汪恩良，姜海強(qiáng)，張棟，劉風(fēng)波

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，哈爾濱150030）

凍融作用對(duì)土體物理力學(xué)性質(zhì)影響研究進(jìn)展

汪恩良，姜海強(qiáng)，張棟，劉風(fēng)波

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，哈爾濱150030）

凍融作用是強(qiáng)風(fēng)化作用，顯著改變土物理、力學(xué)性質(zhì)，影響寒區(qū)構(gòu)筑物安全性和耐久性。通過(guò)比對(duì)分析凍融后土的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)，表明試驗(yàn)材料和方法是試驗(yàn)結(jié)果差異主要成因，尤以孔隙率和內(nèi)摩擦角差異性最顯著。在解決工程實(shí)際問(wèn)題時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際氣象資料確定溫度控制模式，采用模型比尺選取溫度變化范圍和速率，與實(shí)際氣溫變化吻合。由于土體凍融過(guò)程復(fù)雜性，開(kāi)敞和封閉系統(tǒng)下凍融過(guò)程對(duì)土體物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)影響差異顯著。

寒區(qū)；凍融；物理性質(zhì)；力學(xué)性質(zhì)；差異性

環(huán)境溫度季節(jié)性周期變化，寒區(qū)表層巖土一年凍融循環(huán)高達(dá)100余次[1]。隨著氣溫時(shí)空變化，凍融循環(huán)作用成為影響寒區(qū)渠道工程建設(shè)中建筑物基礎(chǔ)安全和穩(wěn)定的主要問(wèn)題[2-3]。凍融過(guò)程本質(zhì)為強(qiáng)風(fēng)化過(guò)程，凍融作用下土體內(nèi)部與外界環(huán)境間能量、物質(zhì)交換復(fù)雜。反復(fù)凍融過(guò)程中，冷生作用改變土體原有內(nèi)在結(jié)構(gòu)和顆粒組成，土體內(nèi)部由不穩(wěn)定向穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展，引起土體物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)變化[4-5]。土體性質(zhì)改變可引起基礎(chǔ)隆起、沉陷，導(dǎo)致上部建筑物傾斜、產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重時(shí)可引發(fā)重大安全事故。因此，研究?jī)鋈谧饔孟峦馏w性質(zhì)變化規(guī)律對(duì)寒區(qū)水利工程建設(shè)，水資源合理開(kāi)發(fā)利用和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

1927年蘇姆金的專(zhuān)著《蘇聯(lián)境內(nèi)永久凍結(jié)土壤》出版，標(biāo)志凍土學(xué)科問(wèn)世。為解決寒區(qū)工程建設(shè)難題，研究者著眼于凍融作用下土體物理、力學(xué)性質(zhì)變化，取得豐富成果。凍融循環(huán)可改變土體結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)[6-7]。目前，研究途徑主要集中在室內(nèi)封閉系統(tǒng)下凍融循環(huán)試驗(yàn)，而溫度控制方式多采用恒負(fù)溫和正溫實(shí)現(xiàn)凍結(jié)和融化，溫度選取主觀(guān)性較強(qiáng)，與野外土體實(shí)際凍融所處外界環(huán)境變化不同。溫度梯度可影響凍融過(guò)程水分遷移，而含水量變化可引起相關(guān)性質(zhì)改變。因此，溫控模式對(duì)凍融循環(huán)試驗(yàn)尤為重要。本文對(duì)凍融作用下土體相關(guān)性質(zhì)變化規(guī)律分類(lèi)描述，探討不同試驗(yàn)材料和方法的凍融作用對(duì)土體性質(zhì)改變差異性的影響。

1 材料和方法選擇差異性

1.1 試驗(yàn)材料差異性

試驗(yàn)材料選擇根據(jù)工程地點(diǎn)和滿(mǎn)足工程建設(shè)需求不同就地取材，在凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，采用土樣通常分為原狀土和重塑土兩大類(lèi)。由于原狀土取樣困難，試驗(yàn)較多采用重塑土為試材。重塑土以飽和度劃分為飽和土和非飽和土，在試樣制備時(shí)，多以含水率和干密度作控制變量。對(duì)部分位于地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的工程，需考慮不同化學(xué)成分含量（如含鹽量）和種類(lèi)制備試樣。

