高温冻土：陌生又熟悉的“软骨头”

冻土是温度低于0℃且含有冰的岩石和土壤。近年来，随着全球气候变暖，原本“冷酷”的冻土正在经历升温。对于温度介于-1.5℃到0℃之间冻土，被称之为高温冻土。高温冻土离融化只有一步之遥，其冰胶结作用相对较弱。虽然它的外表是固态，但内部却已经松软，就像是即将融化的冰淇淋。

随着人类工程活动的加剧，以青藏公路、青藏铁路到青藏直流输电塔基等为代表的重大工程在高温冻土区修建，在进行构筑物建设或开挖时，原有的应力方向会发生偏转。想象一下，当你笔直地向下按压一块冻土时，力的方向是垂直的。但在实际情况中，由于路堤的堆积、边坡的存在或者开挖体的形状复杂，冻土内部承受的压力方向会发生倾斜，就像你用手按压一个斜面一样。这种“应力主轴偏转”现象，在斜坡、高路堤边坡、路桥过渡段等存在临空面的区域尤为明显。传统的单轴或三轴冻土力学研究，无法模拟真实工程中那股“拧劲儿”的复杂受力状态。结果就是：基于这些数据设计的工程设施，在面对应力主轴偏转时，往往会高估地基的实际承载能力，这个误差在工程中可能是致命的。

探秘“力的方向”：冻土也会“扛不住拧劲儿”

为了弄清这种“拧劲儿”到底有多大影响，中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学与冻土工程全国重点实验室的研究团队研制了一台“神器”：冻土空心圆柱扭剪仪（图1）。这台仪器允许研究人员在特定方向上对冻土样品施加压力，精确模拟实际工程中应力主轴偏转的情形。想象一下，这就像是能够360°全方位“按压”一块冻土，并观察它在不同角度压力下的反应。

图1 冻土空心圆柱扭剪仪

将主应力方向相对于竖直方向的偏转角设为α，研究人员分别测试从0°（垂直压力）到各种倾斜角度的冻土强度。同时，研究人员还考虑不同初始压力水平（500 kPa、1000kPa和2000 kPa，对应轻到重的工程荷载）对冻土强度的影响。实验结果揭示了一个令人意外的规律：偏转角与冻土强度密切相关。在较低的压力水平（500kPa）下，主应力方向的偏转对冻土强度的影响最为显著。随着偏转角α从0°逐渐增大，冻土强度表现出先减小后增大的趋势。最危险的点出现在α=45°，此时冻土强度最低，比不偏转时（α=0°）整整降低了27.3%！图2为高温冻土应力-应变关系与强度随主应力偏转角的变化特征。

图2 高温冻土应力-应变关系与强度随主应力偏转角的变化

这意味着什么？假设一个结构在传统测试中能够承受10吨的重量，但在45度斜向压力下，它的实际承受能力可能只有7.3吨左右。如果这个隐患没有被发现，后果将不堪设想。更有趣的是，随着初始平均压力的增加（1000 kPa和2000 kPa），情况发生了变化。主应力偏转引起的强度衰减减小了，而且强度最低点出现的位置也从45°转移到60°。这表明，在重压之下，冻土对“拧劲儿”的抵抗力有所增强，但抵抗力不均匀的现象依然存在。

非共轴现象：当冻土“口是心非”时

那么这些现象背后的机理是什么？实验室研究团队发现，关键在于一种被称为“非共轴”（non-coaxiality）的行为。什么是非共轴？通俗地说，就是“力的方向”和“变形的方向”不一致。在理想弹性材料中，你怎么压它，它就怎么变形，即力的方向和变形的方向是一致的（共轴）。当主应力方向倾斜时，冻土内部的主应变塑性增量方向并没有完全跟随应力的方向，而是表现出显著地偏离。研究人员将这种不一致描述为“非共轴角”，且偏离越大，说明冻土内部的“错位”越严重。

为什么会这样？这源于冻土微观结构的各向异性。简单理解就是：冻土抵抗不同方向变形的能力是不一样的。对于高温冻土而言，其抵抗横向扭转剪切变形的能力要显著弱于抵抗竖向压缩剪切变形的能力。你可以想象成一块有纹理的木材，顺着木纹劈开容易，横着切断难。冻土内部也有类似的“纹理”或结构，在低初始压力（500kPa）下，这种各向异性表现得尤为突出，因此非共轴角较大，强度降低也最明显。随着初始平均主应力的增加，外部压力迫使冻土内部结构更加紧密，微观结构的各向异性演化被减缓，主应力与主应变方向趋于一致，非共轴角减小，不同偏转方向上的强度差异也随之缩小（图3）。

图3 冻土加载中的非共轴行为演变过程

结语

从实验室里精密的空心圆柱仪，到青藏高原上的千里铁路线，冻土研究架起了一座连接基础理论与工程实践的桥梁。关于应力主轴偏转与非共轴行为的研究，或许只是冻土力学长河中的一朵浪花，但它所揭示的真理“力的方向与物质响应之间的微妙关系”将继续指引着寒区工程向着更科学、更安全的方向前进。人类要想在世界屋脊建设更安全、更持久的工程，就必须学会读懂冻土的“脾气”，尊重它的“方向感”。

作者：明锋系中国科学院西北生态环境资源研究院  副研究员