中国冻土力学研究50a回顾与展望.pdf

第 34 卷 第 4 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.34 No.4 2012 年 .4 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Apr. 2012 中国冻土力学研究50 a回顾与展望 马 巍，王大雁 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000 摘 要中国多年冻土和季节冻土面积分别占国土面积的 21.5和 53.5。在这些地区，地表层都被一层冬冻夏融的冻 结–融化层覆盖，作为地基的冻结–融化层，在其冻融过程中土体性质受气温的变化直接影响着上部建筑物的稳定与 安全，因此，在冻土地区进行水利工程、工业与民用建筑及交通运输工程的建设，就必须对冻土及其与工程建筑物相 互作用的一系列工程冻土学理论和实践问题做出解答，以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性、耐久性及经济合理性。 简要回顾了中国冻土力学的创始和发展过程，阐述了冻土力学在强度与变形、本构模型研究、水热过程研究、冻土与 结构物相互作用研究及冻土力学测试技术的发展等 5 个方面的成就，并根据冻土力学学科特点、工程建设对冻土力学 发展的要求以及相关学科的发展趋势，展望了冻土力学未来的发展方向。 关键词冻土力学；成就；冻土强度；冻土水热过程；冻土本构模型 中图分类号TU47 文献标识码A 文章编号1000–4548201204–0625–16 作者简介马 巍1963– ，男，研究员，博士生导师，主要从事冻土力学与寒区工程的研究工作。E_mail mawei。 Studies on frozen soil mechanics in China in past 50 years and their prospect MA Wei, WANG Da-yan State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, CAS, Lanzhou 730000, China Abstract China has a land area of 2.15 million km2 covered by permafrost and is named as a third permafrost giant in the world, but it is relative later to systematically study the permafrost, especially the frozen soil mechanics. Since the 1950s, many studies have been carried out to investigate the characteristic of frozen soils for the economic and social development in permafrost regions. The achievements of the frozen soil mechanics in the stress-strain relationship, constitutive modeling, thermal-moisture process, frozen soil-structure interaction and test s in China are reviewed, and the development trend for studies on the frozen soil mechanics study is predicted according to its subject characteristics, construction demand and the development trend of related subjects. Key words frozen soil mechanics; achievement; strength; hydration; constitutive modeling 0 引 言 冻土力学属于岩土力学的范畴，但由于冻土中冰 的存在，使其力学性质与普通岩土类材料的力学性质 相差很大。