凍土力學(xué)參數(shù)綜述.doc

第一章 緒論1.1 選題背景和研究意義近些年來，隨著國家對西北地區(qū)基礎(chǔ)交通設(shè)施的投資，我國高速公路隧道的建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。在西部大開發(fā)戰(zhàn)略中，建成便利的交通系統(tǒng)是西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步的必然需求，而陸路交通網(wǎng)的完善也必然要求交通基礎(chǔ)設(shè)施延伸至自然環(huán)境惡劣的高海拔寒冷地區(qū)。隨著我國青藏高原鐵路、公路建設(shè)的發(fā)展，高海拔寒冷地區(qū)隧道的建設(shè)技術(shù)問題日益受到工程界的關(guān)注和重視。其中對于高寒地區(qū)的公路隧道，凍害問題一直以來是個(gè)比較棘手的問題，同時(shí)也是亟待解決的一個(gè)難題。幾乎所有的凍害問題都關(guān)系到凍土和凍巖的力學(xué)問題，對高寒多年凍土區(qū)的隧道建設(shè)開展專項(xiàng)凍土力學(xué)參數(shù)研究顯得勢在必行。本項(xiàng)目以國道214線共和至玉樹（結(jié)古）公路平均海拔4000多米的鄂拉山和姜路嶺高寒多年凍土特長隧道為依托工程，總體目標(biāo)是結(jié)合國道214線共和至玉樹高寒多年凍土公路隧道目前揭露的凍土地質(zhì)條件，開展以下5種凍土（巖）的物理力學(xué)試驗(yàn)研究：（1）含冰亞粘土夾碎石土物理力學(xué)試驗(yàn)；（2）含冰頁巖物理力學(xué)試驗(yàn)；（3）含冰凝灰?guī)r物理力學(xué)試驗(yàn)；（4）含冰板巖物理力學(xué)試驗(yàn)；（5）含冰安山巖物理力學(xué)試驗(yàn)?；谝陨衔锢砹W(xué)實(shí)驗(yàn)，分析多年凍土公路隧道含冰圍巖的施工力學(xué)特性及變形機(jī)理，建立隧道多年凍土的破壞準(zhǔn)則，提出多年凍土隧道合理有效的施工方案、控溫標(biāo)準(zhǔn)、變形控制技術(shù)和保溫方案，有效解決特殊地理、惡劣氣候及地質(zhì)條件下所面臨的隧道設(shè)計(jì)、施工技術(shù)難題，為今后在高海拔多年凍土區(qū)修建公路隧道積累寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)，為在高海拔凍土地區(qū)建成便利的公路交通系統(tǒng)，推動我國青藏地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。1.2 研究現(xiàn)狀1995年，淮南礦業(yè)學(xué)院的楊平根據(jù)兩淮地區(qū)近十個(gè)井筒的人工凍土力學(xué)試驗(yàn)，歸納總結(jié)出了該地區(qū)深部凍結(jié)土的強(qiáng)度和變形的一般特性。2001年，中科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境所的李寧、程國棟、許學(xué)祖和朱元林從凍結(jié)土的宏觀力學(xué)性質(zhì)，正凍土中的水、熱遷移理論，正凍土的水熱力耦合模型四個(gè)方面分析綜述了國內(nèi)外凍土力學(xué)的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀與我國凍土力學(xué)研究中存在的問題，并指出了我國凍土力學(xué)今后的重點(diǎn)研究方向。2003年，大連理工大學(xué)的劉增利和李洪升基于國家自然科學(xué)基金工程地基凍脹破壞機(jī)理及凍害預(yù)報(bào)(項(xiàng)目批準(zhǔn)號:59578039)和凍土地基廣義強(qiáng)度破壞理論及其應(yīng)用研究(項(xiàng)目批準(zhǔn)號:50278010)， 采用斷裂力學(xué)方法對其破壞進(jìn)行了研究與分析，目的建立一種新的破壞準(zhǔn)則一廣義強(qiáng)度破壞理論。同時(shí)對凍土進(jìn)行損傷量的細(xì)微觀測試分析，為后續(xù)采用損傷力學(xué)進(jìn)行凍土破壞機(jī)理分析做好前期準(zhǔn)備。2003年，蘭州大學(xué)的張俊兵和林傳年、中科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境所的朱元林在常應(yīng)變率下對飽和凍結(jié)蘭州粉土(黃土)進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。通過對試驗(yàn)資料的分析，得出了在一定條件下粉質(zhì)粘土抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。