冻融循环下盐渍土力学特性及本构模型研究综述

李 生 伟

(1.中国地质大学(北京) 工程技术学院，北京 100083； 2.青海大学 地质工程系，青海 西宁 810016)

盐渍土是盐土和碱土以及各种盐化、碱化土壤的总称，工程上把易溶盐含量大于0.3%且具有溶陷、盐胀或腐蚀等性质的土称为盐渍土[1]。盐渍土在我国滨海与内陆地区均有分布，总面积约占我国国土面积的2.1%，西北地区和东北地区是我国盐渍土分布最多的地区。近年来，很多工程都建设在盐渍土地基上，尤其是一些铁路和公路等路基工程[2]。同时，在某些地区常年温差变化较大的环境下，盐渍土不断地经历着冻融循环作用，使其物理力学性质处于动态变化当中，结构也受到影响，从而使得盐渍土的力学和工程性质变差，对于工程建设不利。因此，对冻融循环作用下盐渍土力学特性及结构性变化规律的研究可以为工程建设提供一定的指导。

目前，对于冻融循环作用下盐渍土的研究主要集中在水热盐力四场耦合机理、工程特性、物理力学特性以及水盐迁移规律等方面[3-8]。其中力学特性主要集中在土体微观结构、抗压强度以及抗剪强度等方面的研究，从微观和宏观两方面分析冻融循环对盐渍土受力特性的影响规律，取得了显著的研究成果。本文主要对近年来在冻融循环作用下盐渍土的受力性质以及应力-应变关系方面的研究成果进行简单的总结，针对目前研究现状中存在的一些问题进行了探讨及展望，以期为冻融循环作用下盐渍土力学特性和本构模型的进一步研究提供参考。

1 盐渍土力学特性研究现状

1.1 微观结构研究

盐渍土的组成体系与一般土不同，组成体系中多了一个“盐相”部分。盐渍土试样在经历冻融循环作用下，土体中的“盐相”反复地结晶和溶解，盐渍土土体微观结构发生改变，从而影响着盐渍土力学强度，使得工程性质变差[9-11]。近年来，在盐渍土微观结构的研究中多采用CT扫描技术。CT扫描技术在岩土体微观结构研究方面是一种新兴技术，可以获取岩土体在外力作用下的内部结构变化特征[12-13]。通过采用该技术对冻融循环作用下盐渍土土体微观结构变化规律有了更加深刻的认识。

国外关于盐渍土微观结构的研究相对较早，早间苏联的研究成果较为丰富。Edwin J C[14]指出冻融循环作用会严重破坏土体结构，使得盐渍土渗透性发生改变。Zimmie T F[15]发现细粒盐渍土在经历冻融循环后，土体孔隙比减少，渗透系数增大。国内研究起步相对较晚，但研究成果显著。从邓友生等[16]、石群等[17]、张旭东[18]的现有研究成果来看，他们对冻融循环作用下盐渍土的微观结构变化基本达成了一定的共识：在冻融循环的过程中，盐渍土体积膨胀，密度减小，土体颗粒间孔隙增大，密实度降低，土体结构单元的形状和排列均发生了明显的变化，这与Zimmie T F的研究结果有所差别。而这些微观结构的变化正是导致盐渍土工程特性变差的直接原因。当然，冻融循环作用除了使得盐渍土密度、孔隙率等物理性质改变之外，也会影响土体颗粒之间的接触形式。盐渍土的微观结构连接方式一般有点接触、晶体胶结以及堆叠接触3种，其中盐晶体胶结作用对其力学特性影响最大[19]。但由于冻融循环的作用，会使得盐渍土土体内部结构变得松散，土体颗粒之间的孔隙变大，并且当土体颗粒较大时，土体内部的接触形式主要以点对点接触为主[20]。同时，盐渍土微观结构的变化也与盐渍土类型密切相关。有研究表明硫酸盐盐渍土析出的盐晶体体积明显大于氯盐盐渍土[21]。

由以上研究可以看出：盐渍土在经历冻融作用后，土体密度降低，同时土体中土体颗粒的胶结方式也在发生着变化，严重时会导致土体内部微观结构破坏，不同类型的盐渍土在经历冻融循环作用后微观结构表现出明显的差异性。这些冻融作用下盐渍土微观结构变化特征和其宏观力学及工程特性具有良好的映射性。

1.2 抗压强度研究

盐渍土在冻融循环过程中，土体内部与外部环境间物质、能量交换复杂，严重影响土体的物理力学特性。目前，针对冻融环境中盐渍土抗压强度的研究较多，根据不同地区不同含盐类别主要可分为硫酸盐盐渍土、碳酸盐盐渍土以及氯盐盐渍土3种。

