地学卷-冻土力学

内容简介

《冻土力学》系在国内开展冻土力学研究几十年科研资料积累的基础上编写而成的，是目前的内容比较全面的冻土力学参考书，也是一本较为理想的高等院校土木工程建筑专业、水利水电专业的研究生教材。《冻土力学》内容共分八章，内容包括冻土的基本物理性质和分类，土的冻结与融化，冻土的强度，冻土的流变性，冻土的动力性特征，特殊冻土的力学性质，冻土力学实验仪器与试验方法，冻土力学在寒区工程中的应用。

目录

目 录

前言第1章 冻土的基本物理性质和分类 1

1.1

冻土的形成与特点 1

1.1.1

冻土的形成与分布 1

1.1.2

冻土工程性质的特殊性 4

1.2

冻土的物质组成 4

1.2.1

冻土中的固体颗粒 5

1.2.2

冻土中的冰 6

1.2.3

冻土中的未冻水 7

1.2.4

冻土中的气体 12

1.3

土中水的形态和能态 12

1.3.1

土中水的形态 12

1.3.2

土中水的能态 14

1.4

冻土的基本物理指标 18

1.4.1

冻土的四相草图 18

1.4.2

确定四相量比例关系的物理性质指标 18

1.4.3

冻土热物理性质指标 22

1.4.4

冻土物质交换指标 26

1.5

冻土的工程分类 28

1.5.1

冻土的工程分类依据 29

1.5.2

冻土的分类方法 29 参考文献 38第2章 土的冻结与融化 39

2.1

土冻结与融化问题研究的工程意义 39

2.2

土的冻结与冻胀 41

2.2.1

土冻结过程中的水分迁移 41

2.2.2

土中水冻结时的成冰作用与冷生构造 46

2.2.3

土的冻胀及冻胀力 52

2.3

冻土的融化固结 62

2.3.1

冻土的融化固结特征 62

2.3.2

影响冻土融化固结的主要因素 64

2.3.3

冻土融沉预报的经验方法 66

2.3.4

冻土的融化固结理论 68

2.4

冻融作用对土工程性质的影响 89

2.4.1

冻融作用引起的土物理性质的变化 89

2.4.2

冻融作用引起土的力学性质的变化 91 参考文献 93第3章 冻土的强度 96

3.1

概述 96

3.1.1

冻土强度的本质 96

3.1.2

冻土强度与冰胶结作用的研究 97

3.1.3

冻土强度的研究方法 97

3.2

冻土的单轴压缩强度 98

3.2.1

冻土的单轴压缩应力应变关系 98

3.2.2

冻土的单轴抗压强度及其影响因素 102

3.2.3

原状与重塑冻土单轴抗压强度比较 111

3.3

冻土的三轴压缩强度 115

3.3.1

冻土三轴压缩应力应变关系 115

3.3.2

冻土的三轴压缩强度 119

3.3.3

冻土的强度准则 122

3.4

冻土的抗拉强度 131

3.4.1

室内研究方法 131

3.4.2

应力应变曲线及破坏形式 132

3.4.3

冻土的极限抗拉强度 133

3.4.4

冻土的拉伸破坏应变 137

3.5

冻土破坏过程中的细微观机理研究 138

3.5.1

冻土单轴压缩过程中微裂纹的形貌和发展过程 138

3.5.2

冻土破坏的 CT损伤研究 141

3.6

土的冻结强度 145

3.6.1

冻结强度的特点 145

3.6.2

影响冻结强度的主要因素 145

3.6.3

冻结强度

摘要与插图

第１章　冻土的基本物理性质和分类
１．１　冻土的形成与特点
