藏东南地区冰碛土强度特性对温度响应试验研究

Experimental Study on Response of Strength Characteristics of Glacier Tills to Temperature in Southeast Tibet

摘要

为研究气候暖湿化条件下小冰期以来所形成的冰碛土内埋藏冰消融导致强度劣化机理，深入认识高寒区冰川泥石流起动过程，选取帕隆藏布流域天魔沟泥石流源区所采集的冰碛土作为研究对象；采用高精度温控三轴耦合试验系统进行剪切试验，研究冰碛土在不同温度条件下的剪切变形特征，分析温度对冰碛土变形破坏的影响机制，构建冰碛土多相介质强度破坏判据. 试验结果表明，冰碛土变形破坏受温度影响显著，-20 ℃时，冰碛土应变软化和剪切带破坏特征显著；随着温度升高，冰碛土逐渐表现出应变硬化和鼓胀破坏特征. 冰碛土的模量、峰值抗剪强度、内摩擦角和黏聚力均随温度升高而降低，且在-3~-5 ℃下降速率最快，而脆性指数随温度升高而增大. 引入Boltzmann函数对冰碛土抗剪强度参数与温度间的关系进行刻画，发现抗剪强度参数变化的特征温度在-4 ℃附近，并基于摩尔库伦强度准则构建了含有温度参数的冰碛土强度破坏准则.与传统含有构造冰的冻土相比，内部赋存埋藏冰的冰碛土强度主要由颗粒间接触提供，其更易受外界温度变化影响，土体强度对温度响应更为复杂.

Abstract

The mechanism of soil strength deterioration caused by the melting of buried ice in glacier tills formed since the Little Ice Age under the climate warming and humidification is of great significance for deeply comprehending the initiation process of glacier debris flow. Taking the soil from the source of Tianmo gully debris flow in Parlung Tsangpo Basin as the research object, the high-precision temperature control triaxial coupling experimental system was used to study the shear deformation characteristics of glacier tills under different temperature conditions, analyze the influence mechanism of temperature on deformation and failure, and construct the strength failure criterion of this multiphase medium. The results show that the deformation and failure of glacier tills were significantly affected by temperature. At -20 ℃, the glacier tills showed strain softening and shear band failure characteristics, and the glacier tills gradually exhibited strain hardening and bulging failure characteristics with the increasing temperature. The modulus, peak shear strength, internal friction angle and cohesion decreased with the increase of temperature, and the rate was fastest at -3 to -5 ℃, while the brittleness index increased with temperature increasing. Boltzmann function was introduced to describe the relationship between shear strength parameters and temperature. Analyses show that the critical temperature of shear strength parameter variation was around -4 ℃. The strength failure criterion of glacier tills containing temperature parameters was constructed based on Mohr-Coulomb theory. Compared with frozen soil containing pore ice, the strength of glacier tills which contain buried ice is mainly provided by the contact between particles, which is easier to be affected by the change of external temperature, and the response of strength to temperature is more complex.

Graphical abstract

关键词

冰碛土 / 强度劣化 / 温度作用 / 温控三轴试验 / 工程地质学.

Key words

glacier till / strength degradation / temperature effect / temperature control triaxial test / engineering geology