1.2 試驗(yàn)方法差異性

1.2.1 溫控模式

試驗(yàn)方法根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備條件不同差異較大。在溫度控制模式上，除溫度范圍設(shè)定不同外，溫控方式設(shè)定不同，主要有恒溫控制模式和變溫控制模式[8-9]。正弦曲線(xiàn)降溫由于與實(shí)際環(huán)境溫度變化吻合度較高，試驗(yàn)多采用此法。恒溫控制模式時(shí)，通過(guò)凍結(jié)融化階段在試樣頂板和底板施加不同溫度實(shí)現(xiàn)土體凍融過(guò)程。

1.2.2 凍融條件

凍融條件主要有開(kāi)敞系統(tǒng)和封閉系統(tǒng)，由于土體在自然環(huán)境下凍結(jié)和融化過(guò)程中，相鄰?fù)翆影l(fā)生水分遷移，土體含水率發(fā)生變化。在室內(nèi)模擬試驗(yàn)中，開(kāi)敞系統(tǒng)凍融試驗(yàn)中外界補(bǔ)水常采用馬氏瓶，但由于實(shí)際土體水分補(bǔ)給和遷移路徑復(fù)雜，在凍結(jié)和融化期補(bǔ)水量和補(bǔ)水起止時(shí)間不易準(zhǔn)確控制，因此室內(nèi)凍融試驗(yàn)多采用封閉系統(tǒng)。

2 凍融循環(huán)對(duì)土物理性質(zhì)變化規(guī)律研究進(jìn)展

2.1 孔隙率（n）

凍融作用通過(guò)改變內(nèi)部顆粒、孔徑、內(nèi)部顆粒排列，影響孔隙率[10]。Viklander于1998年首次提出“殘余孔隙比”概念，隨凍融次數(shù)增加，松散土和密實(shí)土孔隙率趨近于穩(wěn)定值[11]，但由于試驗(yàn)方法和材料不同，結(jié)論不一致。肖東輝等對(duì)原狀黃土和重塑黃土在封閉條件下-20℃凍結(jié)，20℃融化凍融循環(huán)，通過(guò)壓汞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，二者土體內(nèi)部大孔隙先減后增，而小孔隙變化規(guī)律相反，5次凍融循環(huán)后，內(nèi)部孔隙達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終顆粒直徑集中分布在0.01～0.05 mm[12]?；趬汗夹g(shù)，青藏粉質(zhì)粘土經(jīng)凍融后，試樣小孔隙體積和孔徑并未發(fā)生變化，大孔隙體積和孔徑凍融后增大，但凍融后試樣孔隙率隨凍融次數(shù)增多無(wú)明顯規(guī)律[13]。夏祥友等以東北地區(qū)黑土為研究對(duì)象，在凍結(jié)溫度-20℃，融化溫度5℃溫控模式下，結(jié)合CT掃描技術(shù)，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)對(duì)粒徑＞5 mm土樣孔隙影響較大，凍融循環(huán)降低原狀土孔隙面積和數(shù)目，在第3次凍融循環(huán)時(shí)達(dá)到最小值[14]。馬駿驊等研究不同凍融溫度下重塑黃土孔隙率變化，確定凍融次數(shù)和溫度引起土疏密程度改變，在快速凍融溫控模式下，土體內(nèi)部孔隙率在第10次凍融循環(huán)時(shí)降到最低，而后升高，升高速率先快后慢[15]。

孔隙分布曲線(xiàn)是描述土體內(nèi)部孔隙尺寸、方向和形狀有效工具[16]。通過(guò)對(duì)封閉系統(tǒng)下蘭州黃土和天津粉質(zhì)粘土凍融前后孔隙分布曲線(xiàn)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，蘭州黃土凍融后大孔隙數(shù)量增加而面積減少，天津粉質(zhì)粘土凍融后孔隙尺寸和形狀無(wú)明顯變化[17]。多次凍融后土結(jié)構(gòu)變疏松，對(duì)陜西洛川黃土50次凍融后，其孔隙比增大近似線(xiàn)性[18]?？梢?jiàn)，凍融作用對(duì)不同土質(zhì)孔隙率影響規(guī)律不同，不僅與土質(zhì)有關(guān)外，還與溫控模式有關(guān)。不同溫度梯度下，孔隙率變化程度不同，土體初始狀態(tài)不同，凍融作用后變化規(guī)律存在差異。