硫酸盐盐渍土主要分布在新疆、青海等地区，冻融循环作用下盐渍土的冻-盐胀以及溶陷等工程特性较为显著，使其抗压强度受到影响。从陈肖柏等[22]、杨成松等[23]、邴慧等[24-25]的现有研究成果来看，硫酸盐盐渍土在经历冻融循环作用后，抗压强度减小，当冻融次数约为6次时，强度减小趋势变缓。同时，其强度与试验温度和土体中含盐量密切相关：盐渍土试验温度和土体中含盐量降低时，其抗压强度表现为线性增大。并且研究表明可利用“相对温度”的概念来从非盐渍土的力学性质预测盐渍土的力学性质。

碳酸盐盐渍土主要分布在我国东北地区，该地区常年温差变化大，盐渍土冻融作用十分明显。目前的研究方法主要通过室内人工配制碳酸盐盐渍土，使其经历冻融循环后进行单轴抗压强度试验。试验表明冻融循环作用下盐渍土单轴抗压强度呈现衰减趋势，其衰减的主要影响因素权重排序为：含盐量<击实度<含水率<冻融循环次数[26]。同时，冻融循环作用会造成盐渍土质量损失，当试样经历第一次冻融循环后强度较之前有所增大[27]。在影响碳酸盐盐渍土抗压强度的因素方面，研究结果表明：在冻融循环初期，随着含盐量和含水量的增加，试样强度减小，抗压强度的改变是含盐量和含水量共同作用的结果[28]。

氯盐盐渍土主要在我国的西北地区分布较广，通过现场采取或室内人工配制盐渍土试样，在含盐量、温度、加载速率、冻融循环次数等对抗压强度的影响方面做了一些研究。牛江宇等[29]研究了含盐量、温度以及加载速率对盐渍土抗压强度的影响，结果表明：氯盐盐渍土的单轴抗压强度随着含盐量的增加而降低，随温度的减小而增大，随加载速率的增加而增大。程良[30]认为盐渍土在冻融循环过程中会受到冻胀力和盐胀力，其使得土体结构受到破坏，土体强度减小。

除此之外，冻融循环作用下混合盐盐渍土的力学特性和回弹模量等方面也有研究。王春雷等[31]认为盐渍土冻结强度随含水率的增大而增大，随温度的降低而升高。陈锦等[32]研究了含水量不同的NaCl/Na2SO4盐渍土试样的单轴抗压强度，结果表明：当含水量增加时，冻结盐渍土的单轴抗压强度呈现出先增大后减小的趋势。张磊[33]认为冻融聚盐后路基的回弹模量和承载比值均会减小，力学性能变差，对路基承载力影响较大。

综合以上研究可知，盐渍土抗压强度与盐渍土土质、冻融循环次数、含水量、含盐量、含盐类型、干密度以及外界环境温度变化等多因素相关。通过选取不同的盐渍土试样，在不同的试验条件下的抗压强度的变化规律也不尽相同。目前的研究途径也仅集中在室内人工配制盐渍土，使其在封闭系统下进行冻融循环试验，然后对试样进行抗压试验，与野外土体实际冻融所处环境变化有所差别。

1.3 抗剪强度研究

土体的抗剪强度是衡量当土体受到外力作用时，土体抵抗外力对其进行剪切破坏的一种极限强度指标，凝聚力和内摩擦角是其两个重要参数。目前，主要通过室内直剪和三轴剪切试验对冻融循环作用下盐渍土的抗剪强度进行研究，主要集中在对影响盐渍土抗剪强度的基本因素，如冻融循环次数、含盐类别、含盐量以及含水量等方面，研究成果较为显著。

盐渍土的抗剪强度受环境温度的影响较大。当环境温度降低时，土体中“盐相”的占比会发生变化，盐分析出，发生盐胀现象；当外界环境温度升高时，土体中“盐相”主要以液态形式存在，水盐迁移现象明显。国外关于冻融循环对土体强度的影响研究成果有所差异，未能达成一致的结论。Aoyama K等[34]发现冻融作用使得盐渍土凝聚力下降，内摩擦角变化不大。Ogata N等[35]认为冻融作用使得盐渍土内摩擦角增大。国内关于冻融循环作用对盐渍土的抗剪强度影响的研究表明，随着冻融循环次数的增加，盐渍土凝聚力整体呈现下降趋势，屈服强度以及弹性模量都有所降低，但内摩擦角呈现增大的趋势，并且在第一次冻融循环后凝聚力也有所增加[36-38]。同时，不同含盐类型的盐渍土变化规律有所不同。随着冻融循环次数的增加，亚硫酸盐盐渍土凝聚力减小，内摩擦角随土柱高度表现为“3”型曲线规律，且冻融次数越大其值越小；而亚氯盐盐渍土凝聚力随土柱高度表现为“反S”型分布规律，内摩擦角呈现“3”型曲线规律，且冻融次数越多其值越大[39]，这与前者刚好相反。

