浅谈冻融作用对土物理力学性质的影响和研究摘要：冻融过程中土结构由于受冷生作用的影响，导致冻融后其物理力学性质发生变化。

在寒区进行路堑开挖、新削边坡和路基修建等工程活动时，会使土体新近暴露于冻融作用之下，在相关的变形和稳定性分析中，必须考虑其物理力学性质的变化。

随着青藏公路和铁路的修建以及其他冻土地区工程建设的广泛开展，我国的寒区岩土工程建设将遇到同样的问题。

目前，冻融作用对土物理性质影响的研究已经比较深入，而冻融作用对土力学性质的影响却缺乏系统的研究，也没有综合的规律性提出，有待进一步深入研究关键词：冷生作用；冻融作用；成冰方式；冻融特性。

正文：冻土、以及冻融作用概述冻土是指含有冰包裹体的土壤和岩石，是一种含冰晶的特殊土水体系。

冻土是一种特殊的土类。

其特殊性主要表现在其性质与温度密切相关。

常规土类的性质主要受其颗粒的矿物和机械成分、容重以及含水量的控制，只要这些因素确定，土的性质就基本稳定，因此多半表现为静态特性。

但是，冻土则不同，冻土的特性除与上述因素有关外，还要受含冰量的控制，而含冰量与温度直接相关。

一般来说土在冻结时，由于土中水冻结成冰，体积增大，使土体膨胀。

土中部分液态水变成固态冰后，虽然水和冰的化学成分一致，但他们的物理力学已经发生根本性的改变。

首先是容重有所变化（冰容重比水要小），其次是其状态发生了变化（液态水变为固态冰），再次是冻结后由于冰胶结的强烈作用，土体变得更为坚硬。

但是在人类的生产活动范围内（一般小于20m），由于气候随季节变化，温度的变化是不可避免的，从而使得土中水的状态也不断变化（或者是含冰量的变化、或者是其状态在液固态之间的转化），则其物理力学性质也随之变化。

因此冻土的性质在随时间变化，表现为动态特征。

所以冻土是一种对温度十分敏感且性质不稳定的土体。

冻土融化时，尤其是冻土融化后，土的含水量、容重、以及相应的抗剪强度、压缩性等都有所不同1.2 冻融作用在冻土工程中，两种最主要的冻害问题便是冻胀和融沉。

随着地层温度的下降，在热交换的过程中，土体温度达到土中水结晶点，便产生冻结；伴随着土中孔隙水和外给水结晶体、透镜体、冰夹层等形成的冰侵入体，土体积增大，导致地表不均匀上升，这就是冻胀现象。

当土层温度上升时，冻结面的土体产生融化，伴随着土体中冰侵入体的消融，出现沉陷，同时使土体处于饱和或过饱和状态而引起地基承载力的降低，称之为土的融沉现象。

在冻融过程中，土体的性质发生了较大的变化，直接影响着地下工程（地基）及上部建筑物的稳定，如使道路出现裂缝、沉陷、结构断裂、基础上拔等。

同时，在寒区建筑物的建设破坏了冻土区原有的水热收支平衡，使冻土温度场、水分场、应力场发生变化，加剧了地基土体的冻融过程而可能造成更严重的冻害。

因此在各种寒区工程的生产活动中都必须充分考虑冻土的性质及其随冻融状态的不同而产生的变化。

另外，随着社会经济及科学技术的不断发展、人口的逐渐增长和土地使用压力日趋增加，开发地下空间已成为人类扩大生存范围的重要手段和发展趋势。

冻土墙止水性好、强度高等优点使得越来越多的城市地下工程中都采用人工冻结法来处理软弱地基的加固以及隔绝地基与地下水的联系等问题。

但由于冻结施工改变了底层原有温度场的分布，会引发一定范围的地层冻胀和融沉，这种变形在城市地下工程中对地基土的工程性质和周围建筑物都将产生不良影响，将导致建筑物结构出现不均匀隆起或沉降。

研究各种因素与冻胀、融沉变形之间的关系是预测人工冻结技术对周围环境影响的关键工作。

在验算寒区岩土工程以及人工冻结法施工的结构物地基强度、稳定性及沉降变形时，不能简单的采用未冻土或是冻融土的强度和变形指标，必须充分考虑冻融前后土力学性质的变化和差异，即需要研究未冻土与冻融土的物理力学性质差异，从而为工程设计提供依据。

因此冻融作用的研究在寒区岩土工程中的地位是至关重要的1.2 冻融作用国内外研究现状及存在的问题国外冻土力学特性的研究于上个世纪30年代始于前苏联，以Vyalov和Tzytovich 为代表的冻土力学专家，取得了大量的成果。

从1937年Tzytovich的第一本俄文版《冻土力学原理》问世以来,冻土力学的研究走过了一条漫长崎岖的发展道路。

从早期直接服务于寒区工程设计的简单的唯现象学上的冻土宏观力学性质的研究，到七、八十年代探索冻害原因的冻土细观机制实验研究；从对冻结土力学性质的研究到更切合实际工程需要的正冻土、正融土力学性质的研究；从只针对冻土骨架固相的力学性质的试验研究，到考虑了冻土中固、液、气多相多孔介质的力学效应的研究；从只研究冻土的力学性质，到开始研究冻土的水、热、力耦合机理；从了解冻土和利用冻土，到主动地对冻土进行改造；从被动的冻土体(路基、边坡、围岩等)稳定性可估，到主动的可控。

作为一门交叉学科,冻土力学继承了大量土力学的理论和方法,同时也借用了相近学科的研究成果,如冰力学理论和高温金属的蠕变理论等。

已冻土的力学性质和土的冻融作用是冻土力学的两大研究方向。

已冻土的力学性质尤其是蠕变的研究和进展已经非常深入，已有多位研究者对其现状进行过总结；同时期对冻结作用的研究现状分析主要讨论了冻胀和热质迁移的机理和模型,而Slunga等也仅用数百字对“冻结导致的物理化学变化”进行了叙述性的描述。