2.2 含水率（w）

2.2.1 水分遷移基本模型

①毛細(xì)管理論模型

將土體內(nèi)部孔隙假設(shè)為一束毛細(xì)管，土壤顆粒呈球形并規(guī)則排列在毛管內(nèi)，凍結(jié)過(guò)程中由于冰-水交界面毛管吸力引起水分遷移。冰水吸力表示為：

其中，ui為冰壓力，uw為孔隙水壓力，ui-uw為毛管吸力，σiw為界面上-張力，riw為界面彎曲半徑。

毛細(xì)管理論無(wú)法解釋不連續(xù)冰透鏡形成現(xiàn)象，經(jīng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)其理論計(jì)算數(shù)值與試驗(yàn)數(shù)值存在較大偏差，正確性存在爭(zhēng)議。

②分凝勢(shì)模型

為準(zhǔn)確度量?jī)鋈谶^(guò)程水分遷移量，Konrad等研究不同溫度梯度下水分遷移變化如下[19-20]：

Q=-SPΔT（2）

其中，S，P為分凝勢(shì)，T為溫度梯度，由于分凝勢(shì)本身試驗(yàn)條件限制，凍結(jié)速率等受諸多因素影響，該式并未廣泛應(yīng)用。

③熱力學(xué)模型

Duquennoi，F(xiàn)remond和Mikkola提出凍融過(guò)程水分遷移熱力學(xué)模型，該模型在質(zhì)量、動(dòng)量和能量及熵增原理基礎(chǔ)上，建立多項(xiàng)介質(zhì)本構(gòu)方程并確定多項(xiàng)介質(zhì)自由能和耗散能表達(dá)式[21]，該模型可描述孔隙水凍結(jié)、熱質(zhì)遷移、凍脹引起吸力。

2.2.2 含水率變化試驗(yàn)研究

凍融作用下邊坡、基礎(chǔ)失穩(wěn)是工程建設(shè)不可回避問(wèn)題，水分遷移是影響邊坡穩(wěn)定主要原因。但土中水分遷移機(jī)理尚無(wú)廣泛應(yīng)用模型。Perfect和willians首次發(fā)現(xiàn)負(fù)溫可引起液態(tài)水運(yùn)動(dòng)，水分遷移必要條件是外界負(fù)溫變化，凍融過(guò)程中溫度梯度和土體初始含水率是影響水分遷移中眾多因素中兩個(gè)主要因素[22-23]。20世紀(jì)80年代，以美國(guó)陸地寒區(qū)研究與工程實(shí)驗(yàn)室（US Amy Cold Regions Research and Engineering Laboratory，簡(jiǎn)稱(chēng)CRREL）為首，學(xué)者探索凍土中水分遷移機(jī)制并開(kāi)展系列試驗(yàn)。在凍結(jié)過(guò)程中，當(dāng)負(fù)溫變化速率較大時(shí)，下層土中水分尚未向凍結(jié)鋒面遷移而在原位處結(jié)冰，此時(shí)水分遷移量較少，反之，凍結(jié)速率較小，對(duì)水分遷移越有利，水分遷移量越大。

谷憲明等建立Harlan偏微分?jǐn)?shù)學(xué)模型，結(jié)合有限元對(duì)非飽和凍土路基分析發(fā)現(xiàn)，在垂直方向，路基土水分遷移集中在0.5～1.0 m之間，在凍結(jié)過(guò)程中，孔隙水不斷向凍結(jié)鋒面遷移[24]。為量化凍融過(guò)程中水分遷移，趙剛等研究原狀粉質(zhì)黏土和重塑粉質(zhì)黏土在-40～60℃凍融作用下不同層水分遷移特性，發(fā)現(xiàn)原狀土在頂端溫度相同時(shí)，水分遷移量隨初始含水率增大而增大，沿深度方向，試樣2～8 cm層處含水率增大，8～12 cm層含水率減小，不同溫度控制模式對(duì)試樣水分遷移影響顯著，凍結(jié)時(shí)溫度越低，試樣5 cm處水分聚集量越大，溫度梯度越大，凍結(jié)速率越快，水分聚集層離暖端越近[25-26]。而重塑土凍結(jié)過(guò)程中上層含水率波動(dòng)增大、下層減少并呈線(xiàn)性變化，融化過(guò)程中在聚集層出現(xiàn)較高含水量[27]。