次年，他們又通過對三種不同干密度的飽和凍結(jié)黏土在常應(yīng)變率下做了單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),得出了飽和凍結(jié)黏土的單軸抗壓強(qiáng)度受溫度、應(yīng)變率、破壞時(shí)間及干密度等因素的影響規(guī)律,并分別建立了以溫度、應(yīng)變率(或破壞時(shí)間)及干密度為變量的強(qiáng)度預(yù)報(bào)方程。2005年，東南大學(xué)的劉雨和龔維明在分析多年凍土地區(qū)樁基工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合凍土的物理力學(xué)性質(zhì)及熱學(xué)性質(zhì)，著重對青藏高原多年凍土地區(qū)鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)中基礎(chǔ)凍結(jié)力的形成過程、回凍過程中基樁承載力的變化規(guī)律、施工后樁周凍土的回凍規(guī)律等幾個(gè)主要力學(xué)問題進(jìn)行了研究。對灌注樁基礎(chǔ)在多年凍土條件下的力學(xué)特性和工作機(jī)理進(jìn)行了闡述，表明了其力學(xué)問題的差異性和特征性，提出了多年凍土中樁基的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。2006年，大連理工大學(xué)的劉曉洲和李洪升從研究凍土發(fā)生脆性斷裂破壞的條件出發(fā)，建立了適用于凍土自身特性的斷裂破壞準(zhǔn)則。同時(shí)，還就在凍土試驗(yàn)研究中從未采用過的翼型裂紋試樣進(jìn)行了壓裂斷裂韌度和壓剪斷裂韌度測試研究，分別得出了這兩種計(jì)算模型的斷裂韌度值，并分析了兩者之間的關(guān)系。2006年，安徽理工大學(xué)的張照太和汪仁和以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對多種影響凍土力學(xué)性能的因素進(jìn)行試驗(yàn)分析研究，進(jìn)行了不同應(yīng)力路徑下凍土三軸強(qiáng)度試驗(yàn)，尤其是獲得了卸載條件下凍土的力學(xué)性能參數(shù)。通過對凍土流變試驗(yàn)結(jié)果的分析，以C.C.維亞洛夫提出的凍土冪函數(shù)蠕變方程為基礎(chǔ)，采用Mises屈服準(zhǔn)則，對C.C.維亞洛夫方程進(jìn)行修正，獲得了修正的CC.維亞洛夫蠕變方程。2006年，天津市政工程設(shè)計(jì)院的張貴生、重慶交大的梁波以及蘭州交大的劉德仁通過對青藏高原清水河、北麓河、安多三個(gè)典型工點(diǎn),五種典型土樣的室內(nèi)試驗(yàn),對與多年凍土凍融變形密切相關(guān)的凍土物性、力學(xué)特性進(jìn)行了研究。對基本物理性質(zhì)、壓縮系數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行了對比分析。2006年，東北林業(yè)大學(xué)的許凈蓮和賈艷敏從凍土和樁的性質(zhì)入手，歸納了凍土的典型本構(gòu)關(guān)系，對凍土的工程性質(zhì)、樁的荷載傳遞機(jī)理和破壞模式進(jìn)行了介紹。隨后對樁土相互作用機(jī)理及樁土的應(yīng)力分布進(jìn)行了詳細(xì)論述。2008年，蘭州交通大學(xué)的孫文和吳亞平對青藏高原北麓河凍土區(qū)氣候變化特點(diǎn)和趨勢作了分析，研究了在氣溫變化的背景條件下，多年凍土區(qū)普通填土路基和熱棒路基地溫變化特點(diǎn)及發(fā)展趨勢，進(jìn)而研究了涵洞對熱棒路基熱穩(wěn)定性的影響。2008年，吉林大學(xué)的陳義民對中俄石油管道凍土區(qū)不同土質(zhì)間融沉特性進(jìn)行了比較分析，并對其影響機(jī)理進(jìn)行了闡述，并且參照規(guī)范中的分類標(biāo)準(zhǔn)對各類凍土的融沉性進(jìn)行了分類研究，并與規(guī)范值進(jìn)行了比較分析。2009年，南京林業(yè)大學(xué)的王效賓和楊平以南京地鐵二號線逸仙橋站盾構(gòu)出洞水平凍結(jié)加固工程為依托，應(yīng)用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)測、理論分析和數(shù)值模擬的綜合方法，對人工凍土融沉特性、凍融土體物理力學(xué)特性、人工凍土融沉對周圍環(huán)境的影響規(guī)律及人工凍土融沉的防治措施進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究。