冻土水-热-力三场耦合机理及本构关系

第1章 绪论 1.1 研究对象和目的 冻土是指具有负温且含有冰的各类土(岩)，主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的部分地区，多年冻土的面积约占全球陆地面积的23％，其中我国多年冻土面积约占国土面积的21.5％，主要分布在青藏高原，东北大、小兴安岭以及西部的天山、阿尔泰山及祁连山等地区。在这广大土地上的道路工程、水利工程、建筑工程、矿山工程、能源工程等的建设和运营与冻土的物理、力学、热学等性质有着密切的关系，充分认识冻土的物理力学性质是冻土工程建设的关键，也是解决冻土工程问题的先决条件。作为多年冻土地区建筑物的地基基础，冻土物理、力学性质直接影响着建筑物的设计原则、运营状况及其运营时间。 冻土是一种对温度敏感和易变的特殊低温地质体，一般由土矿物颗粒、冰、液相水(未冻水和强结合水)和气态包裹体(水汽和空气)四相组成。它们都各有其特性，彼此相互联系，相互作用。冻土中任何组分的物理、力学性质改变都会影响冻土整体的物理、力学性质的变化，温度、压力、水分状况及盐分含量等是控制冻土物理、力学性质的主要因素。 土体：是由松散的颗粒体组成的，其体积大小取决于其成型压力，压力越大，土颗粒越密实，所占的体积越小。也就是说，土颗粒在压力作用下有被压密的趋势。密实的土体具有较大的承载力。 冰：作为冻土中独特的成分，对温度及压力极其敏感。无论是温度升高还是压力增大，都会导致冰的融化，使其丧失承载力以及与土颗粒之间的冻结力。冰的力学性质有别于土的力学性质。冻土中冰含量的多少决定了冰对冻土力学性质的贡献大小。对于非饱和冻土，冰含量决定着冻土中实际承载面积的多少，冰含量越大，冰与土颗粒间的结合总面积越大，冻土承载面积也就越大，因此冻土的强度越大。在超饱和状态，冰含量过大，土颗粒分布稀松，冻土的力学性质主要取决于冰的力学性质，与相对密实饱和的冻土比较，承载力降低，力学性质变得不稳定。 未冻水：存在于冻土和冰中。试验已经证明，即使在-200℃的温度下，冻土中依然存在未冻水。未冻水分为强结合水和弱结合水，处于弱结合力状态的未冻水具有流动性，对冻土的力学性质有着重要的影响。它的存在，使得冻土具有流变性，表现为黏弹、黏塑的力学性质。压力和温度控制着冰与未冻水之间的转化。压力越大、温度越高，未冻水含量越大。未冻水与土骨架和冰一起共同承受荷载。不同的是，未冻水承受外载的能力更易变化，使外载从高应力区向低应力区移动并可能卸掉部分或全部所承受的荷载，由土骨架承担。因此，压力除具有增大土颗粒的密实度和强化土体的作用，与一般土力学概念的差异是，压力同时导致未冻水增加，由此导致冻土承载力降低，流变性增强。 无论是天然冻土地基还是人工冻结问题，冻土体都是一种承受荷载的材料。冻土的承载力取决于冻土材料的力学性质，只有了解和掌握了冻土材料的基本力学性质，才能准确地确定冻土的承载能力，也才能使冻土工程设计更科学、更可靠。因此，冻土力学性质的研究成为冻土工程中*重要的任务之一。 正是因为冻土由土颗粒及可相变的冰和未冻水组成，冻土的力学性质受土质、压力、温度等因素影响而变得非常复杂。在土体冻结或冻土融化过程中，温度、水分、应力三场的相互作用是一个极其复杂的热力学、物理化学和力学的综合问题。水冰相变或冰水相变以及水分迁移聚冰现象的存在，成为冻土介质本身所特有的力学问题，即水-热-力三场耦合问题。冻土温度场的变化会引起水分迁移和应力状态的改变；反过来，应力场的变化又引起温度场和水分场的重分布，这三场相互制约的关系存在于冻融的全过程。 在降温过程中，土颗粒自身要发生冷缩，而土中水冻结要发生膨胀，决定土体是冻胀还是冷缩的是土的含水量。多数情况下，含水土层冻结都要产生冻胀，冻胀量的大小主要取决于原土层含水状况及水分迁移量。冻胀量的大小又是决定土体是否发生破坏的主要原因。