人工凍土是指人為地去製造凍土的一種技術。
大概是19世紀50年代使人工凍土成為可能，之後該技術被廣泛地利用在各種土木工程上。
基本介紹
- 中文名：人工凍土
- 外文名：The artificial frozen soil
- 所屬學科：凍土物理學
- 釋義：人為地製造凍土
- 時間：19世紀50年代
- 套用：土木工程
力學特性,概述,凍土強度,利用,
力學特性
概述
凍土是一種非彈性材料，在外荷載作用下，其應力與應變關係隨時間發生變化，且變化有明顯的流變特性即蠕變。蠕變就是指在外荷載不變的情況下，凍土才來的變形隨時間而發展的現象。另外一個變形特性為鬆弛，即維持一定的變形量所需要的應力隨時間而減小。其次，凍土的強度降低，即隨著荷載作用時間的增加，材料抵抗破壞的能力降低。
試驗表明凍土的應力與應變曲線是一系列隨時間變化而彼此相似的曲線，不同時刻的應力與應變曲線可以用冪函式方程表示，即：
式中 A-----可變模量（MPa），其為隨時間和溫度變化而變化的參數；
m-----強化係數，基本上隨時間及溫度變化而變化。
圖1
圖1凍土在不同的恆荷載作用下變形隨時間發展的典型蠕變曲線如圖1所示。
由圖1可以看出，當荷載作用時，首先產生初始的標準瞬時變形（OA段），隨後變形速率逐漸減小，進入非穩定的第1蠕變階段（AB段），在衰減的蠕變過程中，變形速率逐漸降到最小值，變成一常數而進入第2蠕變階段，即穩定的蠕變階段（BC段），隨著變形的發展，變形速率增加進入第3蠕變階段，即漸進流階段（CD段），最后土體發生破壞。
當荷載較小時，變形的發展只出現到第2階段，即變形的速率逐漸趨向於零。當荷載較大時，變形的發展將很快進入到第3階段，並隨即發生材料破壞。第1和第2蠕變階段曲線用統一的公式來描述，即：
式中 ε0-----瞬時應變；
εc-----蠕變應變；
A-----與溫度有關的蠕變參數；
B，C-----與應力σ、時間t有關的蠕變參數。
凍土強度
凍土的強度是指導致凍土破壞和穩定性喪失的某一應力標準。在土木工程套用中，根據凍土結構設計目的有相應的具體設計方法和標準。
（1）顆粒成分。一般來說，粗顆粒的多呈脆性斷裂，粘性凍土多呈塑性斷裂。
（2）土溫。土溫高多呈塑性破壞，土溫低多呈脆性破壞。
（3）含水量。對於典型凍土，隨著含水量的增加通常由脆性破壞過渡到塑性破壞，但含水量進一步增加時，則由塑性破壞過渡到脆性破壞，含土冰多呈脆性破壞。
（4）應變速率。應變速率低多呈塑性破壞，應變速率高多呈脆性破壞。
評價凍土蠕變強度一般有2個有意義的強度指標：一是凍土的瞬時強度，即接近於最大值的強度，通常採用極限強度。它表征土體抵抗迅速破壞的能力，它又有3個指標，即瞬時抗壓強度、瞬時抗拉強度和瞬時剪下強度。二是凍土的長期強度極限或稱持久強度，即超過它才能發生蠕變破壞的最小應力，它包括持久抗壓強度、持久抗拉強度、持久剪下強度。
凍土單軸抗壓強度
（1）溫度是控制凍土強度的主要因素。無論是砂土，砂礫石土，還是粘性土，其抗壓強度都隨溫度的降低呈線性增大。
凍土極限抗壓強度σc（MPa），按下式確定：
中砂
粉砂和粘土
式中 C1，C2-----根據土壤的孔隙率和溫度選取的係數，見下表；
t-----凍結土壤的溫度（℃）。
係數C1和C2與土壤孔隙率及溫度的關係 | ||||
土質 | 孔隙率/% | 相對濕度/% | C1×10 | C2×10 |
中砂 | 38 | 10.0 | 11.2 | 17.1 |
16.7 | 21.9 | 21.5 | ||
22.5 | 37.6 | 21.6 | ||
粉砂 | 42 | 8.1 | 5.1 | 2.3 |
15.0 | 8.6 | 2.3 | ||
23.0 | 11.5 | 21.6 | ||
粘土 | 40 | 8.0 | 5.9 | 2.3 |
14.7 | 10.2 | 2.3 | ||
24.0 | 15.7 | 5.2 | ||
（2）土質是影響凍土蠕變強度的重要因素之一。凍結礫、粗、中、細砂的抗壓強度高於凍結粘土的抗壓強度。土質的含粘性及礦物顆粒風化都影響凍土強度。對於粘性土，塑性指標是制約強度的因素，凍結粘性土的抗壓強度隨其塑性指數的增大而減小。
（3）密度增大，凍土蠕變強度也增大，凍土的乾容量增大，抗壓強度也增大。
（4）凍土在較小含水量區間內，其抗壓強度隨含水量的增加而增加，當含水量繼續增加，而土的密度明顯減小時強度不再增加，甚至會降低。
（5）凍土持久抗壓強度約為瞬時抗壓強度的1/2.5~1/2。
凍土的單軸抗拉強度
砂土與粘土的抗拉強度，見下表。
凍土的瞬時抗拉強度 | MPa | ||||
土質 | 含水量/% | 瞬時抗拉強度 | |||
-10℃ | -15℃ | -20℃ | -25℃ | ||
砂土 | 22~25 | 3.43 | 2.80 | 4.20 | 4.57 |
粘土 | 33~35 | 1.85 | 2.23 | 2.54 | 3.03 |
凍土抗剪強度
試驗表明，對於砂土和粘性土，無論是原狀土還是重塑土，只要當應力小於9.8MPa，其凍結後的抗剪強度均可用庫侖公式表示：
式中 τ-----瞬時剪下強度（MPa）；
c-----內聚力（MPa）；
σ-----正應力（MPa）；
φ-----內摩擦角（°）。
（1）溫度是控制凍土抗剪強度的主要因素。無論是砂土、砂礫石土，還是粘性土，一般可用下式表示：
式中 c0，α，k-----實驗參數。
（2）土質是影響凍土抗剪強度的重要因素之一。粗顆粒凍土的抗剪強度要比粘性土高。
（3）凍土持久抗剪強度一般為瞬時抗剪強度的1/6~1/3。
複雜條件下的凍土蠕變強度
在實際過程中，受載的凍土體處於複雜應力狀態。工程實踐和科學試驗都表明，凍土是拉壓異性材料，而且圍壓是凍土蠕變強度和蠕變規律的重要影響因素。
對細砂進行了凍土試驗。試驗溫度範圍為-15~-2℃；圍壓範圍是0~5MPa；試樣含水量為20%；乾容重為1.0~1.65g/cm3。由試驗得出土的三軸蠕變曲線如圖2所示。
（1）凍土的三軸蠕變過程和單軸蠕變過程一致，具有非常明顯的3個階段：非穩定蠕變階段、穩定蠕變階段和漸進流階段。
（2）凍土的蠕變強度隨圍壓的增加逐漸增大到某一最大值，然後隨圍壓的繼續增加出現下降趨勢。
（3）單軸應力狀態下的蠕變參數不能直接推算到複雜應力狀態下的蠕變參數，必須將各種實驗結果進行數據處理後確定其參數。
