缩系数总体呈增大趋势;（4）温度梯度冻结后,试样含水率分布从上冷端到下冷端呈增大-减小-增大的变化规律,随着冻结温度梯度的减小,试样中部含水率先增大后减小。     

非饱和粘土柱冻结时之若干特性

试验结果表明,非饱和粘土之未冻水含量、冻结温度、导水系数及扩散系数随其初始含水量而变化,并可用回归统计式子表示;冻锋面下出现脱水区;当地下水位小于100cm、冻结速率在2—4cm/d时,同一水平处之冻胀速率几乎一致;地下水埋深越浅,则冻锋面下之抽吸力变化越小,反之亦然;在地下水位相对较深、而冻结速率又较大时,由于水流不能充分补给,冻胀性降低。     

兰新铁路路基冻胀特征及冻害整治措施研究

兰新铁路尖山至大青口段线路在海拔2 100m左右,冬季气候寒冷,路基填料属易冻胀土,在路基土冻前含水量较大的前提下,线路在冬季必然发生冻胀变形.为了有效控制路基冻胀量,通过现场和室内试验对该段路基土的土质、冻结特征、冻胀特征等进行试验研究.结果表明:路基面以下60cm范围内土层冻胀量占整个冻结层总冻胀量82%;在最适宜冻结速率下瞬时冻胀量达到极大值,分层冻胀率与平均冻胀率的大小关系在2/3冻结深度处发生改变;冻胀速率的大小并不能直接反映瞬时冻胀量的大小,还应考虑冻结速率.选用了软式透水管整治冻害,整治效果明显.     

裂隙冻胀压力及对岩体造成的劣化机制初步研究

岩体在冻融循环下裂隙中会经历冻胀力的萌生、发展与消散,裂隙冻胀扩展和岩体冻胀损伤程度受冻胀力控制,基于热力学、渗流理论、界面力学和弹性理论建立了柱形封闭裂隙中冻胀力演化模型,对考虑水分迁移和不迁移两种情况下的冻胀力量值进行了研究。结果表明:不考虑水分迁移作用下冻胀力随裂隙饱和度g和岩石弹性模量sE增加而迅速增大,当sE10 GPa且g94%时产生的冻胀力超过15 MPa,足以驱动任何岩体冻胀开裂,不同岩石裂隙冻胀开裂存在一个对应的临界饱和度ming;考虑岩石的透水性,渗透率低于5×10~(-14) cm~2的低渗透性岩石中裂隙水冻结会产生较大的冻胀水压力,容易引起裂隙冻胀扩展;而在渗透率大于10~(-12) cm~2的高渗透性岩石中,饱和裂隙水冻结难以形成有害的冻胀水压,裂隙冻胀开裂主要是冻结后期在冰-岩界面间的微观未冻水膜中产生的分离压力引起。     

再论冻胀量与冻胀力之关系

讨论了新出版的《水工建筑物抗冰冻设计规范》（DL／T5082－1998）（98版）中的地表冻胀量对法向冻胀力影响的问题，认为地表冻胀量是冻胀率沿整个冻深的叠加，法向冻胀力则是在冻结锋面上冻胀应力沿基础影响范围之内的积分，法向冻胀力与地表冻胀量没有直接联系。     

开放系统下硫酸钠盐对土体冻胀的影响

易溶盐在土中的存在及其在冻结过程中的重新分布对土体的冻结过程有重要影响.在开放系统单向冻结条件下,对青藏铁路沿线粉质红粘土进行了冻结试验.结果表明:随着冷能的持续传递,硫酸钠盐和水分向温度较低处迁移,土体0℃曲线持续降低;但基于测定的含盐土大量冻结温度的基础上,对土体冻深的研究发现,在开放单向冻结条件下土体冻深随着水盐迁移进程的发展而减小,造成与补蒸馏水的土体相比,土体的冻胀较小.同时,利用冻深发展曲线和硫酸钠水溶液相图及溶解度曲线,对土柱中的冻胀和盐胀分别进行了计算,结果认为:土体变形主要是由冻胀引起,硫酸钠结晶膨胀只发生在未冻土段,这与试验结束后对土体冻土段和未冻土段的干密度分层测定的试验结果相一致.     

季节冻土区扩底单桩受力性能研究进展与展望

在深季节冻土区, 正冻土和桩相互作用时可能会导致桩基的拔断或整体冻拔破坏。在桩周土冻胀过程中, 等截面直桩主要通过桩和未冻区融土间的摩阻力达到锚固效果。而对于端部直径大于桩身直径的扩底桩来说, 当桩基有整体上拔的趋势时, 扩大头会受到上覆土层的阻力而起到锚固/抗冻拔作用。通过回顾国内外研究文献, 介绍了扩底抗拔桩现有的工程背景及应用情况, 并对季节冻土区桩基的受力性能进行了总结和分析, 主要内容包括： 土体冻胀和桩基的相互作用研究, 切向冻胀力试验研究和理论研究, 切向冻胀力作用下扩底桩基冻胀反力试验研究及理论研究, 切向冻胀力作用下未冻区桩-融土间摩阻力的研究概况等。最后, 结合现有的研究内容, 对季节冻土区扩底桩的应用及研究提出进一步的展望。     

一个基于行波解的冻结缘水流模型

在次级冻胀现象中,对处于已冻土和未冻土之间的冻结缘地带,研究其中的水分迁移是一个重要的课题.在已建立的次级冻胀数学模型的基础上,通过假设有行波解的存在,建立了一组新的方程和边界条件,就冰分凝和冻渗两种情况进行了讨论,并以试验数据为例,模拟了开放系统饱水土的入流量历时曲线.     