冻胀现象使路基的平整性受到破坏，由于冻结过程中的水分迁移和聚冰，路面产生较大的拱起及裂缝等病害，此外冻胀也将导致多年冻土地区桥梁及防护工程等构造产生不均匀变形、倾斜等破坏。 有关资料表明，土体中的热状况、水分状况与变化规律以及由此引起的应力重分布是引起冻害及融沉的主要因素。在寒冷的气候条件下，土体中的水分会冻结成冰并膨胀，同时未冻结区的水(如地下水)会源源不断地向冻结区迁移并结冰，引起更大的冻胀及破坏力，致使路基扭曲和折断。在夏季或人为的热干扰下，原已冻结的土会融化，土体因排水固结下沉，进而引起道路不均匀变形、坍塌、开裂。因此，正确认识多年冻土的性质，围绕改善冻土中水、热状况来处治冻害，以避免冻害的发生或将其降到*低限度，是多年冻土工程建设和发展的保证。 寒区道路工程中预报路基热稳定状况是一个十分重要而复杂的问题，主要在于冻融过程中其热量传输、水分迁移与相变过程是相互作用、相互影响的，并不是由单独的某个因素所造成，路基中的温度场、水分场是动态变化的，其耦合效应是导致许多工程冻害问题的直接原因。 多年冻土地区的道路稳定性取决于变形场及应力场状况，而应力场及变形场与温度场和水分场紧密相连，它们相互作用，相互影响。可以这样讲，传统的温度场、水分场及应力场等单一场的研究难以深入揭示冻胀病害的规律，不能定量解释各种病害的深层原因，阻碍了有效防治对策的制定。因此，本书将单一场和影响因素的研究发展到从传热学、物理化学及工程力学三方面的综合统一，研究冻土路基温度场、水分场及应力场耦合效应的变化规律，以便为多年冻土地区路基设计方法提供理论依据，为防治冻土病害工程措施提供参考。图1-1是冻土地貌照片，图1-2是青藏高原冻土照片。 图1-1 冻土地貌 图1-2 青藏高原冻土 1.2 冻土基本力学性质及特点 冻土力学是冻土学和现代岩石力学的重要分支学科，也是寒区冻土工程学的基础理论之一。其研究对象基本上是由天然冷(即气候)形成的冻土，主要研究内容是冻土活动层的冻结融化物理力学过程，冻土层在外界作用影响下的力学过程，正冻土、冻土、正融土的强度特征和变形行为，冻土与建筑物(基础)相互作用关系，以及工程冻害的评价与防治措施等。 冻土的内部含有极具流变性的物质——冰，水冰相变及水分迁移聚冰现象的存在是冻土介质本身特有的物理力学问题，这使得冻土与普通土的力学性质有很大的差异。正是由于土中胶结冰的存在，冻土的力学性质除了与常温土特性一样和土颗粒构成、含水量等有关，更重要的是还和温度、承载时间有密切关系。这些决定了对冻土力学性质试验研究的复杂性。 我国在20世纪60年代初开始进行冻土力学性质的研究，在70年代中期的青藏公路建设项目支持下开始进行冻土力学性质的试验研究。初期的工作主要为现场实地观测，取得实测数据，并加以整理和归纳，*后得到近似经验公式。从20世纪70年代末和80年代初开始，随着我国寒区工程建设以及人工冻结工程应用的不断发展，特别是冻土工程国家重点实验室的建立，逐渐培养出了我国的一支冻土基础研究队伍。我国的冻土研究工作者在室内对冻土强度和蠕变等力学性质进行系统研究，得到了冻土强度与温度的关系、蠕变特征、强度与时间的关系、简单应力条件下冻土应力-应变-时间的本构关系等，初步奠定了我国冻土力学框架。从总体上看，现在我国冻土力学的研究已赶上或接近国际水平，在某些方面已处于国际领先地位。 冻土的力学性质主要包括应力-应变关系、强度和蠕变特性、损伤演化机理等。在冻土的应力-应变关系研究方面，研究者发现冻土的应力-应变关系不能用 来统一描述，而应该用不同的方程来描述不同类型的应力-应变关系。研究人员根据大量试验将冻土的应力-应变关系分成9种基本类型，并分别给出了它们各自的应力-应变方程，编制了冻土的应力-应变关系类型图。研究者或工程技术人员只要根据需要解决问题的土质、含水量、应变率及温度资料，就可以从该图中查出对应的应力-应变关系类型并确定其应力-应变方程。 