半个多世纪来，伴随着国家对寒区交通、 能源、通讯等设施的建设以及寒区经济的发展，中国 冻土力学研究从无到有，逐步深化，在广泛实践中实 现了为寒区工程建设服务的价值。中国冻土力学研究 与寒区科学事业相伴，走过了近 60 a 的风雨历程。在 此回顾冻土力学在中国的发展历史、发展现状，传承 厚重的历史成就，在丰富的知识积累的基础上去认识 自然，去理解工程建设与基础研究的关系，将为冻土 力学的持续发展与创新提供借鉴与参考。 冻土是指温度在 0℃或 0℃以下， 并含有冰的各种 岩石和土壤。在中国青藏高原、西北高山和东北北部 的大、小兴安岭及松嫩平原等地区分布着大片的多年 冻土，而在贺兰山至哀牢山一线以西的广大地区，以 及此线以东，秦岭淮河线以北地区又是季节冻土的 所在地。在这些地区，地表层都存在一层冬冻夏融的 冻结–融化层，作为地基的冻结–融化层，在其冻融 过程中土体性质受气温的变化直接影响着上部建筑物 ─────── 基金项目国家自然科学基金项目（41071048）；国家自然科学基金 创新群体项目（41121061）；中国科学院知识创新工程重要方向性项 目青年基金类项目（KZCX2-YW-QN307）；国家重点基础研究发展计 划（973 项目）（2012CB026106）；冻土工程国家重点实验室课题项 目（SKLFSE-ZY-02-3）；中科院“百人计划”项目 收稿日期2011–01–25 626 岩 土 工 程 学 报 2012 年 的稳定与安全，因此，在冻土地区进行水利工程、工 业与民用建筑及交通运输工程的建设，就必须对冻土 及其与工程建筑物相互作用的一系列工程冻土学理论 和实践问题做出解答，以确保冻土地基上工程建筑物 的稳定性、耐久性及经济合理性。回顾近 50 a 以来中 国冻土力学的发展，它是紧紧围绕我国寒区工程建设 中出现的冻土工程问题而展开的。 1 中国冻土力学发展的历史回顾 寒区资源、能源开发以及交通运输、工业与民用 建筑的建设对冻土力学知识的需求，为冻土力学成为 土力学研究领域的一个重要分支奠定了基础，同时冻 土力学的发展也促进了寒区工程建设、经济发展。自 20 世纪 30 年代世界上第一部冻土力学专著冻土力 学基础在前苏联问世以来，冻土力学作为一门学科 已有 70 多年历史。在这 70 多年里，随着人们对冻土 区地质环境的认识及其研究方法、技术手段的提高， 冻土力学认识问题和解决问题的能力及其学科内涵进 一步充实、提高。 冻土力学是应用科学，是为冻土区的工程建设服 务的。回顾中国冻土力学的创立与发展，就是解决寒 区工程建设所遇到的主要冻害问题的过程，它的发展 与寒区岩土工程的发展态势密切相关，大体上经历了 两个阶段。 1.1 创立与发展阶段 （20 世纪 60 年代至 70 年代末） 中国对冻土力学的研究相对滞后于中国对冻土的 认识， 中国对冻土的认识始于解放后即 1949 年新中国 成立以后，为满足东北及青藏高原冻土区矿藏调查、 林业开发、 铁路和公路建设以及工业与民用建筑等各项 生产建设的需要，开展了冻土调查及资料收集工作[1]， 此时，人们才开始关注冻土、认识冻土。也就是在这 一时期，寒区工程建设过程中地基处理方法的选择使 工程师们开始意识到，气温的变化对冻土力学性质的 影响，使得冻土的强度与未冻土有很大差别，采用常 规的地基处理方法来处理冻土区的地基是无法保证上 层建筑的安全、稳定的。因此，60 年代初，铁路、公 路、水利、建筑、科研、林业、煤炭等部门及有关高 等院校，都先后成立了相应的冻土研究机构，开始对 冻土区严重的道路翻浆和工业与民用建筑的冻害进行 调查并开展室内冻胀试验研究。在这些冻土研究机构 中， 以 1966 年在兰州建成的冻土低温实验室最具代表 性，由于这个实验室的成立，使得室内系统的研究冻 土力学性质成为可能。 在 70 年代， 以兰州低温实验室 为基地，以青藏高原、大兴安岭与天山铁路，格尔木 至拉萨输油管道、祁连山矿山、北方基本建设及冻结 凿井等工程的需要为目的，较全面地开展了系统的科 学考察、室内模拟与现场实体工程等试验研究工作。 在此过程中，冻土学家一方面自主地把通过试验获得 的冻土力学知识应用于寒区工程实践，另一方面引进 并学习前苏联在冻土力学方面的知识，从实践和理论 两方面开始探索寒区工程建设中的关键技术理论问 题，这一时期是从感性认识上升到理性认识的过渡阶 段，从对观测资料的收集过渡到规律的总结阶段。