[科普中国]-人工冻土

人工冻土是指人为地去制造冻土的一种技术。

大概是19世纪50年代使人工冻土成为可能，之后该技术被广泛地利用在各种土木工程上。

力学特性概述冻土是一种非弹性材料，在外荷载作用下，其应力与应变关系随时间发生变化，且变化有明显的流变特性即蠕变。蠕变就是指在外荷载不变的情况下，冻土才来的变形随时间而发展的现象。另外一个变形特性为松弛，即维持一定的变形量所需要的应力随时间而减小。其次，冻土的强度降低，即随着荷载作用时间的增加，材料抵抗破坏的能力降低。1

试验表明冻土的应力与应变曲线是一系列随时间变化而彼此相似的曲线，不同时刻的应力与应变曲线可以用幂函数方程表示，即：

式中 A-----可变模量（MPa），其为随时间和温度变化而变化的参数；

m-----强化系数，基本上随时间及温度变化而变化。

冻土在不同的恒荷载作用下变形随时间发展的典型蠕变曲线如图1所示。

由图1可以看出，当荷载作用时，首先产生初始的标准瞬时变形（OA段），随后变形速率逐渐减小，进入非稳定的第1蠕变阶段（AB段），在衰减的蠕变过程中，变形速率逐渐降到最小值，变成一常数而进入第2蠕变阶段，即稳定的蠕变阶段（BC段），随着变形的发展，变形速率增加进入第3蠕变阶段，即渐进流阶段（CD段），最后土体发生破坏。

当荷载较小时，变形的发展只出现到第2阶段，即变形的速率逐渐趋向于零。当荷载较大时，变形的发展将很快进入到第3阶段，并随即发生材料破坏。第1和第2蠕变阶段曲线用统一的公式来描述，即：

式中 ε0-----瞬时应变；

εc-----蠕变应变；

A-----与温度有关的蠕变参数；

B，C-----与应力σ、时间t有关的蠕变参数。

冻土强度冻土的强度是指导致冻土破坏和稳定性丧失的某一应力标准。在土木工程应用中，根据冻土结构设计目的有相应的具体设计方法和标准。

冻土是一种非均质、各向异性的非弹性材料，有其特殊的受力特征。冻土的破坏形式有塑性破坏和脆性破坏两种，其影响因素主要有：

（1）颗粒成分。一般来说，粗颗粒的多呈脆性断裂，粘性冻土多呈塑性断裂。

（2）土温。土温高多呈塑性破坏，土温低多呈脆性破坏。

（3）含水量。对于典型冻土，随着含水量的增加通常由脆性破坏过渡到塑性破坏，但含水量进一步增加时，则由塑性破坏过渡到脆性破坏，含土冰多呈脆性破坏。

（4）应变速率。应变速率低多呈塑性破坏，应变速率高多呈脆性破坏。

评价冻土蠕变强度一般有2个有意义的强度指标：一是冻土的瞬时强度，即接近于最大值的强度，通常采用极限强度。它表征土体抵抗迅速破坏的能力，它又有3个指标，即瞬时抗压强度、瞬时抗拉强度和瞬时剪切强度。二是冻土的长期强度极限或称持久强度，即超过它才能发生蠕变破坏的最小应力，它包括持久抗压强度、持久抗拉强度、持久剪切强度。

冻土单轴抗压强度

（1）温度是控制冻土强度的主要因素。无论是砂土，砂砾石土，还是粘性土，其抗压强度都随温度的降低呈线性增大。

冻土极限抗压强度σc（MPa），按下式确定：

中砂

粉砂和粘土

式中 C1，C2-----根据土壤的孔隙率和温度选取的系数，见下表；

t-----冻结土壤的温度（℃）。

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（2）土质是影响冻土蠕变强度的重要因素之一。冻结砾、粗、中、细砂的抗压强度高于冻结粘土的抗压强度。土质的含粘性及矿物颗粒风化都影响冻土强度。对于粘性土，塑性指标是制约强度的因素，冻结粘性土的抗压强度随其塑性指数的增大而减小。

（3）密度增大，冻土蠕变强度也增大，冻土的干容量增大，抗压强度也增大。

（4）冻土在较小含水量区间内，其抗压强度随含水量的增加而增加，当含水量继续增加，而土的密度明显减小时强度不再增加，甚至会降低。

（5）冻土持久抗压强度约为瞬时抗压强度的1/2.5~1/2。

冻土的单轴抗拉强度

砂土与粘土的抗拉强度，见下表。

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冻土抗剪强度

试验表明，对于砂土和粘性土，无论是原状土还是重塑土，只要当应力小于9.8MPa，其冻结后的抗剪强度均可用库仑公式表示：

式中 τ-----瞬时剪切强度（MPa）；

c-----内聚力（MPa）；

σ-----正应力（MPa）；

φ-----内摩擦角（°）。

（1）温度是控制冻土抗剪强度的主要因素。无论是砂土、砂砾石土，还是粘性土，一般可用下式表示：

式中 c0，α，k-----实验参数。

（2）土质是影响冻土抗剪强度的重要因素之一。粗颗粒冻土的抗剪强度要比粘性土高。

（3）冻土持久抗剪强度一般为瞬时抗剪强度的1/6~1/3。

复杂条件下的冻土蠕变强度

在实际过程中，受载的冻土体处于复杂应力状态。工程实践和科学试验都表明，冻土是拉压异性材料，而且围压是冻土蠕变强度和蠕变规律的重要影响因素。

对细砂进行了冻土试验。试验温度范围为-15~-2℃；围压范围是0~5MPa；试样含水量为20%；干容重为1.0~1.65g/cm3。由试验得出土的三轴蠕变曲线如图2所示。

（1）冻土的三轴蠕变过程和单轴蠕变过程一致，具有非常明显的3个阶段：非稳定蠕变阶段、稳定蠕变阶段和渐进流阶段。

（2）冻土的蠕变强度随围压的增加逐渐增大到某一最大值，然后随围压的继续增加出现下降趋势。

（3）单轴应力状态下的蠕变参数不能直接推算到复杂应力状态下的蠕变参数，必须将各种实验结果进行数据处理后确定其参数。

利用在三国志上写着智将魏国的曹操往土垒上泼水固守、因一夜寒冷筑成冻土城堡，攻破闭门不出猛将南辽马超的故事。自古以来就知道冻土坚固，在永久冻土区域即绽也有挖掘隧道，作为地下构造物作贮藏库利用的例子。这样把自然冻土作为构造物开始利用也是相当早的。

人工制造冻土成为可能是19世纪50年代发现冷冻机以后的事，随着冷冻技术的发展，人工冻土被利用在各种土木工程上。把人工冻土壁作为暂时的防水壁，耐力壁所进行的土木工程方法称之为冻结法(Freezing Meth ed)。在以寒冷地区为中心的世界各国，广泛的实施着冻结法，而我国由于地中温度比较高，地基条件也不好，从这一特殊情况出发而独自发展着。

本词条内容贡献者为:

郝庆菊 - 副教授 - 西南大学