青藏铁路冻区盐渍土热特性及力学性能分析

路基冻胀、融沉是在青藏铁路经常遇到的现象,在盐渍土分布的冻区更为明显。运用TG-DSC技术对冻区盐渍土热特性进行分析并研究环境变化对冻土强度的影响,结果表明：易溶盐对盐渍土热特性有着重要影响,随含水率增大影响愈剧烈;冻结强度随着含水率的增大而增大,随冻结温度的降低而升高。所得结论对掌握青藏铁路盐渍土地区冻土工程冻胀、融沉特性有着指导意义。     

饱和正冻土中的水、热、力场合模型

土体在冻结过程中,不论是融土区、过渡区（指正在形成的分凝冰及冻结缘区）还是冻土区所涉及的问题不仅是温度场、水分场问题,而且涉及到力学场问题,并且力学场对土体的变形过程（冻胀、压密）及分凝冰的形成起着重要的作用,依据连续介质力学、热力学原理,提出了土体冻结过程中的三场耦合方程,并指出,土体冻结过程中的体积变化与应力状态、补一排水条件、冻结条件密切相关;体变包含弹性部分、孔隙水变化引起的地或膨胀部分、     

饱和正冻土水分迁移及冻胀模型研究

正冻土在温度梯度大的情况下,冻结锋面快速移动,孔隙水变成冰,造成原位体积膨胀;而通常在天然条件下,温度梯度都不大,水从未冻区向冻结区迁移,在某一个位置引起冰的累积,形成分凝冰。由于此诱发的冻胀要比原位冻胀大很多,因此,建立一个能够模拟土体水分迁移及分凝冰形成过程的冻胀模型尤其重要。基于第2冻胀理论,建立了饱和土体冻胀模型。在模型中,假设冻结缘中单位时间内水分迁移速度为常数,以计算冻结缘内水压力,再根据克拉方程得到冰压力。根据冰压力的大小作为分凝冰形成判据,研究中假设新的分凝冰形成以后,上一层分凝冰停止生长。模型把水分迁移和冻胀速率当作基本的未知量,模拟了与可天然土体冻胀类似的底部无压补水和顶部加压的冻胀情况。通过数值模拟与试验结果进行对比,初步验证模型的可靠性,其研究结果为实际寒区工程的冻胀预测提供参考。     

饱和粉质黏土反复冻融电阻率及变形特性试验研究

针对青藏铁路北麓河粉质粘土,利用冻融循环全过程电阻率试验设备获取封闭系统下冻融过程电阻率、土体温度场、冻胀融沉变形量全过程曲线,探讨了饱和粉质黏土正冻正融过程电阻率及变形特性。试验结果表明：冻融循环过程中电阻率与冻融变形的变化是实时的、完全同步的,利用电阻率特性研究冻融过程土体结构变化是可行的;每次冻融冻土电阻率随着冻融次数增加呈指数关系减小,融土电阻率随冻融次数增加呈指数关系增加;每次冻胀量与融沉量随冻融次数的增加而减小,平均干密度随冻融次数增加而增加,并且经过5次冻融循环后冻胀融沉量和干密度均趋于稳定。     

冻结管受力分析与试验研究

对冻结管受力的理论分析和模拟试验研究表明,在安装阶段,冻结管的应力很小,可略去不计,在积极冻吉阶段,受管材冷缩。冻土冷缩和冻土冻胀的作用,冻结管轴向受拉（压）并向井外弯曲,在该阶段后期,纯拉（压）应力σ１由正最大值和负值转变,且数值变小,而纯弯曲应力σｗ则趋于稳定,其值虽较大但对后期冻结管的安全无害,在掘砌施工阶段,冻管的受力大小决定冻结壁的变化形,σ１和σｗ随时间的变化规律与冻结壁的蠕变规律相似     

青藏工程走廊冻融土热扩散系数特性与预测模型研究北大核心CSCD

热扩散系数是多年冻土对外界热扰动敏感程度的重要影响参数之一,也是寒区工程设计与建设的关键基础数据。基于瞬态平面热源法导热系数测试结果和质量加权法计算获取的比热容理论值,计算获得青藏工程走廊西大滩—唐古拉山沿线典型类别土样热扩散系数,分析对比了走廊带内冻融土热扩散系数的分布特征和参数影响规律,提出了基于经验拟合公式法和RBF神经网络方法的冻融土热扩散系数预测模型,并比较了不同预测模型的预测效果。研究结果表明:青藏工程走廊带内土的热扩散系数与粒径整体呈正相关性,融土热扩散系数按黏性土、粉土、全风化岩类、砂土及碎石土依次增大,冻土热扩散系数按黏性土、全风化岩类、粉土、碎石土及砂土依次增大;热扩散系数与容重及天然含水率相关性随土类及冻融状态差异明显,冻、融土热扩散系数呈显著正线性关系;以融土热扩散系数为拟合参数的冻土热扩散系数三元预测模型的预测精度明显高于二元经验公式;RBF神经网络模型在冻、融土热扩散系数预测中均具有最优的预测精度,为最佳预测模型。