所 以，把这一阶段称为中国冻土力学研究的创立与发展 阶段。 1.2 全面发展壮大阶段（1978 年～至今） 20 世纪 70 年代末，中国经济、社会步入改革开 放的发展时期，各行各业的协同发展，迎来广泛的学 术交流与合作， 中国人的学术成果开始走上国际讲坛， 国外同行的学术思想也为寒区科学事业的发展提供支 持。而计算机技术的发展与广泛应用又为科学技术的 进步提供了强有力的工具，起到了巨大的推动作用。 中国冻土力学研究就在这科学春天的阳光沐浴下茁壮 成长。这一阶段的主要历史标志为 （1）冻土力学理论体系的建立 自 1978 年改革开放以后， 中国冻土力学研究进入 了百花齐放，百家争鸣的发展时期。以西部高山、青 藏高原及东北多年冻土区经济发展的需要和两淮人工 冻结凿井技术在矿井建设中的应用为目的，以中国科 学院兰州冰川冻土所（现更名为寒区旱区环境与工程 研究所）为基地，展开了普通冻土学、冻土物理力学 和冻土工程学等全方位的系统研究，特别是冻土工程 国家重点实验室于 1991 年在中国科学院兰州冰川冻 土研究所建成并向国内外开放，为冻土学科的深入发 展和人才培养提供了良好的实验条件，许多前沿性基 础性课题研究，在该实验室取得长足发展，并取得了 令世界瞩目的成绩，使中国冻土力学学科进入世界先 进行列。通过不完全的检索，中国自 20 世纪 80 年代 以来，已出版的冻土研究专著上百部，各种科学研究 论文数千篇， 这些著作和一大批重大工程的研究成果、 工程报告全面展示了中国冻土力学研究的成就，形成 了自己的理论体系， 概括为 以冻土力学研究为基础， 以工程冻土问题分析为核心，以工程应用为目的，以 科学试验研究为手段。以老一辈冻土学家周幼吾、吴 紫汪、程国栋、陈肖柏、朱元林、徐学祖、童伯良、 童长江等为代表的专家，在艰苦的条件下，做试验、 搞研究， 为这一理论体系的建立做出了奠基性的贡献。 基本理论体系的建立，使认识到对冻土宏观力学性质 的研究必须引申到对冻土中水热迁移和成冰规律的 微、细观研究上，引申到冻土相变过程发生的热传导 特征、土壤热物理性质和水分输运参数与温度和相成 第 4 期 马 巍，等. 中国冻土力学研究 50 a 回顾与展望 627 分的关系上， 从而研究人员借助先进的电镜扫描技术、 CT 扫描技术和压汞仪等仪器，开展了土、水、热、 力和溶质 5 大要素对土中水成冰过程和冷生组构形成 规律的影响研究。 （2）研究成果走向世界，并赶超国际水平 自 1978 年中国学者应邀参加第三届国际冻土大 会以来，中国冻土学家先后组团参加了七届国际冻土 大会，两次国际地层冻结与土冻结作用会议，并成功 主办了第六届国际冻土大会、国际多年冻土工程会议 以及亚洲冻土会议。通过参加与主办国际会议，使中 国在冻土研究领域的科研成果走向世界，并在与国际 同行交流的过程中，得到提升和发展，逐渐与国际研 究水平接轨，并成为国际冻土研究的领跑者。在近几 届国际冻土大会的学术论文中，中国学者的论文名列 前茅，程国栋院士当选第五届国际冻土协会副主席 （1988～1993） 、第六届国际冻土学会主席（1993～ 1998） ， 朱元林当选为第六届、 第七届国际冻土学会执 委，马巍等当选为第七届国际冻土学会中国理事、第 八届、第九届国际冻土学会执委等即是有力的说明。 中国在冻土力学研究方面的建树不仅为中国寒区工程 建设提供了有效的理论指导，而且带着自己的特色走 向世界，使中国冻土力学研究的发展在国际上具有举 足轻重的地位。 （3）在实践中开拓了新的生长点 进入 20 世纪 80 年代后期，随着生产力的发展和 科技进步以及社会需求的不断增长，浅表资源的贫化 逐渐使中国的工程建设转向地下，如地下电站、地下 铁道的建设，越江、越海隧道、地下市政的建设以及 向深部要资源的矿山工程等。当这些工程遇到软土、 不稳含水土层、流砂、高水压等复杂的工程地质和水 文地质条件时，人工冻结法将成为行之有效的技术之 一。但由于人工冻结法形成的冻土与天然冻土在冻结 方式、 受荷历史、 承载结构和应力路径等方面的不同， 无法将现有的对天然冻土力学的研究成果应用到人工 冻结工程中，从而产生了一个新的学科生长点深 部人工冻土力学。 2 中国冻土力学研究的成就 面对冻土这样一个极其复杂的研究对象，理论的 发展是很艰难的。