含有透镜状冰的冻粘土土体剪切特性的实验研究与参数分析

《Geomechanics for Energy and the Environment》：Experimental investigation and parametric analysis for shear behavior of frozen clayed soil containing lens ice

本研究系统制备了五种冰结构类型不同的冷冻土标本，通过直接剪切试验分析温度、应力及冰结构类型对剪切力学性能与变形机制的影响，建立了考虑冰结构、温度和正应力的预测模型，揭示了冰结构对力学行为的内在控制机制，为寒区工程提供理论支撑。

　　

张圣金|史胜|魏伟|张晨曦|张峰

中国能源工程集团黑龙江电力设计有限公司，哈尔滨150078，中华人民共和国

摘要

作为一种具有异质性和各向异性的复合土材料，冻土的力学性能受其内部冰冻结构的强烈影响。然而，现有研究主要依赖于均质冻土模型或含有单一冰透镜的模型，导致对具有更典型网状冰冻结构的冻土的力学行为及其与温度和应力耦合机制的理解不足。本研究采用控制重塑样品制备方法，系统制备了五种具有不同冰结构空间配置的冻土试样（从均质冻土到含有不同数量、倾角和组合的冰透镜的冻土）。在不同的温度（-5°C至-1°C）和正应力（100–500 kPa）下进行了直剪试验，以研究冻土结构类型、温度和应力对其剪切力学性能和变形机制的影响。基于实验结果，建立了考虑结构类型、温度和正应力的冻土抗剪强度和剪切模量的预测模型。本研究揭示了冰冻结构对冻土力学性能的内在控制机制，为寒冷地区工程中异质冻土基础和边坡的稳定性评估和设计提供了重要的理论基础和参数确定方法。

引言

冻土是一种天然的四相系统，具有极强的温度敏感性，其物理力学性能受其固有冰冻结构的强烈控制。1, 2, 3, 4 在与大气进行复杂的热量和质量交换过程中，内部未冻结的水分在温度梯度作用下迁移和重新分布，随后在零度以下条件下冻结形成各种复杂的冰冻结构，如冰夹杂物、冰透镜和冰楔。5, 6, 7, 8 这些冰结构的形态、大小和空间分布——统称为冻土的冰冻结构——并非随机形成，而是土壤沉积历史、水分供应条件、冻结速率和外部应力环境共同作用的结果。9, 10, 11, 12 在快速冻结条件下，由于孔隙水迁移不足，往往形成分散的冰夹杂物或大块冰；而在缓慢冻结条件下，水分有足够的迁移和重新分布，有利于形成连续或不连续的层状和透镜状冰体。这种由冰和土壤颗粒的空间排列定义的复杂结构使得冻土在宏观上成为一种明显异质、不连续和各向异性的材料。因此，冻土本质上是一种由土壤基质、冰透镜、裂隙和弱面组成的复合土材料。

冻土复杂的内部冰冻结构，特别是冰透镜的存在，对其力学行为具有控制作用。13, 14, 15 作为强度较高但韧性较低的组分，冰透镜在应力作用下具有双重力学作用。一方面，它具有相当大的内在强度；另一方面，它作为潜在的不连续面和内部结构中的弱界面，常常改变应力分布并引导裂纹的起始和扩展。这从根本上决定了冻土的破坏路径、强度特性和变形机制。然而，冰冻结构的复杂性和随机性给冻土强度和变形的理论建模和工程预测带来了重大挑战。目前，冰透镜、不连续面和土壤骨架之间相互作用以影响冻土峰值强度、残余强度、脆性-延性转变以及剪切膨胀/收缩特性的内在机制尚不完全清楚。在寒冷地区工程项目的设计和施工阶段（如道路、铁路、管道、边坡），如果未能充分考虑冻土强度与其内部冰冻结构之间的内在关系，很容易导致地质技术问题，例如不均匀沉降、边坡不稳定和衬砌开裂。16, 17, 18 因此，明确考虑其冰冻结构特性的冻土力学行为研究对工程应用具有极其重要的实际意义。

现有研究主要集中在使用均质冻土或含有单一冰透镜的简化模型上，而对更具有代表性的自然冻土——即结构更复杂的网状冰冻结构的研究仍然不足。缺乏对多个冰透镜之间相互作用、它们的空间配置效应（如平行、交叉）及其对整体土壤稳定性影响的系统实验研究。此外，大多数冻土本构模型基于均质性假设，未能充分考虑冰冻结构的影响。这一限制降低了这些模型在应用于异质冻土稳定性分析时的预测准确性和可靠性。本研究旨在系统阐明在不同热-剪应力条件下具有不同冰冻结构的冻土的力学响应。为了克服未扰动取样的局限性，我们采用了一种受控重构方法，系统地构建了从简单到复杂的冰冻结构序列。这种方法为冰结构效应的定量研究奠定了方法论基础。我们的分析不仅关注宏观力学参数，还深入探讨了微观力学过程，如膨胀的临界位移和软化速率等方面，揭示了冰透镜在达到峰值强度之前的早期损伤，从而加深了对异质冻土破坏机制的理解。所开发的力学模型赋予结构参数与温度和应力同等的重要性，为寒冷地区工程结构的精细设计和稳定性分析提供了更可靠的理论框架和参数确定方法。

部分摘录

含冰透镜的冻土结构设计

与均质冻土相比，含有冰透镜的冻土在现有文献中受到的关注要少得多。虽然未扰动的冻土样本在理论上非常适合研究富冰冻土的力学性能，但其实际应用面临诸多挑战。野外采样和运输的困难加上天然永久冻土中冰结构的固有变异性和随机空间分布，使得这些样本的使用变得复杂。

剪切模量

剪切模量是表征冻土在加载下剪切应力发展速率的基本参数，对于计算弹塑性变形至关重要。为了研究不同冰冻结构类型在剪切应力下的剪切模量变化，本研究采用基于应变能原理的计算方法。含有冰透镜的冻土在剪切加载过程中积累应变能，随后在释放

结论

通过系统的实验室实验和理论分析，本研究制备了五类冻土试样（从均质冻土到含有不同空间配置的冰透镜的冻土），并研究了冰冻结构对不同温度和正应力下冻土剪切力学性能和变形机制的控制影响。建立了相应的力学预测模型，主要结论如下

CRediT作者贡献声明

史胜：监督、资金获取、概念构思。张晨曦：撰写——初稿。魏伟：撰写——初稿、研究、数据管理。张峰：监督、资金获取、概念构思。张圣金：研究、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42561022、42471145、42171128）和中国电力工程咨询集团有限公司（项目编号：DG2-G01–2023）的研究项目的支持。