高山冻土的岩土特性
简介
Arenson等人(2007)概述了冻土的岩土特性以及对多年冻土力学响应有影响的许多因素。由于在山区环境的土壤中经常发现高冰含量和过量的冰和高空气含量，本节重点介绍具有这些特性的土壤。Andersland和Ladanyi(2004)或Esch(2004)对冻土谱的其余部分进行了全面概述。Springman和Arenson(2008)对多年冻土岩土工程的最新进展作了进一步概述。
未冻水含量
大气压下的水在0°C结冰，而土壤孔隙中的水受土壤骨架的影响，在略低的温度下结冰。矿物学、颗粒大小和孔隙水化学可能影响冰点和未冻结水含量，因此在零度以下，液体、未冻结水和冰共存(Anderson和Tice, 1972年;鱼,1985;威廉姆斯,1967;威廉姆斯,1967 b)。在以粗粒土为主、孔隙水一般无矿化度的山区环境中，低于-2°C的未冻水的量可以忽略不计。为了估算未冻水含量，Smith和Tice(1988)和Tice等人(1976)提出了以下关系。
wu = a-9p，其中wu定义为水的重量除以以百分比表示的土壤干重，9是用正数表示的温度，单位为冰点以下摄氏度，a和P为土壤参数。在山区环境中发现的砾石材料的典型值为a = 2.1, P = -0.408(例如Smith和Tice, 1988)。
一般土壤强度考虑因素
冻土的强度受控于与非冻土相似的土粒相互作用和冰基体的胶结效应。然而，基体的强度特性是强烈的非线性和温度以及载荷和变形
率的依赖。一般来说，冰的强度随着温度的降低而增加。在温度接近熔化条件时，土壤颗粒的特定表面影响相变。因为未冻结的水会影响活化能(例如Barnes et al.， 1971;Fish, 1985年)，在接近熔点的温度下，采用Arrhenius方法来解释温度变化将是无效的，应使用不同的方法(例如Hivon和Sego, 1995年)。
当冰含量发生变化时，强度会轻微增加，直到体积冰含量约为40% (Arenson和Springman, 2005b;Goughnour和Andersland, 1968)。然而，研究表明，脏冰中分散的土壤颗粒改变了破坏机制，因此强度略低于纯冰(Arenson和Springman, 2005b;胡克等人，1972年;Yasufuku et al.， 2003)。随着体积含冰量的降低，固体颗粒与膨胀之间产生结构障碍，强度显著提高，蠕变变形显著减小。在较高的相对土壤密度下，与未冻结状态相同的土壤相比，强度的增加可以量化为零应力下的黏聚力(例如，Arenson等人，2004;Nater et al.， 2008)。然而，在很大的应变下，冰粘接失效，破坏了粘结效果和强度冻结的材料强度将与等效的未冻土层相似。
空隙对体积应变行为也有显著影响。对于初始空气含量为25%的样品，在轴向蠕变应变为20%的情况下，在三轴压缩试验中记录了超过10%的体积应变。对含有气泡的冰川冰的实验工作表明，单位体积内气泡的平均数量与平均单轴抗压强度呈负相关(Gagnon and Gammon, 1995)。
加载机制进一步改变了破坏机制，从而改变了冻土的强度。快速加载富冰材料或冰会导致脆性破坏，而低应变率会引起以蠕变变形为主的延性响应。Arenson和Springman (2005a)给出了这种行为的示意图(图3)。
加载速度(应变率)
图3。样品响应是加载速率和冰含量的函数。
冻土的强度参数变化很大，建议针对特定问题进行具体的实验室调查。假定冰的胶结作用不再存在，并考虑到(未冻结)地下水的作用，冻土的未冻结强度可作为下边界。
地面特征
岩土基础
一般来说，永久冻土中的岩石基础与其他岩石基础没有什么不同。因此，永久冻土基岩和岩壁只有在节理和裂缝以及这些不连续处被冰填满时才会带来额外的危险。对填冰节理的直接剪切试验和离心模拟表明，在节理面倾斜方向适当的情况下，陡峭的节理岩石边坡的稳定性由冰维持(Davies等，2001;Davies et al.， 2000)。安全系数随着温度的升高而降低，并达到冰的熔点。这一假设表明，节理岩石边坡在节理中没有冰时是稳定的，在节理中冰处于低温时也是稳定的，但随着冰的变暖，可能会变得不稳定。这一过程可以归因于固井冰变暖时强度和刚度的降低，以及水的存在可能会降低块间的有效应力(Gunzel, 2008)。Gruber和Haeberli(2007)认为暖冰的蠕变敏感性增强可能导致2003年夏季欧洲高海拔地区岩崩活动增加。
由于岩石节理中冰的存在控制着岩石的强度，除了常见的岩体分类外，报告冰是至关重要的(例如Bieniawski, 1989)。
冻土地基具有挑战性，因为地面的力学性质随温度、冰含量和荷载制度的变化而变化。蠕变变形构成了特别的挑战，在设计过程中需要特别注意，因为它们会影响工程结构的可用性。
因此，在土壤和岩石分类过程中，正确地报告地面冰情况是很重要的。由于各种冻土的非均质性，需要有适当的样本量来确定体积冰含量，体积冰含量取决于土壤的最大粒径或岩石的非裂缝长度(图4)。
冻土和岩石节理蠕变
一旦土壤中存在过多的冰，就会发生蠕变。在只有孔隙被冻结的致密土中，结构阻力抑制了任何蠕变变形。然而，当颗粒含量较低时，基体会发生变形和蠕变。即使是薄冰层，例如分离的冰或岩石节理，也可能足以引发蠕变变形。即使在含冰量低的土壤和岩石中，确定冰透镜来判断地面对蠕变运动的敏感性是很重要的。
Andersland和Ladanyi(2004)提出了各种冻土的蠕变规律和性质。富冰土的蠕变参数也可以在Arenson和Springman (2005 a)中找到。
材料
岩石
土壤
弗罗斯特的敏感性:
岩石
裂缝性 |
完整的 |
|
无裂缝长度(NFL)
霜冻敏感
土壤
霜冻敏感
无霜 |
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决定维度: 无裂缝长度(NFL) Max。粮食 样本大小: 体积冰含量:
图4。土壤和岩石的样品大小和体积冰含量作为粒度直径和非裂缝长度的函数的测定。 |
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