冻土的强度和蠕变特性是冻土力学的主要特征之一，无论是冻土的强度还是蠕变特性，无一例外与胶结冰的性质密切相关。一般认为，冻土中的冰属于多晶冰，多晶冰的强度受许多因素影响，其中*主要的因素是温度、压力、应变率以及冰晶的大小、结构和方向等。冰的强度随温度的降低而增加，并随冰晶的大小、方向、密度和结构的变化而变化；随着应变率的增大，冰的强度也逐渐增大，表现在破坏类型上出现由塑性到脆性的变化。在围压的作用下，冻土的强度随围压的增加而增大，但随着围压的进一步增大，冻土的强度又会略有降低。 随着科学技术的发展，一些新的技术成果也应用到冻土力学性质的研究上来。将电子计算机断层扫描(CT)应用于冻土细观结构分析研究，开拓了试验研究的新领域。通过CT观测分析冻土蠕变过程中结构变化的细观分析发现：蠕变过程中结构缺陷的增生与扩展制约着土结构的强化与弱化作用，控制着蠕变变形形态特征；易破坏区首先发生于样品的低密薄弱层面的薄弱区，对单轴蠕变在薄弱层面形成一环状低密带，然后向外扩展*终导致整体结构的破坏；对三轴蠕变在样品薄弱段的表面形成拉伸裂缝，然后向内扩展*终导致整体结构的破坏。冻土在受力过程中微结构变化研究结果表明：在瞬时荷载作用下，各单元接合处即存在孔洞、裂隙等结构缺陷处是*薄弱的，在这里发生应力集中、孔隙冰的压融和脆性键的断裂，并伴随有结构单元的不可逆位移和连续性的中断；在冻土蠕变过程中所进行的微裂隙的发育与闭合、颗粒集合体的破坏以及其他结构缺陷的增生与扩展、结构单元的重定向，都制约着土结构的强化与弱化作用，控制着蠕变过程的形态特征。 1.3 冻土的热质与水分迁移及其冻胀理论 作为冻土物理学的基本内容，冻土的热质迁移与水分迁移研究总是引起各国学者极大的兴趣。这主要是因为冻土的热质与水分迁移决定了冻土的冻结和融化过程，直接影响冻土的冻胀和融沉性质。 为了定性或定量描述冻土中的水分与能态特征，需要引入热力学的态函数。由于历史和学科差异，出现了不同学科和技术领域对于一个本质上相同的量引入了不同术语的情况。在描述土水系统中的热力学关系时，运用了Gibbs自由能的概念，并详细论述了使用Gibbs自由能的优点；在土壤学科，则是使用吸力的概念；在土力学中一般都采用孔隙水压力来描述土中水的运动，而水力学和流体力学使用*广泛的则是势。在冻土物理学中，针对不同的具体问题，常常采用土水势和吸力这两个概念。一般将土水势视为压力势、温度势、重力势、基质势、渗透势和电力势等分势构成的总势，其中的任何一分势梯度均可能引起水分迁移。 冻土中的水分运动是由其所受力的不平衡引起的，它受物理的和化学的等诸多势能的影响。国外先后提出的描述冻土水分迁移驱动力的14种假说，其中较有影响力的是Everett(1961)提出的毛细理论和Beskow(1935)提出的薄膜理论并由Beskow进一步发展为吸附-薄膜理论。虽然毛细理论*后被证明存在很大的缺陷，但是在历史上该理论对冻胀机理的研究也作出了不少贡献。吸附-薄膜理论的主要思想是介于冰和土颗粒间的未冻水薄膜的厚度是温度的函数，在一定温度保持一定的厚度，未冻水从邻近温度较高、未冻水薄膜较厚处向温度较低、未冻水薄膜较薄处迁移，其本质体现了冻土中未冻水和冰的动力平衡原理。后来，研究者通过试验结果支持了该理论，目前，未冻水的薄膜理论已为大多数学者所承认。 水分迁移可以分为直接迁移与间接迁移。直接迁移是指由压力势造成的渗流运动，一般满足层流的条件，可用Darcy定律描述；间接迁移一般包括温度势、溶质势或电位势作用下的水分迁移。在冻土中温度梯度引起未冻水分的迁移已经被试验所证实。 一般来说，多孔介质中的热量输运有三种基本方式，即传导、对流和辐射，Gardner等(1984)又将这三种基本的传热方式划分为六种传输途径，各种传输途径在多孔介质中所占的地位并不相同。正冻土的热量迁移按其机理可以分为直接迁移和间接迁移。直接迁移是指在温度势作用下以热传导方式进行的热量迁移，它也