土微观机理研究

季冻区路基土冻胀微观机理的研究方法季冻区路基土冻胀微观机理的研究方法摘要：改革开放以来，我国的经济建设有了突飞猛进的发展，公路、铁路、水利水电等设施的建设大规模地开展，作为所有工程用作基础的土，明确其在各种环境及人为因素下的物理力学性质，对于保证工程的稳定性和安全性是极其必要的。

由于土是自然界各种岩石风化形成的，没有哪一种人为作用能控制土的性质，土的物理及力学特征亦因其形成过程而异有很大的不同，因此，不同地区不同种类的土会在相同条件下呈现出各异的力学特征，尤其在多年冻土和季节性冻土区，由于环境影响因素复杂，土的性质更加难以掌握。

季冻区路基土冬季冻胀，春季融化，在交通荷载作用下容易发生路面病害，如：鼓包、弹簧、断裂和翻浆冒泥等现象，给交通运输和经济建设带来极大的危害，严重影响整个交通运输事业的发展。

可以说，季冻区路基冻害问题一直是困扰东北地区道路建设的一个重要问题，而路基冻胀是道路冻害产生的最主要影响因素。

由于东北地区冬季气候寒冷，细颗粒土路基冻结产生水分集聚（即冻结面下水分向冻结面迁移）并冻结成冰，引起路面冻胀；春季路基解冻，集聚的冰晶体开始融化，由于细颗粒土排水能力差，路基土处于饱和或过饱和状态，承载力极低，在交通车辆作用下容易发生路面鼓包，弹簧，断裂和翻浆冒泡等现象，给交通运输和经济建设带来极大的危害。

下图为由冻胀引起冻害的照片由此可见，路基冻害现象比比皆是，工程上迫切需要专门有效的措施，以防治由于路基冻胀引起的冻害问题，对季冻区路基土的研究具有十分重大的工程实际意义，刻不容缓。

冻土概念：当温度低于0ºC 时，土中液态水冻结为固态冰，冰胶结了土粒，形成一种特殊连结的土，称为冻土。

根据冻结状态持续时间不同，冻土分为瞬时冻土、季节冻土和多年冻土。

瞬时冻土是指的冻结状态保持几个小时至半月的土；季节冻土是指的冻结状态保持半月至数月的土；多年冻土是冻结状态持续多年（从几年到上千年）的土。

冻土广泛分布在地球表层，是一种低温地质体且冻土区有丰富的土地、森林和矿藏资源，它的存在及演变对人类的生存环境、生产活动和可持续发展具有重要影响。

冻土分布概况：多年冻土分布面积约占全球陆地面积的23%，主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加等地。

我国多年冻土面积约206×104km2，约占全国国土面积的21.5%，是世界第三冻土大国，仅次于前苏联，主要分布在青藏高原、帕米尔、西部高山（包括祁连山、阿尔金山、天山、西准噶尔山地和阿尔泰山等）、东北大小兴安岭、松嫩平原北部以及东部地区一些高山顶部（诸如山西五台山、内蒙古大石山、汗山、吉林的长白山和张广才岭等）。

季节冻土遍布在不连续多年冻土的外围地区，主要分布于北纬30º以北的地区。

土微观结构的国内外研究现状国外：土微观结构的研究始于上个世纪，土力学创始人Terzaghi(1925)首先提出土具有蜂窝结构的微观结构概念，之后Goldschmidt(1926)提出土具有片架状结构,认为高灵敏粘土中粘土颗粒是不稳定的片架结构，而低灵敏粘土则有较大的密度和较稳定的排列。

1932 年Casagrande 发展了Terzaghi 的蜂窝结构，根据受压大小将粉粒骨架中粘土的排列称为“基质粘土”(Matrix)和“联结粘土”(Bond)。