但经过学者们的不懈努力，冻土力 学还是取得了很大的成就并不断前进。它的发展经历 了以试验为基础研究冻土在特定条件下的主要特点， 并确定各物理量间的函数关系及模型中参数值的试验 冻土力学研究阶段；经历了以连续介质力学的基本理 论为基础，结合弹性、塑性、黏性理论来建立冻土本 构模型的唯象本构模型研究阶段；进入到现在的以充 分考虑冻土材料的细观组构及其水热过程的细微观本 构模型研究阶段。在每一阶段的研究过程中，始终坚 持工程实践是检验冻土力学理论正确与否的唯一标 准，也是冻土力学理论发展的源泉和动力。下面我们 主要从冻土的强度与变形、冻土的本构模型研究、冻 土的水热过程研究、冻土与结构物相互作用研究及冻 土力学测试技术的发展等 5 个方面总结中国在冻土力 学研究方面所取得的成就。 2.1 冻土的强度与变形 中国比较系统地进行冻土强度蠕变研究起始于 20 世纪 70 年代，最初是为解决青藏铁路建设中的冻 土问题。其冻土强度与蠕变研究也是沿袭前苏联的研 究方法，通过大量室内外试验取得了许多成果，给出 了工程设计的应用参数。第一届、第二届全国冻土学 术会议论文集[2-3]、青藏冻土研究论文集[4]以及中国地 理学会冰川冻土学术论文集[5]等是这一阶段主要工作 的反映。自 20 世纪 80 年代以后，随着两淮人工冻结 凿井工程的施工，以及青藏公路的上马，使中国冻土 强度与蠕变有了长足发展，最有代表的论著有冻结 凿井冻土壁的工程性质 、 冻土路基工程[6-7]。20 世纪 90 年代初冻土工程国家重点实验室建立以来， 我 国冻土强度蠕变研究迈上了新的台阶，冻土静力学研 究、冻土动力学研究、引用相邻学科的理论和研究方 法进行冻土力学研究，特别是微观机理试验研究等方 面取得了一定的进展和可喜的成果，丰富和发展了冻 土力学的研究内容，使中国冻土强度和蠕变研究处于 国际领先地位[8-9]。尤其是近 10 多年来，由于西部寒 区工程建设、东部矿井的开挖以及地铁隧道建设的需 要，各大科研院所、高校等对冻土的力学性质根据各 自的需要， 就常规冻土与深部人工冻土的强度与变形， 运用不同的研究方法进行了大量的研究。 在常规冻土基本力学性质的研究方面，吴紫汪等 提出了用现场载板试验、塑性流动方程及应力–应变 曲线等确定冻土长期强度的方法，并讨论分析了单轴 恒应变状态下，冻结黄土的松弛规律及影响因素，给 出确定流变体黏质系数的新方法，研究围压和温度对 冻结兰州砂土塑性及应变硬化性能的作用，并通过观 测分析冻土单轴及三轴蠕变过程中细观结构的变化情 况， 提出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[10-17]。 朱元林通过对冻结粉土和砂土单轴试验数据的分析， 分别给出了描述粉土和砂土单轴极限抗压强度随应变 率和温度变化的数学模型，研究了温度、含水率和变 形速度对冻土的抗拉强度的影响，并将速率过程理论 用于研究冻土的蠕变特性，提出了冻结粉土的速率过 628 岩 土 工 程 学 报 2012 年 程理论方程[18-22]。马巍等通过对冻结砂土进行三轴蠕 变试验，证明了冻土在蠕变过程中体积变化不为零的 事实，并用试验数据分析了剪应力强度与冻土的体积 变化的关系[23-25]。通过对冻土单轴抗压强度试验数据 的分析，令峰等学者认为，伴随应力–应变增加的不 可逆破坏，冻土应力–应变曲线的细观结构也呈现为 阶梯形曲线， 从而将 Mandelbrot 的分形几何理论引入 冻土力学研究，利用分形几何中的线性双曲迭代函数 系统理论LHIFS，得到了用 LHIFS 生成的线性形插 函数LFIF 即 LHIFS 的吸引子 逼近冻土应力–应 变曲线的方法，并给出了计算应力–应变曲线分形维 数的方法[26]。屈服面是塑性本构理论中的重要方面， 如何建立屈服面理论及具体构造屈服面历来都是塑性 力学的重要研究内容，由于冻土是弹塑性体，所以屈 服面的研究在冻土的力学和本构研究中也不例外。继 马巍等给出冻土的抛物线型屈服准则以后，朱志武等 基于广义塑性力学，通过对已有屈服函数 Matsuoka- Nakai 屈服准则的修改，提出了一个冻土屈服函数， 并对此函数进行了具体研究[27-28]。何平等从非饱和冻 土强度与饱和冻土强度的联系出发，分析非饱和冻土 强度的形成机理，提出合理且较为方便的非饱和冻土 强度的计算关系式[29]。 