复杂条件下冻土力学特性研究及冻土基础离心模型试验

通过本项目研究，在我国首次分别建立了一套可测体变的低温高压蠕变仪和一套寒区工程离心模拟试验装置/系统。大量试验数据表明，人工冻土瞬时抗压强度与粘土的基本物性参数的密切关系。多数人工冻土瞬时三轴剪切强度在围压增高时，三轴剪切强度准则须用曲线型如抛物线型描述。建立了温度、时间等变量分离的人工冻结粘土的本构关系。建立了以冻结壁/冻结管允许变形为准则的深冻结壁时空设计理论和公式。进行了冻土地基模型模拟试验数据吻合，说明热传递比例因素正确;无荷或不同荷载级别下冻土地基重复离心模拟试验、有荷下冻土地基冻胀融沉离心模拟试验数据间比较接近；不同荷载级别下的冻土地基沉降曲线表明既有蠕变产生又有应力非线性的影响。 2100433B

气体、矿物颗粒、未冻水、冰是组成冻土的四种物质成分，气体、未冻水和冰的含量随温度变化。变形特性将冻土地基分为松散、塑性与坚硬冻土含有机物与盐类的不同将冻土分为冻结泥炭化土与盐渍化冻土根据持续时间可分为多年与季节冻土根据冻土的融沉性与土的冻胀性又可分成若干亚类。

冻结状态连续保持三年以上者，物理力学性质随温度变化而改变，伴随发生融陷、热融滑塌、冻胀等现象的视为多年冻土地面表层冬季冻结，夏季全部融化，每年交替冻融一次的土层为季节性冻土。

在冻结状态下，具有较低的压缩性或不具压缩性和较高的强度属冻土地基的工程特性。如果冻土融化后则承载力大大降低，压缩性变化较大，使地基产生融陷冻胀对地基的承载力和安全性极为不利。

土的颗粒大小及含水量可以影响冻胀和融陷，一般土颗粒愈粗，含水量愈小，土的冻胀和融陷性愈小反之愈大。不同土质、平均冻胀率、冻前天然含水量、冻结期间地下水位距冻结面的最小距离可以划分季节性冻土多年冻土根据融化下沉系数的大小，可分为不融沉、弱融沉、融沉、强融沉和融陷五级。

深土冻土力学的基本研究内容应当包括:1）在研究深土的力学参数与深度（即围压）间关系的基础上，实验研究深土冻土力学物理参数、力学特性及数值与深度的关系;2）深土冻土（即有围压条件下形成的冻土）力学性能参数的实验方法和数值的确定;3）研究有围压条件下形成的冻土试件，在卸载或变载试验条件下的本构关系、破坏准则和强度理论;4）深土中冻土试件强度与冻结壁强度间关系（包括几何效应和均质效应等）的实验研究;5）深土中土、冻结壁、工程结构物间力学、热学及其耦合作用研究;6）深土中冻结壁形成和解冻过程与土性和地下结构物间的力学关系;7）其它深土中人工冻结工程中力学问题研究;8）深土冻土力学的试验方法、原理及测试技术。对深土冻土力学的研究方法有些可以借鉴浅土冻土力学的方法和成果。但许多内容是从实验开始。首先要明确深土冻土力学的学术思想和特点，并在其指导下开展深土中冻土力学的力学特性、本构关系、破坏准则和强度理论的实验研究，并逐步上升到规律和理论。 2100433B

（1）力学参数是深度的函数。天然冻土基本不受有外载，即使深10～20 m的土所受外载也很小，可以认为是在无外载条件下，一维（大面积）传热形成的冻土。而深土冻土是人工制冷在有外载（也称“高围压”）条件下形成的。这个外载是土赋存深度的函数。所以深土冻土的力学参数是深度的函数，甚至其物理参数也与深度有关。这些关系和规律有待试验研究。

（2）特殊的荷载历史。深土冻土力学的特点之一是以人工制冷形成的冻结壁，在形成中和形成后都受外载。然后在冻结壁内侧一维或二维突然减载至另一结构物建成阻止其变形后，冻结壁内侧又存在一维或二维的增载过程。所以深土冻土和浅土冻土的应力——变形关系（本构关系）、力学行为、破坏准则和强度理论有何不同有待研究确定。因此将浅土冻土力学的成果外延应用到深土冻土时，常常造成计算结果或设计结果的较大误差，甚至错误，给工程造成严重后果。

（3）深土冻土力学性质的实验方法和数值确定方法有待建立。浅土冻土力学多用在一维承载或冻胀对结构物影响的研究，故用常规的材料力学试验方法，即加载过程试验，求得试件力学参数并应用于工程是可行的，它已被工程实践所证实。而深土冻土力学应用在已受载条件下形成的冻土，且在一维或二维卸载后变形受阻转为加载的荷载历史。故需用有载荷条件下制造试件，用卸载和变载试验求得其力学特性参数。所以从试验方法、设备都要改变。重新建立深土冻土力学参数的实验方法、设备和规范就成为急迫而必要的了。

（4）要研究试件力学参数与结构强度的关系。在材料力学中研究固体材料（特别是金属材料）在均质的、弹性的、小变形的前提下建立的弹性力学可以求出简单结构物的应力分布，再与加载过程的试件力学参数值结合，来确定结构物安全的整体强度和稳定性的方法是成功的。但对于非均质、非弹性的冻土仍用上述方法，无论是应力分布和材料力学参数，以及力学参数与结构形式和几何尺寸的关系有待研究。混凝土材料不只作试件强度，而且作原型结构试验进行对比后得出试件强度（标号）与不同构件条件下可取用的材料强度值的关系。它可作为深土冻土力学参数与冻结壁结构强度关系研究的借鉴。目前只作试件力学参数研究对于深土冻土力学来讲，试验与工程是脱节的。改变这一局面是一个亟待解决的课题。