以上分析均針對(duì)垂直方向上土體內(nèi)部含水率變化展開(kāi)研究，由于受試驗(yàn)土樣尺寸限制，對(duì)凍融前后土體內(nèi)部水平方向上含水率變化規(guī)律采用其他相關(guān)量變化呈現(xiàn)，電阻率與土體內(nèi)部含水率之間相關(guān)[28]，利用電阻率與含水率關(guān)系反演，凍融循環(huán)使水分由中間向四周遷移[29]。

2.3 滲透系數(shù)（K）

2.3.1 滲流特性數(shù)學(xué)模型

凍融過(guò)程中，滲透系數(shù)對(duì)土體水分場(chǎng)分布起決定性作用。目前，對(duì)于凍土中滲流問(wèn)題，多引入土水勢(shì)，將非飽和土中達(dá)西定律與水流連續(xù)方程結(jié)合，得到土體水分非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)基本方程為Richards方程：

其中，θ，t為土含水量和時(shí)間；q1為水分遷移通量；ψm為基質(zhì)勢(shì)；ψ為土水勢(shì)。

2.3.2 滲透系數(shù)確定方法

確定凍結(jié)過(guò)程中土體滲透系數(shù)時(shí)，考慮土體內(nèi)部孔隙水在負(fù)溫作用下成冰，對(duì)水滲透產(chǎn)生阻礙作用，又稱(chēng)阻抗系數(shù)。與滲透系數(shù)關(guān)系表達(dá)式為：

其中，Kf為凍結(jié)區(qū)滲透系數(shù)，Ku為未凍區(qū)滲透系數(shù)，Ω為阻抗系數(shù)。

也有學(xué)者利用滲透系數(shù)與溫度相關(guān)函數(shù)求解，Zhu和Carbee確定除溫度和滲透系數(shù)相關(guān)表達(dá)式[30]：

其中，α和β為材料參數(shù)。

2.3.3 滲透性變化試驗(yàn)研究

土體受凍融循環(huán)后滲透性變化主要?dú)w結(jié)于孔隙變化，原因是孔隙和顆粒粒徑變化，且顆粒粒徑對(duì)滲透性影響大于孔隙[31]。原狀黃土和重塑黃土在-20～20℃之間恒溫凍融發(fā)現(xiàn)，原狀黃土和重塑黃土在凍融作用下變化趨勢(shì)一致，即先減后增，最終在4×10-4～6×10-4cm·s-1間趨近穩(wěn)定值[32-33]。不同試驗(yàn)材料對(duì)凍融作用下滲透性影響不同，礫質(zhì)土在封閉條件下經(jīng)過(guò)凍融后滲透系數(shù)增大，12次凍融后滲透系數(shù)增大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，這是由于凍融使土體內(nèi)部大孔隙數(shù)目增多、小孔隙數(shù)目減少，土體內(nèi)部聯(lián)結(jié)降低[34]。對(duì)西安Q3原狀黃土多次凍融并結(jié)合電鏡掃描發(fā)現(xiàn)，多次凍融后試樣滲透性趨于穩(wěn)定，凍融作用使土樣表面產(chǎn)生不規(guī)則裂縫是滲透性增大主要原因，Q3黃土滲透性具有各向異性，通過(guò)變水頭滲透試驗(yàn)測(cè)定豎直滲透系數(shù)大于水平滲透系數(shù)[35-36]，滲透系數(shù)變化情況除土質(zhì)不同，與試驗(yàn)過(guò)程中制樣條件和初始含水率、干密度直接相關(guān)[37-38]。原狀黃土凍融后，土樣垂直和水平方向滲透系數(shù)與初始含水率呈正相關(guān)關(guān)系，結(jié)合電鏡觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，反復(fù)凍融使土顆粒在冰晶生消過(guò)程中不斷受擠壓出現(xiàn)團(tuán)聚，凍融后土顆粒之間孔隙發(fā)育致試樣完整性降低，滲透系數(shù)增大[39-40]。凍融作用通過(guò)破壞土體固有結(jié)構(gòu)，使土體內(nèi)部大團(tuán)聚體變?yōu)樾F(tuán)聚體而使整體變疏松，與原狀土相比，粘土在凍融后滲透系數(shù)增大3～10倍[41-42]。

2.4 其他物理性質(zhì)