但真正对土微观结构进行系统研究的第一位学者是奥地利的土壤学家、土微观形态学的创始人W.L.Kubiena。

1938 年Kubiena 出版了《微观土壤学》一书，首次提出“微观结构”这个概念。

1953 年Lambe 从胶体化学及双电层理论出发，提出了分散结构的概念。

自1958 年在Brauschweng 和V olkenroele 举行了第一届国际土的结构形态学工作会议后，越来越多的学者开始对这一研究领域感兴趣。

但由于早期缺乏有效的观测手段，研究多局限于定性研究，是从一般化学原理和土工程性质不同表现来间接推断出来的。

随着光电量测技术如扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、电子探针（Microprobe）的发展和计算机图象处理技术的发展，土微观结构研究发生了质的飞跃。

到二十一世纪，随着电子计算机图像处理系统的不断发展，土结构研究热潮又一次掀起。

美国、俄罗斯等国都进行了微观结构定量化研究，土微观结构定量化研究取得了突破性进展。

国内：在国内，1957 年我国著名学者陈宗基教授提出片状颗粒接触形式，并给出了三维网络模型。

高国瑞（1979-1980）借助电子显微镜对中国黄土的微观结构与湿陷性关系进行了研究，提出了黄土微观结构十二种类型。

王永炎、滕志宏（1982）、张宗钴（1983）等对黄土微观结构也进行了研究，并与黄土的湿陷性关系进行了探讨。

王幼麟（1981）对第四纪红土微观结构进行了研究。

曲永新等（1977）、陈守义（1980）对软岩微观结构特征与工程性质进行了详细分析。

1996年，兰州冻土所王家澄首次利用扫描电子显微镜，研究在温度和压力作用下，冻土冻融过程微观结构的变化、土颗粒位移、团聚和分异，未冻水膜形态和冷生组构等，以及不同受力状态下冻土微裂隙产生和破坏机理，开创冻土微观结构研究先河。

施斌，胡瑞林等结合宏观力学参数，利用粘土矿物定向频率分布函数、颗粒、孔隙分维数来定量描述土微观结构几何特征，王清（1997）利用分形几何法研究孔隙分布方向角、定向角和定向分布函数与土体强度的关系。

蒋明镜等（1998）研究粘土受剪切作用微观特征变化。

王常明（1999）在定量描述海积软土粒度、定向性和孔隙分布等基础上，提出了微观结构因子的概念。

齐吉琳、谢定义（2000）利用电镜扫描方法得出孔隙分布曲线，并结合颗粒大小分布曲线定量研究了黄土微观结构。

土微观结构特征的定量研究：土在长期定量荷载作用下, 变形随时间的增长而增大, 决定其变形量大小的主要因素之一是土的结构强度; 换言之, 土的位移和变形主要是由土体内结构变化(结构单元体之间的相对位移和错动等变形) 所导致的。

因此, 要研究土的变形与强度时效的本质, 微观结构是研究的起点; 并以此为基础, 建立相关的数学关系, 以达到研究和预测土体变形和强度变化的目的。

土的微观结构是借助于电子扫描显微镜, 将土样放大到一定倍数下进行观察分析。

土的微观结构是由其基本单元体构成的, 通常称为结构单元体, 而结构单元体主要是由单粒(原生矿物的碎屑) 和集粒(细小矿物颗粒、个别有较大的原生矿物碎屑被一些胶结物胶结而成的矿物集合体) 组成。

结构单元体的大小、形状、排列组合方式及其结构连结状况就是土的微观结构。

在研究变形随时间变化过程中, 结构单元体被看成是一个整体, 由于它们的成因类型不同, 通常它们在变形过程中和变形后是不稳定的整体, 具体表现在它们的大小、位置和形状都不断在发生着变化。

如集粒被压密、位移等。

因此, 结构单元体在土的变形过程中是处于一种动态的平衡中, 在不同时空上, 土的微观结构具有其各自独特的变化特征, 在正常情况下, 土的位移和变形主要是由结构单元体之间的相对位移和错动所导致的。