0 引言

近年来，由于全球气候变暖，冰川退缩，造成大量冰碛土变形破坏引发的地质灾害频繁发生，严重威胁着铁路、公路、水电工程和重要城镇的安全，因而它们成为地质灾害领域新的重要研究对象（李尧等， 2022）. 而帕隆藏布流域作为我国最大规模的海洋性冰川分布区，冰川运动活跃，冰碛土分布广泛（Wang et al.， 2022a）. 充足的物源和复杂的地形条件让该区域成为川藏交通廊道冰川泥石流最为发育的地段，对川藏铁路工程的建设和运营都造成极大的威胁（Cui et al.， 2022）. 冰碛土是冰川在运动过程中颗粒大小差距悬殊的块石、砂砾、粉土和黏土在没有分选条件下快速堆积形成的产物，具有结构复杂、颗粒级配差和物理力学性质变化大等特点（蒋德旺等， 2019）. 尤其是小冰期以来形成的冰碛土中含有大量的埋藏冰（舒有锋， 2011）. Clague and Evans（2000）和王翔等（2021）分别在对英国哥伦比亚省和喜马拉雅山区冰碛湖实地考察中发现冰碛坝中含有冰川退缩嵌入土体的埋藏冰（死冰）. 这些冰体对外界温度变化极为敏感，容易随环境温度的升高而发生消融，从而改变土体内部水分含量，致使冰碛土湿润饱和，抗冲蚀下降（屈永平等， 2018），土体强度发生劣化（鲁建莹等， 2021），冰碛坝稳定性下降（柴波等， 2020）.进而诱发大量的冰川地质灾害，如冰川泥石流、冰湖溃决等（刘建康等， 2019），对地区主要工程造成严重的损害（王运生等， 2022）. 胡桂胜等（2011）通过无人机影像和地面调查，在对整个林芝地区的泥石流活动进行总结后，发现温度升高所致冰碛土内部冰体融化是诱发泥石流的重要因素. 汤明高等（2022）则通过冻融循环条件下的加卸载试验，分析了冻融循环作用下岩石卸荷力学特性规律，揭示了岩石冻融劣化机理. 在全球气候变化背景下，土体‒大气相互作用显著，气温升高导致富冰土体内部冰体融化而向坡体内部渗透，进而引发坡体冻层发生滑移（孙畅等， 2022）. 滑移的岩块、冰碛土挟裹着埋藏冰体在运动过程中又极易改变其冰‒水‒岩相互作用，形成复杂的热‒水‒力耦合作用，从而造成灾难性的冰‒岩碎屑流灾害（杨情情等， 2022）.

目前国内外已有不少学者就温度对土体的影响进行了研究. 雷乐乐等（2018）对现有冻土静力学室内试验研究进行了总结，全面阐述了温度对冻土复杂力学性能的影响. 在强度方面，Lyu et al. （2021）测试了不同温度下Onsoy冻结黏土的三轴剪切过程中的强度和孔隙压力，并探究了冻结黏土抗剪强度对温度的依赖性. Arenson and Springman（2005）通过恒应变速率试验探究富冰冻土在-4~-1 ℃内的强度破坏准则. 林海等（2022）通过不同温度下的界面直剪试验，揭露温度环境对土工膜‒砂土界面剪切特性的影响规律. Cudmani et al. （2023）对冻结砂砾单轴压缩、三轴压缩以及蠕变试验结果进行了详细分析，扩展了原有的冻土本构模型，用以模拟剪切作用下冻土应变速率、应力和温度的变化. Wang et al. （2021）从能量分布和能量传递的角度入手，通过单轴压缩试验，研究了温度对冻结淤泥质黏土强度的影响，揭示了冻土在外荷载作用下变形和破坏的热力学过程. 在变形方面，Shastri et al. （2021）对阿拉斯加原位冻土进行了温控三轴压缩试验，分析了冻土在不同温度下的体积行为以及弹塑性状态. 刘德欣和华小宁（2020）利用开敞系统的粉土冻胀试验研究了环境温度对土体冻胀特性的影响. 此外，许多学者还通过室内试验的方式针对冰碛土的物理力学性质进行了一系列探索. Wang et al. （2022b）对藏东南冰缘地区的冰碛土进行了粒度分析，利用三轴压缩试验探究了不同颗粒组成对冰碛土变形破坏的影响. Mu et al. （2019）通过自主研发的应力‒温度控制三轴装置，获取了不同应力状态下冰碛土的冻结特征曲线，系统探究了应力和温度与冰碛土内部未冻水含量之间的关系. Li et al. （2022）借助高精度温控三轴耦合试验系统开展了冰体赋存形式下的冰碛土试验研究，获取了温度‒应力‒渗流多场耦合条件下的冰碛土力学特性，并进一步揭示了复杂环境变化条件下冰碛土强度劣化特征. 上述研究主要集中在温度对冻结砂土、冻结黏土和冻结粉质黏土等冻土强度的影响上，而针对冰碛土这种宽级配粗粒土强度特性对温度的响应机制尚未有系统研究. 且有关冰川泥石流的风险评估采用的方法中还未将埋藏冰体对温度的响应纳入考虑范围（余斌等， 2022）. 气候变化导致自然灾害风险加剧，而减少灾害风险则需要深刻理解灾害的形成演化规律，从而实现灾害的预防和治理（Cui et al.， 2021）. 因此，为探索温度对冰碛土这种内部富存埋藏冰的土体强度影响规律，本文采用高精度温控三轴耦合实验系统进行剪切试验，研究冰碛土在不同温度条件下的剪切变形特征，分析温度对冰碛土变形破坏的影响机制，构建冰碛土多相介质强度破坏判据. 研究结果为认识气候变暖条件下高寒山区冰川地质灾害形成机制提供了重要理论支持.