導(dǎo)熱系數(shù)作為計(jì)算土體內(nèi)溫度場(chǎng)重要參數(shù)，其在凍融作用下規(guī)律變化尤為重要，但導(dǎo)熱系數(shù)闡述多集中在融土和凍結(jié)土。導(dǎo)熱系數(shù)受含水率、密度、溫度、化學(xué)組分影響，其值隨含水率、干密度、溫度升高而增大[43-45]。多次凍融后導(dǎo)熱系數(shù)值變化規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

pH為表征土體化學(xué)成分重要參數(shù)。研究?jī)鋈谧饔孟聀H變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)凍融作用對(duì)土體pH未產(chǎn)生影響[46]。

3 凍融循環(huán)對(duì)土力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律研究進(jìn)展

3.1 黏聚力（C）和內(nèi)摩擦角（φ）

3.1.1 凍融作用下常規(guī)土黏聚力（C）和內(nèi)摩擦角（φ）變化試驗(yàn)研究

抗剪強(qiáng)度指土體抵抗剪切破壞極限強(qiáng)度，同種土質(zhì)抗剪強(qiáng)度取決于土體密實(shí)度、含鹽量、含水率、顆粒級(jí)配以及土體歷時(shí)和結(jié)構(gòu)等[47]。黏聚力（C）和內(nèi)摩擦角（φ）是影響土體抗剪強(qiáng)度主要原因，其與土質(zhì)、試驗(yàn)材料初始狀態(tài)和試驗(yàn)方法直接相關(guān)。

凍融后土體抗剪強(qiáng)度變化尚無(wú)定論，其融化過(guò)程中強(qiáng)度與土質(zhì)有關(guān)[18,48]，凍融作用可降低土體黏聚力，降低速率隨凍融循環(huán)次數(shù)和初始含水率增加而降低，凍融作用通過(guò)改變土體內(nèi)部顆粒之間咬合力和聯(lián)結(jié)能力降低土體黏聚力。但內(nèi)摩擦角變化規(guī)律不同。粘性土凍融前內(nèi)摩擦角可表示為兩部分：

其中φ0為液限制樣時(shí)在正常壓密條件下剪切土殘余內(nèi)摩擦角，即基本內(nèi)摩擦角；Δφ為土體實(shí)際內(nèi)摩擦角與φ0差，不同土質(zhì)Δφ值不同。

凍融前粘性土內(nèi)摩擦角值與塑性指數(shù)關(guān)系[47]如表1所示。

凍融后土體內(nèi)摩擦角略增，但規(guī)律不明顯；非飽和原狀黃土凍融后直剪試驗(yàn)證實(shí)，內(nèi)摩擦角值隨凍融次數(shù)增加而升高，低含水率未引起內(nèi)摩擦角變化[49]。青藏粘土多次凍融作用后不固結(jié)不排水剪切，內(nèi)摩擦角在15°～30°波動(dòng)，而飽和青藏粘土凍融后內(nèi)摩擦角增大[50]。陜西楊凌黃土經(jīng)凍融后固結(jié)排水剪切，內(nèi)摩擦角總體呈降低趨勢(shì)，但規(guī)律性不明顯，內(nèi)摩擦角波動(dòng)值在5°以?xún)?nèi)，或有土樣內(nèi)摩擦角變化在1°～2°之間。試驗(yàn)材料相同，經(jīng)凍融多次循環(huán)后快剪試驗(yàn)，內(nèi)摩擦角基本保持不變[51-53]。西安Q3原狀黃土封閉系統(tǒng)凍融后經(jīng)直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)摩擦角變化無(wú)明顯規(guī)律，而在靜三軸試驗(yàn)下，內(nèi)摩擦角值無(wú)明顯變化[60-61]。哈達(dá)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)長(zhǎng)春路段飽和原狀粉質(zhì)黏土凍融循環(huán)后不固結(jié)不排水剪切，內(nèi)摩擦角值在開(kāi)放體系和在封閉體系下均增大，5～7次凍融后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[62]。洛川原狀和重塑黃土多次凍融后不固結(jié)不排水剪切，在電鏡下發(fā)現(xiàn)50次凍融后土樣原始膠結(jié)力被完全破壞，內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)增加而增大，而原狀黃土經(jīng)過(guò)多次凍融后抗剪強(qiáng)度與重塑黃土一致[18]。

表1 內(nèi)摩擦角（φ0）與塑性指數(shù)（IP）關(guān)系Table 1Internal friction angle(φ0)and plasticity index(IP)relationship