目前，在冻土动力学研究方面，中国也取得了很 大的进展。朱元林等通过对冻结粉土（兰州黄土）在 不同围压下进行轴向振动三轴蠕变试验，提出了冻土 在振动荷载作用下的三轴蠕变模型，并对模型中各参 数的物理意义及变化规律进行了讨论[8-9]。 徐学燕等在 大量低温动三轴试验基础上给出冻土的应力–应变关 系、参数和动弹模量的确定方法，在国内首次得到冻 土动泊松比的数值，并给出冻土的动弹模量、动泊松 比、 动剪切模量、 动阻尼比的数值及它们与冻土温度、 振动频率的关系[30-31]。凌贤长等基于对冻结哈尔滨粉 质黏土动三轴试验前后试件 CT 检测结果，详细研究 了冻土的动强度、微观变形机制和结构损伤等变化特 性及其与试验的负温和围压、土的含水率和重度、轴 向荷载的振动频率和振动次数等主要影响因素之间的 关系。并利用以上数据定量分析了冻土的密度、结构 及损伤度等方面的变化及动三轴试验前、后 CT 数增 量、方差增量与围压、负温之间的关系，分析了在振 动荷载作用下冻土内部孔隙、裂隙扩展过程，从附加 损伤的角度证实了临界围压值的存在，明确了冻结粉 质黏土结构弱化的根本原因是孔隙冰的压融和微裂隙 的发育[32]。基于冻土的阻尼比是分析冻土区建筑物动 力反应的必不可少的计算参数，徐春华在大量低温动 三轴试验资料基础上，对冻土的动应力–应变关系试 验成果进行了分析，给出试验温度、围压、土的含水 率、轴向动荷载的振动频率和振动次数等对冻土的阻 尼比的影响关系，得出了冻土温度、围压、频率是影 响冻结粉质黏土动阻尼比的主要因素[33]。赵淑萍等还 就振动频率、振动幅值等因素对冻土的动蠕变特性进 行研究，这些研究为进一步深入开展冻土场地动力特 性研究提供了基础的试验资料与研究结果[34]。最近， 基于寒区工程稳定性现场监测研究所面临的诸多问 题，如影响因素多、条件复杂、现场条件恶劣、研究 费用高以及周期长等，冻土工程国家重点实验室利用 模型试验的优势，开发研制成功了“寒区工程动荷载 模型试验系统” ， 利用这一研究平台， 可对动荷载作用 下的寒区工程的应力场、温度场变化进行模拟研究， 并进行变形监测及稳定性分析，对于解决我国寒区重 大工程建设中的动荷载响应问题，保持我国冻土动力 学研究的国际领先地位都具有积极意义。 为了研究冻土在荷载作用下从发生微小裂纹开始 到产生宏观裂纹直至破坏的整个过程，损伤力学被引 入冻土研究中，苗天德等基于冻土和多晶冰的系列蠕 变试验，应用“复形–电镜”方法对冻土微结构进行 观测，在总结前人有关研究成果的基础上，认为冻土 中冰的胶结黏聚力，在荷载作用下矿物颗粒的重新定 向以及微裂纹的萌生和扩展控制着冻土的整个破坏过 程[35]。由此在理论上借助于当代损伤力学处理问题的 框架， 引入冻土蠕变的耗散势， 并将其构造为含冰量、 颗粒定向因子以及面积损伤因子等表征微结构变化的 内变量的函数， 建立了冻土蠕变的三维损伤演化方程， 给出了单轴蠕变过程各阶段过渡的判据。这一结果从 理论上描述了冻土蠕变过程的 “强化” 和 “弱化”现象。 刘增利等基于冻土单轴压缩的 CT 动态测试，提出冻 土单轴压缩下的损伤由完全不同的两个阶段组成其 一是塑性硬化下的塑性损伤，其二是由于新产生的裂 隙造成的微裂纹损伤，并对两种不同损伤阶段下冻土 微结构变化特征进行了讨论，给出了各阶段损伤量计 算公式[36]。 李洪升等认为冻土破坏的过程是微裂纹损伤 与临界串接的演化过程， 确认了冻土微裂纹损伤区的存 在， 并分别用莫尔准则和最大拉应力准则建立了微裂纹 损伤区计算模式。冻土是典型的多相复合材料，除了土 体颗粒、冰晶体、未冻水之外，还存在有大量的低密度 区和孔隙，这一点使得用冻土断裂力学方法研究冻土 的强度特性成为可能[37]。从 1995 年开始，李洪升等开 始进行冻土断裂力学方面的研究，通过对冻土断裂韧 度测试理论和方法的探讨，进行冻土断裂韧度的测试 和裂纹开裂过程区特性的微观研究，以期建立一个以 断裂韧度为参量的广义强度破坏理论[38-41]。 近来，由于青藏铁路工程建设中有不少路段穿越 高温高含冰量冻土区，在这一多年冻土地区，冻土中 第 4 期 马 巍，等. 中国冻土力学研究 50 a 回顾与展望 629 的含冰量常常高于相应的饱和土冻结后的含冰量，从 而使其在较高的负温状态下表现出不同于我们通常所 研究冻土的力学特性。