1 野外调查与采样

天魔沟位于藏东南地区波密县境内帕隆藏布右岸（图1a），2007年至2018年期间，天魔沟共发生了4次大型和巨型泥石流活动，有3次泥石流的启动均与冰碛土的崩滑相关（余忠水等， 2009； 高波等， 2019）. 通过野外调查可知，该流域上游分布有大量小冰期形成的冰碛土（图1b），是补给泥石流活动的主要松散固体物源. 该类型冰碛土含有大量的埋藏冰（图1c），这些冰体独立地富存于土体当中且埋深较浅，极易受到外界环境温度变化的影响. 为深入研究温度对泥石流源区冰碛土力学特性的影响，基于野外原位测试获取了冰碛土基础物理指标（表1），并采集源区冰碛土带回实验室进行室内力学实验.

2 室内温控三轴试验

2.1　样品制备

将野外所采集冰碛土样品带回实验室烘干后（105 ℃），采用圆孔筛对其进行筛分，得到冰碛土的颗粒集配曲线如图2所示；冰碛土的不均匀系数C_u=8.00，曲率系数C_c=0.79，级配不良.

为了更好地研究冰碛土对温度的响应机制，本研究采用试样为冰碛土样与人工碎冰的混合重塑样，使用德国WILLE公司所研发的大型温控三轴试验系统进行不同温度条件下冰碛土三轴剪切实验，可测试试样尺寸为Φ70×H140 mm，最大允许粒径为7 mm. 为更好反映冰碛土的力学特征，制样土样采用的最大粒径为5 mm，一方面避免粒径差异对实验结果的影响，另一方面保障室内实验最大粒径小于试样尺寸的1/10的实验要求. 对于土体中的超粒径颗粒，采用相似级配法将超颗粒粒径“同步缩放”至5 mm以下粒径. 样品中的冰颗粒来自于人工碎冰，利用铁锤击碎制冰模具冻结成型的块体冰，采用5 mm的塑料网格筛过筛控制最大粒径冰颗粒小于5 mm. 样品制备时控制冰碛土干密度为1.8 g/cm³，冰土体积比为1∶1. 试验中采用冰土混合分层击实进行制样，制样前取出烘干土样，参照干密度及制样含水率配置试验土样，搅拌均匀后放入密封袋内静置过夜. 为保证试样均一性，采用三瓣模具分10层分层击实制样，且底部三层制样密度略小于实际制样密度，上部三层制样密度略高于实际制样密度，中间四层制样密度与实际制样密度相同；每层击实至预定高度后，用取土刀将表面刮毛后填筑下一层，使试样各层良好接触. 制备完成后，将试样连同模具置于温度低于-20 ℃的冰柜中预冻24 h后用游标卡尺测量试样的实际直径和高度并记录，然后将试样套入乳胶膜内，安装至温控三轴室底座上，样品制备过程如图3所示.

2.2　试验过程

试验时将预冻试样脱模取出，用游标卡尺测量土样实际直径和高度并记录，然后将制备好的试样套入乳胶膜内，并安装至温控三轴室的底座上. 试验采用固结不排水剪切方式，按规范要求，在试样装入压力室后施加10 kPa初始围压进行固定. 然后对三轴室进行温度控制，当系统降温至设定温度并维持稳定后对试样加载围压，并以恒应变速率方式进行不排水剪切，剪切结束标准为轴向应变达到20%以上. 试验结束后，对样品的破坏形态进行记录，回收土样烘干重新测定干土质量，反算试样的实际含冰量和孔隙比.

为分析温度单因素对冰碛土强度的影响，试验时控制样品的温度和围压条件，并限制其体积含冰量（w_i=50%）和剪切速率（s=0.42 mm/min），具体试验方案见表2.

3 试验结果分析

3.1　应力‒应变曲线和破坏特征

图5a为冰碛土在50 kPa围压、不同温度条件下的不排水剪切q/σ₃⁃ε曲线. 在围压恒定情况下，温度变化对试样q/σ₃⁃ε曲线形态的影响显著；同等应变条件下，温度越低的冰碛土试样应力越大. 随着温度升高，冰碛土剪切变形从应变软化变为应变硬化；其中-20 ℃下冰碛土应变软化特征最为明显，在强度达到峰值后，曲线形态趋于平缓，强度降低速率逐渐减慢. 图5b为冰碛土在-10 ℃、不同围压条件下的不排水剪切q/σ₃⁃ε曲线. 在温度恒定情况下，低围压条件（小于400 kPa）时，围压变化对试样q/σ₃⁃ε曲线形态的影响不大，均为应变软化；但当围压达到400 kPa时，冰碛土的q/σ₃⁃ε曲线形态发生显著改变，剪切变形也转变为应变硬化.