在含盐类别及含水量对盐渍土的抗剪强度影响方面，徐安花等[40]认为盐渍土中含盐类型以及含水量对其内摩擦角影响不大，含水量对凝聚力的影响大于含盐类型。王海涛等[41-42]研究表明氯盐盐渍土和硫酸盐盐渍土的凝聚力和内摩擦角均随冻融循环次数的增加而减小，但后者减小较快。可见含盐类别是导致不同变化趋势的根本原因。

为了探讨冻融循环作用下含盐量对盐渍土的抗剪强度的影响，国内很多学者开展了不同含盐量的盐渍土的室内冻融循环试验研究。陈炜韬等[43-45]、洪安宇等[46]、付江涛等[47]都先后研究了不同含盐类别的盐渍土抗剪强度随含盐量变化的变化规律，得出了几乎一致的结论：随着含盐量的增加，抗剪强度先减小后增大，只是不同类别盐渍土含盐量的阈值有所不同。而张伟等[48]则认为盐渍土中含盐量的降低会使得土体抗剪强度减小，含盐量越高，盐渍土土体的剪缩性越明显，这与前者研究结果有所不同。这种抗剪强度的变化主要是由于盐渍土中易溶盐相在外界环境影响下动态变化所致[49-50]。同时，对抗剪强度参数的变化规律也有研究，但结论都有所差异。张国辉等[51]研究表明盐渍土的凝聚力与含盐量呈负相关，内摩擦角表现为先减小后增大的趋势。张飞等[52-53]认为含盐量对盐渍土试样的内摩擦角影响较小。而色麦尔江·麦麦提玉苏普等[54]认为随着含盐量的增加，盐渍土凝聚力表现出先增后减的趋势，内摩擦角逐渐增大。

除此之外，盐渍土土质、压实度等也影响着盐渍土的抗剪强度。盐渍土在经历多次冻融循环后，低液限黏土试样凝聚力自下而上线性减小，内摩擦角呈“S”型分布；含砂低液限黏土试样凝聚力和内摩擦角均呈“S”型分布；低液限粉土试样凝聚力和内摩擦角逐渐减小[55-56]。由此看来，同样在低液限的条件下，不同土质的盐渍土的凝聚力和内摩擦角表现出来的变化规律有所不同。在压实度对盐渍土抗剪强度影响方面，研究表明土体凝聚力随压实度增大先增大后减小，而内摩擦角受影响不大[57-58]。盐渍土作为一种特殊性土，其在冻融循环作用下的抗剪强度是多种因素共同作用的结果，各因素之间存在着耦合影响。

2 盐渍土本构模型研究

土的本构模型又称本构关系，是指能够比较全面地反映土在普遍应力状态下的应力应变关系的数学模型。有关土体的应力应变关系的研究工作多年来一直是土力学的热门研究领域。在众多学者的努力下，国内外建立的土体本构模型有很多种，但关于盐渍土本构模型方面的研究则相对较少[59-61]。

盐渍土土体性质受外界环境影响较大，使得冻融循环作用下的土体应力应变关系更为复杂，而本构模型的研究是分析盐渍土土体应力应变关系的基础理论。冻融循环作用下盐渍土的应力应变曲线可简化为准弹性阶段、应变硬化阶段以及塑性破坏阶段[62-63]。目前，根据冻融循环作用下盐渍土应力应变曲线变化规律，基于现有常规土的本构模型，提出了不同的本构方程。关于该方面的研究主要有以下几种：

(1) 冻结盐渍土的应力应变曲线为应变硬化型，可以分为弹性变形阶段和塑性变形阶段，曲线满足邓肯-张双曲线本构模型[24]。

(2) 盐渍土在不同温度、不同围压、不同含盐量的条件下应力应变关系曲线基本呈抛物线形状，以修正剑桥模型为基础建立了冻结盐渍土的本构模型[64]。

(3) 采用摩尔-库伦理想弹塑性本构模型，利用有限元方法模拟了盐渍土的遇水溶陷、冻-盐胀等工程问题[65]。

(4) 以损伤理论为基础，采用Weibull分布函数建立了考虑冻融循环作用的弹塑性损伤本构模型，并运用试验验证了该模型具有一定的合理性[66]。

(5) 基于非饱和土弹-黏塑性本构方程，提出了考虑盐渍土溶陷变形的非饱和盐渍土本构模型，并通过数值模拟的方法验证了该本构模型的可靠性[67]。

以上研究所建立的盐渍土本构模型都仅在某种特定的条件下适用，并未考虑实际工程中复杂的外界环境。但盐渍土的应力应变关系受多因素影响，是水盐热力四场耦合的综合表现。目前，针对四场耦合条件下的盐渍土本构模型还没有研究。