正是这一特殊性，影响着铁路 沿线建筑物的设计施工和铁路的安全运营，因此，对 高温高含冰量冻土力学性质的研究是目前冻土学家关 注的重点。从现场旁压试验到室内试验研究，从对高 温高含冰量冻土静强度的测试到动强度以及残余强度 的研究。通过这大量的研究，回答了含水率的变化如 何影响高温高含冰量冻土动蠕变强度的问题， 给出了高 温–高含冰量冻结黏土单轴压缩蠕变方程、 应力–应变 关系和长期强度方程[42]； 获得了冻结砂土的强度屈服准 则[43]； 并利用大量的单轴试验数据， 对高温冻土的弹性 模量及强度概率分布进行统计分析， 给出高温高含冰量 冻土的强度和弹性模量的概率分布规律[44]。 随着人工冻结技术在深厚松散土层矿井建设中的 广泛应用及凿井深度的不断加深，工程病害事故接连 出现，许多专家学者逐步认识到，传统的浅层（或表 层）冻土力学理论和参数已不适用于深层冻土结构稳 定性评价，因此，深部冻土力学研究应运而生。崔广 心教授通过分析深部冻土与浅部冻土的成因以及在工 程中的作用，从冻结方式、受载历史、承载结构、应 力路径等 4 个方面详细论述了它们之间的区别与联 系，从而肯定了将浅部冻土力学的成果外延应用到深 部冻土时，造成计算结果或设计结果错误是必然的， 并给出了深部冻土力学研究的基本框架[45-46]。随后， 马巍等为了探索深部冻土力学较为理想的室内试验方 法，通过对 K0排水固结试样、等压排水固结试样、等 压不排水固结试样和先冻结后固结试样进行三轴试 验， 提出 K0排水固结试验方式是适合于研究深部冻土 力学性质的、最为理想的室内试验模式。根据这一试 验方法，就增加轴压和卸除围压两种不同应力路径对 深部冻土的破坏强度和破坏应变进行比较，进一步用 理论证明了按增压试验的强度指标进行冻结壁稳定性 设计时，随着开挖深度的增大，导致冻结壁坍塌和冻 结管的断裂的原因。任何事物都不是独立存在的，它 们之间既有区别又有联系，深部冻土与浅部冻土也一 样，他们之间即存在差别，肯定也存在联系[47-49]。为 了找出深部冻土力学与浅部冻土力学之间的联系，马 巍等将深部冻土力学试验模式下所得到冻土的力学性 质与常规冻土力学实验方法下所得到的结果进行比 较，在两者的强度和两者变形之间建立了一种函数关 系，这就为将现有的一些研究成果直接应用于深部冻 土力学研究中打下了基础[50]。同时，王大雁等根据前 人提出的实验方法， 就深部人工冻土的应力–变关系， 深部人工冻土实际的弹性变形范围以及深部人工冻土 的初始刚度和强度特征等做了详细的试验研究，这些 研究不仅完善和发展了深部冻土力学理论，而且丰富 和充实了现有的冻土力学理论[51-54]。 2.2 冻土的本构关系研究 所谓本构关系是指自然界的作用与由该作用产生 的效应两者之间的关系。冻土作为一种特殊的岩土类 材料，由于土中冰包裹体和未冻的黏滞水膜的存在， 使得构建冻土材料的本构模型成为一项相当困难的工 作，尽管如此，许多学者还是在这方面进行了大胆的 探索。 早期对于冻土本构模型的研究，都是基于连续介 质的假设，从分析冻土受力后的表现性状入手，利用 试验得出的应力–应变关系，应用曲线拟合或弹性理 论，塑性理论及其它理论来建立本构模型，这种模型 将颗粒材料的力学特性用状态参数（孔隙比，温度， 相对密度及各向异性张量等）来描述，忽略颗粒之间 接触特性的所有细节，可以较容易的应用数学分析工 具。在这一研究阶段朱元林等提出的冻土单轴压缩本 构关系类型图以及冻土的动三轴蠕变模型最具代表性 [8,55]，另外还有蔡中民等提出的适用于静荷或重复加 载的能够反映温度效应的黏弹塑本构模型[56]。但由于 冻土中冰的存在，对冻土受力的分析，不仅要考虑冻 土受力后的宏观表现，更要关注发生在其内部的温度 变化以及由此引起的相变过程，所以说，对于冻土本 构关系的研究，进展很慢。直到 1995 年，苗天德等采 用复膜–电镜方法开展冻土蠕变损伤的研究，将损伤 力学理论引入冻土力学的研究中，为冻土本构模型的 研究开辟了一条新途径。在随后的十几年里，基于损 伤力学理论从细微观角度解释冻土强度与破坏特征， 成为冻土本构模型研究的有效工具[57]。何平依据连续 介质力学和热力学原理，建立了冻土黏弹塑损伤耦合 本构理论，并在理论分析及试验验证的基础上，提出 损伤演变律及损伤门槛值的具体形式，同时分析了围 压对冻土的强化及弱化机理，建立了与球应力相关的 未冻水含量状态方程以及黏塑性耗散势函数[58]。