“冻土 ”是一种特殊的岩土 ,其特殊性主要表现在以下两个方面 :第一 ,它的温度不高于０℃ ;第二 ,必须有冰存在且土颗粒为冰所胶结 .要成为冻土 ,这两个条件缺一不可 .如果岩土材料的温度低于０℃ ,但不含冰则属于寒土 ;如果温度低于０℃ ,但由于含水量很低而未被冰胶结 ,这种大块碎石土体和细分散性土则被称为松散冻土 .寒土和松散冻土的物理力学性质与一般正温土基本相同 ,所以 ,它们不属于冻土的范畴 (邱国庆等 ,１９９４ ).我们这里研究的冻土是岩土颗粒为冰所胶结的土 .冻土中的冰可以是冰晶或者冰层 ,其尺寸大小不一 .
在自然界中 ,冻土现象随处可见 .但受到气候、地质构造和地形等地理地质因素的影响,岩石和土壤的冻结状态存在的时间并不一致 ,有些存在数日或数小时 ,有些存在数月 ,而有些可以不间断地持续多年、若干世纪甚至上千年 .在冻土学研究中 ,根据土壤和岩石保持冻结的时间 ,将冻土分为三种类型 :短时冻土、季节冻土和多年冻土 (周幼吾等 ,２０００ ),具体规定如下 :
(１)短时冻土
.是存在时间只有数小时、数日以至半月的冻土 .它有时出现在高纬度、中纬度或低纬度地区的寒夜 ,有时也出现在热带和赤道地区的高山上 .
(２)季节冻土
.一般指地壳表层冬季冻结、夏季全部融化的岩土层 .主要存在于南北半球中高纬度地区 ,其厚度在北半球从北向南 (南半球从南向北 )逐渐减薄 .
(３)多年冻土
.是冻结状态持续两年或者两年以上的土或岩石 .在多年冻土区的有些地方 ,只有表层几米深的土层处于夏融冬冻的状态 ,该层则被称作季节融化层或季节活动层 .在多年冻土区内 ,不同成因和面积大小不等的融区 ,制约着多年冻土分布的连续性.因而多年冻土 (区)又有连续分布和不连续分布之分 .后者又可进一步分为断续、大片、岛状及零星分布的冻土 (区).
１．１．１
　冻土的形成与分布
１．
冻土的形成
从冻土热物理学观点来看 ,冻土是岩石圈土壤大气圈系统热质交换的结果 .所以 ,气候、地质构造和地形等地理地质因素是影响自然界中冻土形成的主要因素 .在这里 ,气候条件主要指地表辐射、气温、降水、积雪以及云量和日照等 ,气温和降水直接作用于地表,改变地表的热交换量 ;雪盖的隔热性能很强 ,妨碍冬季地面散热 ,从而使地温升高 ,并减小地面温度较差 ,研究表明冬春降雪对土的冻结有抑制作用 ,夏秋降雪则有助于冻土的保存 ;云量和日照决定地面所接受的太阳辐射热量 ,从而影响到地面和土层温度的变化 .
正是这些气候因素的共同作用 ,改变了土壤的热交换量 ,从而改变了岩石圈表层可积累的热力循环值即热通量 ,进而对多年冻土层的热状况、温度动态、分布、埋藏、成分等特征以及冻土地质 (冷生 )过程和现象的不断变化起着决定性的作用 .另外 ,地质构造也通过它所控制的自然条件 ,诸如地形变化、植被、雪盖、太阳辐射变化、岩相以及大地热流等对冻土的分布、温度、厚度、冷生组构及形态组合等冻土的其他特征产生作用 ,决定着冻土的形成过程、存在特征和分布特点 (周幼吾等 ,2000 ).
在土的冻结过程中 ,由于土中水或水汽冻结时的成冰作用取决于内应力和外应力共同作用的强度和速度 ,这种强度和速度的不同 ,使得土中水或水汽在相变成固态冰的过程中 ,冰晶或冰层与矿物颗粒在空间上的排列和组合形态各不相同 ,结果导致冻土的冷生构造也不同 .在工程实际中 ,通常分出三种基本的冷生构造 :整体状、层状和网状构造 (图１Ｇ１).
图１Ｇ１　冻土的冷生构造图
(１)整体状构造
.冻土土颗粒间一般为孔隙冰所充填 ,无肉眼能看到的冰体 .整体状构造冻土是在无水分迁移