图6为50 kPa围压、不同温度条件冰碛土的剪切破坏形态. 随着温度的升高，试样由剪切带破坏逐渐转变为鼓胀破坏，且温度越高、试样破坏时外部聚集的水分越多，这表明温度升高会引起土体内部埋藏冰发生融化，产生大量自由水. 图7为-5 ℃时不同围压条件冰碛土的剪切破坏形态. 在温度恒定条件下，不同围压组试样表现出相同的破坏形态，但随着施加围压增大，试样外部也会出现水分聚集现象，这说明围压在固结冰碛土的过程中同样也会引起埋藏冰的消融.

综上，冰碛土的应力‒应变曲线特征和破坏形态均同时受温度和围压的影响，且受温度影响更为显著. -2 ℃和-1 ℃时，冰碛土内部埋藏冰消融明显，冰体融化过程中产生的大量自由水使土体含水量增大. 低温时，土体内部埋藏冰融化较少，内部颗粒间胶结良好. 围压增大则会促使冰体消融产生的水迅速从孔隙排出，聚集在样品外部，土体进一步被压实.

3.2　强度特征

3.2.1　峰值强度

应力‒应变曲线显示，同一围压下，冰碛土的峰值强度随温度降低而增大. -2 ℃和-1 ℃下，部分轴向应变对应的偏应力接近于0，冰碛土强度极小，几乎不能承受外界荷载. 同一温度下，冰碛土的峰值强度则随围压降低而减小.

图8为不同试验条件下冰碛土峰值强度q_max及其与围压比值q_max/σ₃在温度‒围压平面上的三维变化趋势. 冰碛土的峰值强度最低值出现在-2~-1 ℃之间. 此外，峰值强度随围压的变化趋势受到温度的影响，温度越低，峰值强度随围压增大而增大的趋势越明显. 温度超过-5 ℃后，峰值强度几乎不再受围压的影响，这可能是由于土体内部埋藏冰融化导致的含水量增加以及冰体相变过程导致的体积变化严重破坏了土体结构，显著削弱了围压的固结作用.

图9为试样剪切过程中q_max和q_max/σ₃随温度和围压的变化趋势. 由图可知，q_max/σ₃和q_max均随温度升高而呈现下降趋势，且两者随温度的变化可大致分为3个阶段：温度低于-5 ℃时，土体内部埋藏冰消融较少，温度升高主要引起颗粒间接触和胶结情况；-5~-3 ℃时，土体对温度变化敏感，温度升高引起土体内部大量埋藏冰融化，改变土体结构和含水率，使强度发生急速下降；温度高于-3 ℃时，内部埋藏冰完全消融，土体含水率极高，抗剪强度极小. 而q_max/σ₃和q_max随温度的变化趋势则受到温度控制. 低温时，q_max随围压增大呈现线性增大趋势，q_max/σ₃则随围压增大呈现指数减小趋势，并最终趋于稳定；高温时，q_max/σ₃和q_max的值均较小，随围压的变化趋势也不明显.

3.2.2　模量与脆性指数

图10为冰碛土初始弹性模量K_i、峰值模量K_i^’和脆性指数I_B随温度的变化情况. 初始弹性模量和峰值模量反映了土体抵抗变形的能力；脆性指数则是Bishop于1967年提出，用峰值强度与残余强度的差值除以峰值强度来描述土体下降幅值，进而反映土体抵抗变形的能力（Poulos et al.， 1985）. 图10显示，K_i和K_i^’均随着温度的升高呈现出下降趋势，且在-3~-5 ℃温度区间内的下降速率最快，当温度高于-3 ℃，K_i和K_i^’几乎为0，模量极小. I_B则首先随着温度的升高而略微下降，当温度超过-5 ℃后，I_B又显著上升. 这说明，当温度低于-5 ℃时，冰碛土抵抗变形的能力随温度的升高而下降；当温度高于-5 ℃、低于-3 ℃时，冰碛土抵抗变形的能力随温度的升高而发生显著下降 ；而当温度高于-3 ℃，冰碛土抵抗变形的能力极弱，强度极小.