宁建 国尝试用复合材料细观力学的方法建立土、冰、水的 弹性常数与整个冻土体的弹性常数之间的直接关系， 利用研究复合材料有效性能的细观力学方法中的混合 律理论去考察冻土材料的弹性常数与其组分相的弹性 常数之间的关系，并进一步将损伤力学理论应用于冻 土力学中，研究冻土材料的损伤演化规律，建立考虑 损伤影响的冻土本构关系。笔者认为，这项研究将冻 土材料内部组成的力学行为与宏观的冻土力学行为结 合进行研究，在宏观和细观之间建立了联系，在研究 方法上为深化冻土力学的研究提出了一种新的分析思 路[59]。刘增利采用连续介质力学与热力学方法，建立 了含损伤的冻土单轴压缩损伤本构模型，并以冻结兰 630 岩 土 工 程 学 报 2012 年 州黄土单轴压缩 CT 试验获得的冻土损伤作为基础， 建立了冻土损伤与应变之间的关系，为进一步研究冻 土的复杂受力提供了基础[60]。 2.3 冻土的水热过程研究 冻土的水热过程研究就是研究冻土中土骨架、冰 晶体、未冻水与空气这 4 项物质在温度、土水势、压 力与变形等外界因素作用下相互运动、迁移、扩散与 相变的过程，简单的说就是研究土冻结与融化过程的 科学。冻土因水和冰的并存，温度状态的变化即引起 水–冰相变或者冰–水相变作用，由此产生一系列的 热学、力学、流体力学和物理化学的变化，我们把所 有这些变化都归因于冻土水热过程的变化。下面我们 就冻土中未冻水含量、冻土中水分迁移、土中水冻结 时的成冰作用以及水热力耦合 4 个方面来总结中国在 冻土热水过程研究中所取得的成就。 （1）冻土中的未冻水含量 冻土中的未冻水是指当土冻结后，由于颗粒表面 能的作用，没有被冻结的那部分液态水，这部分水与 冰之间始终保持着动态平衡，即温度降低未冻水含量 减少，部分未冻水将以冰的形式出现。反之，若冻土 温度升高，则未冻水含量增大，部分冰将向未冻水转 化。 冻土中的未冻水含量主要取决于 3 大因素土质 （包括土颗粒的矿物化学成分、分散度、含水率、密 度、水溶液的成分和浓度） 、外界条件（包括温度和压 力）以及冻融历史。当温度相同时，未冻水含量随土 颗粒变细即土颗粒的比表面积增大而增大，即黏土＞ 粉土＞砂土。而冻土中未冻水含量与温度的关系模式 是未冻水众多影响因素中的基本模式，初始含水率、 含盐量和外载对未冻水含量的影响均可归结为冰点降 低效应且具叠加性。由于未冻水含量不仅是评价冻土 中水分迁移特性的重要指标，而且也是土热工计算中 常用参数，可测定冻土中未冻水含量的仪器即昂贵， 操作起来又费时，为解决这个问题，徐学祖利用两个 不同的初始含水率及其对应的冻结温度建立了预报给 定土未冻水含量的基本模式[61]。又利用基本模式，根 据冰点降低的叠加性，建立了可预报未冻水含量随初 始含水率、初始浓度和外载变化的综合模式[62]。并给 出了土水势与含水率、未冻水含量与温度以及冻土中 土水势与温度之间的关系表达式[63]。 张立新就盐的类型和浓度对未冻水含量的影响进 行了详细研究发现，含 NaCl 盐土中溶液随温度降低 有两次相变，在第一次相变中未冻水含量与温度间的 关系符合指数衰减规律的基本模式，且随初始含水率 与初始浓度增大而增大，在第二次相变中，未冻水含 量出现一个新的突变点。但就硫酸盐土来说，初始含 水率和初始浓度对未冻水含量的影响不大，通过杠杆 原理对含氯化钠盐冻土中未冻水含量曲线上二次相变 进行分析认为，这是由于电解质的介入使未冻水和温 度经验关系方程中系数发生变化所致[64]。结合核磁共 振仪，利用自行设计的机械加压装置，确定了冻土对 应不同压力和温度的未冻水含量，并计算了相应压力 下冻土的冻结温度。结果表明，冻结温度随压力增大 而呈线性降低；对应不同温度的未冻水含量随压力的 增大而增大。 冻融过程中测得的未冻水含量结果表明，冻结过 程的未冻水含量始终大于融化过程测得的值，即冻结 过程与融化过程相比，融化过程的未冻水含量存在滞 后现象。而它们之间的差值随负温度降低而减小[65-66]。 程国栋通过分析季节冻土区未冻水含量与温度之间的 非线性关系提出了季节冻结和融化层的冻结部份中未 冻水的单向积聚效应的概念，这一研究为解释多年冻 层上部厚层地下冰的形成提供了理论依据[67]。 （2）冻土中的水分迁移 冻土中的水分迁移改变了冻土原来的结构构造和 冰–水比例。这种在空间位置上不等量的冰–水–土 骨架的重分配，改变了冻土的物理力学性质。