3 探讨及展望

目前对冻融循环作用下盐渍土的力学特性和本构模型研究取得了较为显著的成果，在该方面的研究也向纵深发展，技术手段也在不断进步，但在研究过程中也存在一些问题：力学特性的研究主要依靠室内实验，具有一定局限性；研究考虑因素较为单一，与实际工程问题有所差别；盐渍土宏观性质和微观结构研究未能系统的进行结合；本构模型的研究相对较少，理论研究还不够深入。基于目前的研究现状，认为今后应加强以下几个方面的研究：

(1) 加强现场试验的研究。由于实际工程中盐渍土冻融循环过程周期较长，所以目前对于冻融循环下盐渍土的力学特性的研究主要通过室内试验。室内试验在制取重塑土样的过程中会对土体造成扰动，试验条件均较为理想，使得试验结果具有一定的局限性，不能够反映实际盐渍土的力学性质。因此，应加强现场试验的研究，将室内与室外试验相结合，为实际工程提供指导。

(2) 加强盐渍土本构模型的研究。盐渍土和黄土、膨胀土等都属于特殊性土，目前对于黄土、膨胀土等的研究技术与成果都相对成熟，根据室内试验研究了其应力应变关系，提出了不同的本构模型。因此，基于黄土、膨胀土等特殊性土的本构模型，盐渍土的本构模型的研究可参考其进行研究。同时，本构模型的研究应该综合考虑水盐热力四场耦合的影响。

(3) 加强从微观和宏观角度定量地研究冻融循环对盐渍土特性的影响。目前，针对冻融循环作用下盐渍土受力特征和微观结构研究相对较多，但没有建立盐渍土微观结构与宏观特性之间的定量关系，实际工程中，盐渍土微观结构和受力特性有着很好的映射性，应加强该方面系统性的研究。

(4) 利用数值模拟方法研究。有限元数值模拟方法简单、方便，并且具有节省成本等优点，所以在研究冻融循环条件下盐渍土的力学特性研究可采用数值模拟方法，将其与理论研究成果相结合。

(5) 混合盐盐渍土的研究。目前冻融循环作用下盐渍土力学特性的研究多采用含有单一盐分的盐渍土试样，而实际中，不同地区盐渍土的含盐类别不同，盐渍土中可能含有多种易溶盐成分，这样也使得混合盐盐渍土的工程和力学性质不同于单一盐分的盐渍土。因此，应加强研究含有多种易溶盐耦合条件下的盐渍土的力学性质。

4 结 论

(1) 冻融循环作用会使得盐渍土土体微观结构发生较大的变化。盐渍土颗粒间孔隙变大，密度减小。土体内颗粒之间的胶结方式发生转变，土体结构单元的形状和排列均发生明显的变化，这在宏观上与盐渍土土体力学强度变化规律有着很好的映射。同时，将微观结构变化与宏观工程特性相结合也可作为定量研究冻融循环对盐渍土特性影响的一个研究方向。

(2) 盐渍土的抗压强度和抗剪强度主要受冻融循环次数、含盐类别、含水量以及含盐量等因素影响，不同地区的盐渍土含盐类别不同，使得其抗压强度也不尽相同。同时，在不同的影响因素下，盐渍土的内聚力和内摩擦角变化规律也不一致。

(3) 在盐渍土本构模型的研究方面，主要集中于通过室内直剪试验和三轴剪切试验研究并分析盐渍土的应力应变关系。在不同的影响因素和试验环境下，应力应变表现为应变硬化型。针对盐渍土冻结盐胀、溶陷以及损伤等提出了不同的本构模型，但研究相对较少，还需加强在这方面的研究。

(4) 冻融循环作用下盐渍土的力学特性应加强对现场试验、混合盐盐渍土力学特性等方面的研究。本构模型可以参考黄土、膨胀土等特殊性土的研究方法和成果，综合考虑水盐热力四场耦合的影响，填补这方面的研究不足。同时，可结合数值模拟方法，加强理论研究。