3.1.2 凍融作用下鹽漬土黏聚力（C）和內(nèi)摩擦角（φ）變化試驗(yàn)研究

當(dāng)土體中易溶鹽含量≥0.3%，具有溶陷、腐蝕、鹽脹等特殊性質(zhì)土稱(chēng)其為鹽漬土[57]。在凍融作用下，土體易溶鹽隨水分遷移發(fā)生聚集、溶解、結(jié)晶，土體原有性質(zhì)發(fā)生改變。

陳煒韜等通過(guò)對(duì)格爾木鹽漬土室內(nèi)封閉條件下凍融循環(huán)試驗(yàn)，揭示凍融作用下鹽漬土黏聚力變化規(guī)律，在含水率一定條件下，當(dāng)凍結(jié)溫度-10℃，常溫下融化時(shí)，無(wú)論向土中加入Na2SO4或NaCL，黏聚力值均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而降低，且降低主要集中在第1～2次凍融過(guò)程，鹽漬土中CaCL2溶液含量對(duì)黏聚力影響顯著，氯酸鹽鹽漬土和硫酸鹽鹽漬土凍融后在固結(jié)排水剪切，二者黏聚力和內(nèi)摩擦角值均隨凍融循環(huán)次數(shù)增大而減少，通過(guò)比對(duì)發(fā)現(xiàn)，硫酸鹽鹽漬土對(duì)土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)影響均大于氯酸鹽鹽漬土[58-59]；包衛(wèi)星等以新疆鹽漬土為試驗(yàn)材料，凍結(jié)過(guò)程中頂端溫度-10℃，低端溫度5℃，常溫下融化，經(jīng)多次凍融后不固結(jié)不排水剪切，低液限粘土隨凍融次數(shù)增加黏聚力線(xiàn)性減小，內(nèi)摩擦角呈“S”型變化，含砂低液限粘土黏聚力呈反“S”型，內(nèi)摩擦角亦呈“S”型[60]；試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鹽漬土凍融后冷端和暖端黏聚力和內(nèi)摩擦角值變化不同，天然粗顆粒鹽漬土經(jīng)不同次數(shù)凍融后，冷端黏聚力增大而內(nèi)摩擦角先減后增，暖端黏聚力和內(nèi)摩擦角均逐漸減小[61]。

3.2 彈性模量（E0）

彈性模量反映材料抵抗變形能力，從微觀(guān)角度反映原子、離子或分子之間鍵合強(qiáng)度。因此，影響鍵合強(qiáng)度因素均間接改變彈性模量。彈性模量測(cè)定主要有兩種方法：①通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)確定，根據(jù)偏應(yīng)力（σ1-σ3）-應(yīng)變（ε）曲線(xiàn)，選取曲線(xiàn)中直線(xiàn)段擬合，其斜率即為彈性模量值；②粘土多次凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)無(wú)圍壓壓縮試驗(yàn)將應(yīng)變?chǔ)?1%時(shí)對(duì)應(yīng)應(yīng)力值作為土體是否受凍融作用影響標(biāo)準(zhǔn)[62]，通過(guò)下式計(jì)算[63]：

其中，σ為應(yīng)力值，ε為應(yīng)變量。

凍融作用對(duì)彈性模量影響研究相對(duì)較少，王靜等在封閉條件下對(duì)不同塑性指數(shù)土體凍融循環(huán)后不固結(jié)不排水剪切，彈性模量值與圍壓正相關(guān)，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而下降，動(dòng)彈模變化規(guī)律與彈性模量一致[64-65]。王大雁等以青藏粉質(zhì)粘土為試驗(yàn)材料，證實(shí)其隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，彈性模量值先降后升，凍融7次后彈性模量值開(kāi)始升高并保持不變[51]。以哈爾濱黃土為試驗(yàn)材料結(jié)果與上述一致但彈性模量未在第7次出現(xiàn)升高，而是在第5次時(shí)即出現(xiàn)上升趨勢(shì)。劉亞紅研究發(fā)現(xiàn)凍融后土體彈性模量變化幅度與顆粒尺寸有關(guān)，細(xì)土粒凍融后彈性模量變化值較粗顆粒相比較大[46]。凍融作用后彈性模量變化受土體基本性質(zhì)影響，但尚未發(fā)現(xiàn)不同因素對(duì)其影響差異比較。