2009年，北京交通大學(xué)的段東明和魏慶朝通過對國內(nèi)外凍土濕地路基研究現(xiàn)狀的調(diào)查分析，在查清唐古拉山北麓凍土濕地工程地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，開展了以路基失穩(wěn)發(fā)生機(jī)理和工程處理措施為核心的凍土濕地路基穩(wěn)定性關(guān)鍵技術(shù)研究。通過高原凍土濕地路基穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型分析、試驗(yàn)段實(shí)體工程凍土地溫和路基變形觀測和基于觀測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的理論預(yù)測計(jì)算，提出了影響高原凍土濕地路基穩(wěn)定性的主要因素。2009年，東北林業(yè)大學(xué)的候恩創(chuàng)和程培峰以哈爾濱市具有代表性的道路粘質(zhì)土作為研究對象，考慮了凍融溫度、凍結(jié)方式兩個(gè)因素，研究了路基重塑土凍融后的物理變化特性，考慮含水量、密度、凍融周期三個(gè)因素，研究了土凍融后力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律。2010年，中國鐵科院的楊讓宏和朱本珍依托國家“十一五”科技支撐項(xiàng)目青藏鐵路運(yùn)營安全保障系統(tǒng)研究中“多年凍土工程檢測與病害整治技術(shù)研究”課題之“多年凍土斜坡路基的穩(wěn)定性評價(jià)與整治措施研究（2006BAC07B02）”子課題，重點(diǎn)對青藏鐵路運(yùn)營期間多年凍土區(qū)斜坡路堤工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析和研究。在此基礎(chǔ)上提出了多年凍土區(qū)斜坡路堤穩(wěn)定性的綜合分析評價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)。2010年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的董鑒峰基于中俄石油管道電力設(shè)備項(xiàng)目-220kV 塔河-漠河輸電線路新建工程，對取自塔河-漠河輸電線路場地的 101 個(gè)原狀多年凍土樣本的物理力學(xué)指標(biāo)（凍土密度、含水量、顆粒分析、起始凍結(jié)溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、凍脹系數(shù)、融沉系數(shù)、單軸抗壓強(qiáng)度）進(jìn)行了測定，其次，為了模擬低溫環(huán)境引進(jìn)了英國原產(chǎn)核磁共振儀，并且自主研發(fā)了配套制冷設(shè)備，通過試驗(yàn)分析得到了溫度對原狀凍土未凍水含量的影響規(guī)律。2011年，蘭州交通大學(xué)的潘艷霞和王旭對青藏鐵路清水河試驗(yàn)段高溫多年凍土地基鉆孔灌注樁回凍過程的溫度場進(jìn)行了模擬，建立溫度場計(jì)算模型，考慮了混凝土水化熱的影響，對樁及樁周土進(jìn)行熱學(xué)分析，得到了回凍過程樁周土的溫度等值線圖，給出了不同深度處溫度隨時(shí)間變化的曲線以及溫度隨深度的變化曲線。在確定的溫度場條件下，進(jìn)行溫度場與應(yīng)力場的耦合計(jì)算分析，得到了凍結(jié)力隨深度的變化規(guī)律。2011年，北京交通大學(xué)的施燁輝和何平在國家自然科學(xué)基金(50778012)支持下，研究分析了凍融循環(huán)作用對凍土特性的影響，開展了室內(nèi)凍土動三軸試驗(yàn)研究，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研和觀測結(jié)果，建立模型計(jì)算分析了凍融作用下路基溫度、水分分布情況，并基于上述研究結(jié)果，計(jì)算分析了列車荷載和凍融循環(huán)作用對凍土路基穩(wěn)定性影響?？偨Y(jié)了凍土常用的物理力學(xué)等各項(xiàng)表征量，并給出這些表征量對凍土工程性質(zhì)的具體影響及相關(guān)規(guī)律；提出了基于溫度和含水量的路基穩(wěn)定性評價(jià)方法。2011年，吉林大學(xué)的冷毅飛和孫友宏針對黑龍江地區(qū)中俄石油管道多年凍土的物理力學(xué)性質(zhì)做了專門的試驗(yàn)研究。完成了細(xì)礫、砂土、粉土、粘性土、泥炭化粘性土和泥炭質(zhì)土六種共345個(gè)土樣的融沉試驗(yàn)，通過對大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出了多年凍土融沉系數(shù)與融化壓縮系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)確定方法，并對凍土融沉性分類做了進(jìn)一步的研究。