在关于“冻融作用”的研究上，一方面基于冻胀和融沉对工程影响的考虑,大量的研究都致力于建立冻胀和融沉的预报模型。

从工程角度来看,典型的冻胀的预报模型如Konrad的分凝势模型,典型的融沉模型如Nixon等的一维变边界条件的融沉模型都具有一定的应用价值。

另一方面,人们在一定程度上也认识到了冻融作用作为强风化过程对土的工程性质会产生较大影响。

如在加拿大魁北克的多年冻土地区,新的公路路基修建之后往往要等3～5年才铺设路面,这已经成为一个基本常识,一定程度上就是基于这一考虑。

但是对于冻融导致的土工程性质尤其是其力学性质的变化研究的并不很多，而且目前已有的成果也比较分散，迄今没有系统的总结和现状分析。

随着各种寒区工程建设的广泛开展，我国的寒区岩土工程建设将遇到同样的问题，即冻土地区新近暴露的土层受到冻融风化作用而力学性质发生变化对工程的变形和稳定性会产生影响，这正是本文所关注的问题。

冻融对土工程性质的影响大致可以从冻融对土物理性质、水理性质的影响和力学性质影响两个方面来分析，尽管他们是相互联系的。

下面对现有的冻融试验方法以及这两个方面的研究现状进行论述分析。

1.3冻融作用对土物理性质和水理性质的影响在冻融作用对土物理性质的影响方面，冻融对土渗透性影响的研究是最为活跃的,因为它不仅受到岩土工程领域的重视,同时也是土壤学和水力学领域需要考虑的因素。

渗透性的改变经常跟土的内部因素如孔隙比（或击实度）、含水量、塑限、冻胀敏感性及粘土的矿物成分有关；此外还跟试验条件，如对土施加的冻融温度梯度和受力状态有关。

Chamberlain等1981年研究发现,细粒土经过冻融循环后,尽管所采用的土的孔隙比通常会减小,但土的渗透性都有所增大,而且土的塑性指数越大,这种效应越强烈。

这一点已被大量研究所证实，经过冻融循环土的渗透系数大约会增大1～2个数量级。

他们认为原因是土的冻融使得土中形成一些裂隙,同时土孔隙中的细颗粒土可能在冻融过程减少。

后来还有许多研究在不同土的类型、不同土性和不同试验方法上展开,得到许多的结论：如压力对这种效应起到明显的阻碍作用,冻融增大渗透性的效应与制样条件有关等。

至于孔隙比在冻融过程中减小的情况下渗透系数仍然会增大,则主要是由冻融过程中造成微裂隙或者冰晶融化后形成大孔隙所造成的。

此外,在有压冻融时,不同循环次数对孔隙比的影响基本可以忽略。

如图所示，标识不同冻融循环次数的融化后变形量的符号重叠到一起,不易分辨。

（图）加压冻融过程中土孔隙比的变化1.3 课题研究目的和意义在寒区岩土工程中进行路堑开挖、新削边坡和路基修建等工程活动时，会使土体新近暴露于冻融作用之下。

冻胀、融沉、以及冻融前后土的物理力学性质发生巨大的变化，将严重影响冻土地区构筑物的稳定和沉降变形，对寒区构筑物和工程活动构成了极大的威胁。

在相关的变形和稳定分析中，仅仅考虑冻土的力学参数或者是融土的力学参数都是不合理的，必须同时考虑冻融作用对土体物理力学性质的影响，冻融前后土体力学参数的变化及其规律。

因此，冻融作用对土力学性质的影响是现在冻土工程中一个亟待解决的问题。

近二十年来，美国、苏联、加拿大等国加紧开发北极和近北极地区的石油和天然气，揭开了人类大规模开发冻土区的序幕。

广阔的冻土区已成为人类生产和生活的场所。

冻土给人类提供的是一种寒冷的自然地理和地质环境(地球冷圈的一部分)。

冻土的存在影响和制约着冻土区的经济和社会活动的发展。

保护人类生存的环境，实现可持续发展战略，已成为21世纪国际社会“环境与发展”重要主题内容之一。

在我国，随着国家经济中心发展向西部的转移，广阔的寒区建设中不可避免地将遇到越来越多的冻土工程问题，如建于冻土区房屋基础的冻胀与融沉，铁路路轨的冻胀隆起，公路路基的融沉、翻浆，交通遂洞的冻裂与挂冰等。

此外，我国北方大部分地区的冬、春灌溉都是在季节性冻融条件下进行的。

所以，冻融作用对土力学性质影响的研究，对国家经济建设、冻土区工程建设、环境保护、土壤水分保持、水资源利用及农田灌溉管理都具有十分重要的实践意义。

鉴于冻融作用对土力学性质的研究还不够深入，而冻融作用在寒区岩土工程和人工冻结法建筑物的稳定性分析中又起着举足轻重的作用；本文考察了在不同因素的影响下，冻融作用对土样力学性质的影响，以期得到更为一般性的结论来全面评价冻融对土力学性质变化的影响。

这对寒区构筑物的稳定和变形计算具有重要意义，可提供较为准确的试验参数和依据，进而帮助其他物理和力学指标的确定；从而为涉及暴露于冻融作用的土体寒区工程的建设和维护提供理论依据。

结语：了解冻融作用对土物理力学性的质影响有利于对其的研究和利用研究成果在工程中的应用，对于研究成果可以针对不同工程条件，通过采取措施，冻融作用的影响可以得到有效的控制。

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