水分迁 移作用是导致冰分凝和冻胀的根源。徐学祖等进行大 量试验，研究了正冻土、已冻土和正融土中的水分迁 移现象。试验证明，处于封闭系统的正冻的非饱和中 细砂土，在端面温度恒定条件下，水分向冻结锋面迁 移，而且随初始含水率的增大，迁移通量减少[68]。开 放系统饱水正冻土在端面温度的恒定条件下，入流量 与时间平方根成正比[69]，并给出了封闭系统已冻土中 的水分迁移通量与冻结历时、温度和温度梯度的关系 式[70]。 进行封闭系统中非饱和含盐正冻土中的离子迁移 试验表明在饱和度低于 0.5～0.6 的情况下，土中水 分以汽态水迁移为主， 粒子也将随水汽一起发生迁移， 但迁移量很小。当饱和度大于 0.6 时，土中水则以液 态迁移为主，离子随液态水一起迁移时，其迁移量明 显增大。无论是汽态水还是液态水迁移为主，粒子和 水分的迁移量均与干密度有关，但并非线性关系，其 中存在一个最佳密度，在此干密度下，粒子和水分迁 移量最大[71]。开放系统饱和含盐正冻土中的盐分迁移 试验揭示出，在开放系统饱水土单向冻结过程中，含 水率和含盐量的增量是初始含水率、初始密度、干密 度和补给溶液浓度、顶面温度和冷却速度的函数。 盛煜将分凝势的概念引深到一般的正冻过程中， 提出了迁移势的概念, 结合 Harlan 模型提出了计算整 个正冻土中水分场的数学模型，并介绍了确定迁移势 的试验方法[72]。 第 4 期 马 巍，等. 中国冻土力学研究 50 a 回顾与展望 631 徐学祖等通过边界温度恒定的岩盘冻胀试验，提 出冻结缘的厚度取决于冻结速度和冻胀速度两个变量 且具有随冻结历时增大、恒定和减小的 3 种模式。冰 分凝最容易在无结构联系处（裂隙）形成，冰分凝温 度随冷端面温度降低而降低，并提出利用未冻水含量 与温度关系曲线及土的起始冻结温度和冷端面温度估 算冰分凝温度的方法[73]。 在人工冻结工程中，由于土体在冻结过程中所产 生的冻胀往往破坏地下管线和地面建筑物， 恶化环境， 而且伴随冻胀一般均有可观的融化下沉，冻胀对环境 的不利影响使得该方法的工程应用受到限制，如何克 服冻结过程中由于水分迁移而产生过大的冻胀量成为 制约这一技术广泛使用的瓶颈，周国庆等通过对冻结 细粒土的数值分析，指出与连续冻结相比，间歇冻结 在冻结锋面推进速度、冻结区温度、平均冷率和未冻 结区的温度梯度等方面有显著不同，这些差异的存在 有利于抑制冻胀的产生和发展，从而阐述了用间歇冻 结法控制人工冻土冻胀的机理[74-75]。 （3）土中水冻结时的成冰作用 土中水冻结成冰作用取决于内应力和外应力共同 作用的强度和速度。外力通常由温度和荷载诱导或施 加，内应力通常由温度和土中水溶液的相变诱导。因 此冻土中冷生构造形成的基本影响因素应该由土、 水、 温、盐和力（外载）5 大要素，其中温度是前提，水 分是核心。边界温度通过控制土体的冻结速度、温度 梯度、水分迁移方向、速度和迁移量，来影响土中水 的相变速度、成冰位置和数量，压力的大小和方向影 响成冰程度[76-78]。 水分迁移后冻结成冰可分别以汽–固、液–固和 固–汽–固、固–液–固 4 种方式进行，但以液–固 成冰方式为主。就液–固成冰方式，现已提出 4 种成 冰机制分凝成冰、胶结分凝成冰、重复分凝成冰和 侵入成冰机制，其中，重复分凝成冰机制是中国学者 程国栋院士于 1982 年提出用于解释多年冻土上限处 厚层地下冰成因的学说[79]，其基本要点是在温度梯 度作用下，冻土中未冻水总是向温度低的方向迁移。 冷季活动层中出现正地温梯度时，未冻水向上迁移， 但因此时地面温度很低，未冻水在非剧烈相变区的封 闭系统中迁移，迁移量小。暖季活动层中出现负地温 梯度时，未冻水向下迁移，迁移量大。由未冻水的不 等量迁移，经重复分凝，使多年冻土上限处地下冰逐 年加积。同时，在温度梯度作用下，嵌入冰中的土颗 粒，将穿过冰体朝温度高的方向运动，这种冰的自净 作用年复一年循环使土颗粒向上移动，从而使含土冰 层净化。 光学显微镜、扫描电子显微镜、CT 扫描仪和压 汞仪等的使用，可帮助人们较系统的研究土、水、温、 盐和力 5 大要素对土中水成冰过程和冷生组构形成的 影响。李萍曾采用受控冻结试验后所得的冷生构造复 制膜，进行了计算机图像数字化处理，将受控冻结后 所得的冷生构造的最终结果，反演为冻结试验过程中 冻结锋面、冰分凝锋面、冻结缘厚度随时间变化的动 态