2012年，吉林大學(xué)的李長雨針對季節(jié)凍土地區(qū)的道路凍害問題，依托國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863 計(jì)劃）項(xiàng)目季節(jié)凍土區(qū)路基抗凍融穩(wěn)定控制技術(shù)研究，以國道 G102 線擴(kuò)建為工程依托，開展了凍融循環(huán)下橡膠顆粒改良粉煤灰土的理論與應(yīng)用研究。運(yùn)用大量的試驗(yàn)手段對橡膠顆粒改良粉煤灰土的靜力特性、動力特性進(jìn)行了研究。2012年，吉林大學(xué)的王靜和劉寒冰基于國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目計(jì)劃凍融循環(huán)后路基材料力學(xué)特性的靜動參數(shù)轉(zhuǎn)換理論及試驗(yàn)研究項(xiàng)目（50978117），對不同塑性指數(shù)路基土進(jìn)行不同次數(shù)凍融循環(huán)，再進(jìn)行靜、動三軸試驗(yàn)，得到了壓實(shí)路基土靜、動力參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。同時(shí)采用場發(fā)射掃描電鏡（ESEM）采集不同塑性指數(shù)土，不同凍融循環(huán)次數(shù)后的壓實(shí)路基土微觀結(jié)構(gòu)圖像，然后對土各狀態(tài)下顆粒及孔隙的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)，并且對其微觀機(jī)理進(jìn)行了分析。2012年，中科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境工程所的劉世偉基于有關(guān)高溫凍土物理力學(xué)性質(zhì)研究的文獻(xiàn)，綜述了高溫凍土的定義及其溫度界限，同時(shí)論述了未凍水對高溫凍土物理力學(xué)性質(zhì)的巨大影響，并提出了一種在凍結(jié)狀態(tài)下高溫凍土中未凍水孔隙水壓力的測試方法。1.3 依托工程概況及技術(shù)特點(diǎn)本研究項(xiàng)目擬選擇G214線的姜路嶺隧道和鄂拉山隧道作為依托工程，隧道所在地區(qū)屬典型的高原大陸性半干旱氣候類型，冬季氣候寒冷漫長，多風(fēng)雪，易成雪災(zāi)；夏季氣候涼爽短促，雨水較充足，中高山脈終年霜雪不斷，降水分布地區(qū)差異明顯，隨地勢升高降水量增加，且降雨主要集中在59月份，氣溫和蒸發(fā)量隨海拔高度的增加而相對下降和減少，線路區(qū)寒長暑短，四季不分明，晝夜溫差大，空氣稀薄，氣壓低含氧量少，大氣含氧量比平原低40%，缺氧嚴(yán)重，日照充足，年平均日照率達(dá)5060%，無絕對無霜期，全年冰凍期長達(dá)7個(gè)月。姜路嶺隧道冬季年最低平均氣溫-10.3攝氏度，最大積雪深度16cm，最大凍結(jié)深度277mm。隧址區(qū)屬冰緣侵蝕中高山，地形中間高南北低，東西兩側(cè)為山脈走向峰脊，海拔高程4690米，兩座隧道海拔高度在4280m以上。姜路嶺隧道所處地段的的工程地質(zhì)主要分布為：（1）多年凍土的融沉滑塌；主要分布在最老109國道左側(cè)緩坡處，面積不大，僅30-70m2,長15-20m,寬10-15m有4-5處，距隧道進(jìn)口山坡處100m左右，（2）涎流冰；主要分布于隧道出口左側(cè)溝溝內(nèi)， K329+920線路右側(cè)泉水，水流量0.8-1L/s，冬季形成涎流冰。（3）在隧址區(qū)姜路嶺坡麓及山間洼地處廣泛分布有水草地及水草沼澤，特別是隧道進(jìn)口段發(fā)育著多年凍土區(qū)凍結(jié)層上水；由凍結(jié)層上水形成的水草地及水草沼澤，其水位、含水層厚度受凍土上限控制，凍土上限埋深一般為1.6-2.2m。（4）凍土；多年凍土分布于姜路嶺南北坡進(jìn)出口及山頂處，為連續(xù)多年凍土區(qū)，多年凍土區(qū)上限1.6-2.2m；下限28-42m。上部多年凍土層為含亞粘土的碎石土以多冰、富冰、飽冰凍土為主，融沉類別為弱融沉、融沉、強(qiáng)融沉，其水平及垂向分布具不均一性。進(jìn)口鉆孔K329+940在3.5-7.3m處見有大量的凍結(jié)層狀冰，洞身段K330+700在20-30之間見有大量的凍巖裂隙冰。凍巖進(jìn)入基巖強(qiáng)風(fēng)化層20.0-38.0m，主要分布在泥質(zhì)頁巖夾板巖中，凍巖節(jié)理張開裂隙內(nèi)或?qū)娱g的冰粒及冰晶較發(fā)育，多年凍土及凍巖對隧道洞身段影響較小（埋深大于42m），但多年凍土開挖融化后，含亞粘土的碎石土呈軟塑狀，強(qiáng)度極低，成洞極為困難。巖石凍結(jié)時(shí)強(qiáng)度高，開挖后凍巖融化，裂隙張開，強(qiáng)度降低，易風(fēng)化呈碎塊狀。受反復(fù)凍融作用，洞身極易變形，導(dǎo)致侵限甚至冒頂災(zāi)害。這種災(zāi)害普遍較為難治