3.3 阻尼比（ζ）

阻尼比可度量物質(zhì)結(jié)構(gòu)在激振作用下振動(dòng)衰減形式。凍融后土樣不同圍壓下動(dòng)三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，阻尼比隨著圍壓升高而增大，但與凍融循環(huán)次數(shù)無(wú)明顯相關(guān)性[65]。

4 討論及展望

從凍融作用對(duì)土體物理力學(xué)性質(zhì)影響分析可知，試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法是造成試驗(yàn)結(jié)果差異主要原因。在工程實(shí)際和試驗(yàn)研究中，存在問(wèn)題如下：

a.由于不同試驗(yàn)材料性質(zhì)存在差異和試驗(yàn)方法不同，對(duì)土物理力學(xué)指標(biāo)產(chǎn)生影響，尤其土孔隙率（n）和內(nèi)摩擦角（φ）在凍融后產(chǎn)生變化，前者直接關(guān)系到土體內(nèi)部水分場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，后者由于在土抗剪強(qiáng)度中起重要作用且變化規(guī)律差異較大。須以工程實(shí)際使用和運(yùn)行環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)選擇試驗(yàn)材料，對(duì)受土質(zhì)影響較大因素，不建議借用其他材料相近變化規(guī)律設(shè)計(jì)施工。

b.在室內(nèi)模擬凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，不同溫度控制模式對(duì)凍融后土體物理力學(xué)性質(zhì)規(guī)律影響不同，采用施加恒溫和變溫溫度控制模式（時(shí)間和溫度范圍）與野外實(shí)際環(huán)境溫度變化不一致，由于溫度梯度存在差異，凍融過(guò)程對(duì)水分遷移速率產(chǎn)生影響，試驗(yàn)結(jié)果失真。為準(zhǔn)確提供工程設(shè)計(jì)所需各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，建議溫度控制模式結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際氣象資料，通過(guò)模型比尺確定試驗(yàn)溫度控制范圍和變化速率，綜合考慮濕度、降雨等相關(guān)氣象因子，開(kāi)展室內(nèi)凍融循環(huán)模型試驗(yàn)。

c.由于開(kāi)敞系統(tǒng)下凍融循環(huán)模擬試驗(yàn)較復(fù)雜，目前多在封閉系統(tǒng)下研究?jī)鋈诤蟾黜?xiàng)指標(biāo)變化，但與土體實(shí)際狀況不符，封閉系統(tǒng)下各項(xiàng)指標(biāo)變化規(guī)律與實(shí)際誤差亟待確定。

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Research progress on the effect of freezing and thawing on the physical and mechanical properties of soil

/WANG Enliang,JIANG Haiqiang,ZHANG Dong,LIU Fengbo(1.School of Water Conservancy and Civil Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Freezing and thawing cycle could make a great change on the physical and mechanical properties of the soil.As strong weathering which will affect the safety and durability of the structure.The following conclusions were drawn by summarizing the results of previous experiments and making contrastive analysis on the physical and mechanical properties of the soil after the freezing and thawing cycle.The main reason of different results were attributed to the different test materials and methods, especially the porosity and internal friction angle.In solving engineering problems,the confirmation of temperature control mode and the range and rate of temperature were based on the actual meteorological data and the model scale respectively,which consisted with the actual condition.Meanwhile,the model had a higher credibility in the actual project.Due to the complexity of the soil freezing and thawing process,the difference of the physical and mechanical properties under the open and closed systems should be attention.

Cold zone;freezing and thawing;physical properties;mechanical properties;difference

U213.14；U416.168

A

1005-9369（2017）05-0082-07

時(shí)間2017-5-23 13:19:53[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.s.20170523.1319.022.html

汪恩良,姜海強(qiáng),張棟,等.凍融作用對(duì)土體物理力學(xué)性質(zhì)影響研究進(jìn)展[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,48(5):82-88.

Wang Enliang,Jiang Haiqiang,Zhang Dong,et al.Research progress on the effect of freezing and thawing on the physical and mechanical properties of soil[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(5):82-88.(in Chinese with English abstract)

2017-03-02

國(guó)家自然科學(xué)基金（51541901）；黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃（GZ16B020）；黑龍江省自然科學(xué)基金（E201405）

汪恩良（1971-），男，教授，博士，研究方向?yàn)楣こ虄鐾良八そㄖ飪龊Ψ乐渭夹g(shù)。E-mail:HLJWEL@126.com