下图为土微观结构简图一般情况下, 认为土结构单元体的长轴代表了颗粒排列的方向。

因此, 在讨论土微观结构的定向性时, 主要研究长轴的排列方向及其有关特征。

由于土的结构单元体的大小变化相差十分悬殊, 粒径的长短轴相差可达几十倍甚至上百倍、上千倍。

粒径较大的结构单元体在同一应力水平的作用下,被调整的速度和程度往往较小; 相反, 粒径较小的结构单元体则较容易进行调整, 且颗粒排列方向容易形成较好的定向性。

因此, 粒径较大的结构单元体的方向性在结构定向性乃至土体变形的研究中起着十分重要的作用, 即在计算方向性的过程中应分配以较大的权重。

土体结构单元体的长轴与短轴的长度可以通过对应X 轴、Y 轴坐标的读数计算出来, 算式如下:结构单元体的大小则可以在已求得长、短轴的长度基础上, 运用长、短轴乘积进行计算, 从而求得简化后土颗粒的近似平面面积。

再将每一个结构单元体的近似面积进行累积求和, 得到该图像上所求粒径的总面积A 。

通过统计平均直径、方向角、平均圆形度、丰度和分形维数，统计分析出各微观结构参数冻胀过程中的变化规律。

冻胀的微观结构理论研究方法：在进行冻胀的微观结构研究时，为了定量化孔隙和颗粒微观结构特征，建立了多个描述参数。

这些描述微观结构的参数与土体冻胀性之间不具明显相关规则，且都随冻结时间和冻结条件的变化而变化，即数据具有动态变化特征，也就是所说的不确定性。

因此，为了评价土体冻胀的微观机理，选择不确定性系统理论和方法来建立这些定量化参数与冻胀之间的评价模式。

20 世纪80 年代创立的灰色系统理论和粗糙集理论是从不同角度、不同侧面描述和处理各类不确定性信息的理论和方法，能处理多个数据样本项目，尽可能利用试验数据，而且处理过程计算量小，处理结果精确，受人为影响小，能够处理土各结构参数对冻胀影响的不确定性和粗糙性。

这里，简要介绍以下两个理论：灰色系统理论研究方法：人们在社会、经济活动或科学研究过程中,经常会遇到信息不完全的情形。

“信息不完全”是“灰”的基本含义。

从不同场合、不同角度看,“灰”的含义描述不一样。

控制论常用颜色的深浅形容信息的明确程度和完全程度,艾什比(A.shby)将内部信息未知的对象称为黑箱(Black Box)。

因此用“黑”表示信息未知,用“白”表示信息完全明确,用“灰”表示部分信息明确、部分信息不明确。

相应地,信息完全明确的系统称为白色系统,信息未知的系统称为黑色系统,部分信息明确、部分信息不明确的系统称为灰色系统。

灰色系统理论的主要内容有：（1）GM 模型（2）灰色预测（3）灰关联分析（4）灰色决策（5）灰色控制灰色理论用于冻土的研究：灰色理论用于冻土的研究比较少，2006年新疆农业大学的张远芳应用灰色关联优势分析土含水率、含盐量、有机质、干密度等对土冻胀和融沉性质的影响。

由于季节冻土受冻结温度、土物化性质、压实度、含水率、冻结时间等因素的综合影响，描述冻土特征的结构参数比较多，各个结构参数的作用效果又不同，对冻胀影响的重要程度也不同；且这些结构参数不具规则的分布性，随时间和冻结条件的变化具有不确定性变化的现象，即具有灰色性。

而灰色系统理论能够解决结构参数与冻胀关系的不确定性现象，能充分考虑影响冻胀的多个结构因素，最大化利用了试验数据，正确合理的评价结构对土冻胀性的影响。

本文选择灰色理论恰好符合数据的特点和研究目的。

粗糙集理论研究方法粗糙集理论是一种处理含糊和不确定性问题的新型数学工具，其基本思想是在保持分类能力不变的前提下，通过知识约简，导出概念分类规则。

1982 年波兰数学家Z.pawlak 针对G.frege 的边界线区域思想提出了粗糙集（rough sets，粗糙集或RS）概念，提出了上、下近似集的概念，上近似集和下近似集之差定义为边界线区域，那些无法确认的个体都归于边界线区域。