3.2.3　抗剪强度参数

选取峰值强度作为冰碛土抗剪强度，通过摩尔应力圆包络线获取不同温度条件下冰碛土抗剪强度参数c和φ. 图11为冰碛土抗剪强度指标随温度的变化趋势：冰碛土黏聚力c和内摩擦角φ随温度的升高呈下降趋势，且在不同温度区间内，强度随温度升高的变化速率不同，具有明显阶段性变化特征. Arenson and Springman（2005）采用幂函数描述体积含冰量与冰碛土抗剪强度参数间的关系，但由于试验温度组数的缺乏，没有系统性总结冰碛土在不同温度下的强度变化规律；Yamamoto and Springman（2014）在试验中拓宽了温度范围，总结出了冰碛土峰值强度和残余强度随温度的线性变化规律；Li et al. （2022）则从埋藏冰的形态出发，利用一次函数分别描述了碎冰和块体冰条件下冰碛土强度参数随温度的变化规律. 利用一次函数描述冰碛土强度参数随温度的变化趋势无法精确刻画其变化的分异性，故借鉴金属材料韧脆转变温度的相关研究（周昌玉和夏翔鸣， 2003），采用Boltzmann函数对内摩擦角/黏聚力‒温度曲线进行拟合，Boltzmann函数形式如下：

E=\frac{E_{\mathrm{1}}-E_{\mathrm{2}}}{\mathrm{1}+{\mathrm{e}}^{\left(T-T_{\mathrm{f}}\right)}/T_{\mathrm{r}}}+E_{\mathrm{2}}，(1)

式中：E为内摩擦角或黏聚力，°或kPa；T为环境温度，℃；E₁和E₂为拟合参数，°或kPa；T_f为特征温度，℃；T_r则反映了特征温度区的温度范围，℃.

由试验拟合的抗剪强度参数随温度的变化曲线如图11所示，表3为拟合出来的Boltzmann函数参数.

拟合结果显示，相关系数Adj.R为0.922和0.997，说明拟合效果很好；故在研究温度范围内可以用Boltzmann函数来反映冰碛土抗剪强度参数随温度的阶段性变化规律，冰碛土内摩擦角随温度变化的特征温度为-4.11 ℃，黏聚力随温度变化的特征温度为-4.40 ℃.

根据上述分析，基于摩尔库伦强度准则则可得到含有温度参数的冰碛土强度破坏判据：

{\tau }_{\mathrm{f}}=\frac{\mathrm{199.19}}{\mathrm{0.95}+{\mathrm{e}}^{\left(T+\mathrm{4.40}\right)}}+{\sigma }_{\mathrm{3}}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}[\frac{\mathrm{11.30}}{\mathrm{0.39}+{\mathrm{e}}^{\left(T+\mathrm{4.11}\right)}}+\mathrm{5.68}]，(2)

式中：T为环境温度，℃；σ₃为土体所受到的围压，kPa；τ_f为土体的抗剪强度，kPa.

综上，冰碛土模量、脆性指数和峰值抗剪强度等力学特性参数均与温度有密切关系. 其中低温条件下（低于-5 ℃）温度升高主要改变土体内部颗粒间的摩擦和胶结情况；高温条件下（高于-3 ℃）温度升高则主要促进内部埋藏冰消融改变土体结构与含水率. 且峰值抗剪强度、模量和抗剪强度指标均在-3~-5 ℃内随温度显著下降，说明该温度区间内的温度变化会引起冰碛土强度性质的剧烈改变. 而围压仅在低温条件下表现出对土体的固结作用，较高的围压可能会压融内部冰体（Xu et al.， 2014），从而润滑颗粒接触界面，但该效应会随着围压的增大而逐渐趋于稳定.

4 讨论

为使试样处于恒定温度条件下，测试系统会对围压液进行恒温控制，但剪切过程中依旧发现了围压液温度持续下降的现象. 在忽略外界环境温度以及仪器内部摩擦影响下，围压液的温度变化可反映试样在剪切过程中与外界的能量传递情况. 图12为50 kPa围压条件和-10 ℃温度条件下各组试样加载过程中q/σ₃和外部实测温度与试验控制温度之差∆T的变化情况. 控制温度越高，∆T变化曲线的初始斜率绝对值越大，冰碛土加载过程中与外界热交换的速率越快. -20 ℃和-10 ℃控制温度下，试样剪切初始的∆T为0，而-4 ℃时为-0.7℃，这说明-4 ℃控温时，冰碛土内部冰体不断融化，持续与外界发生热交换. 围压越大，初始∆T的绝对值越大，但3个围压组冰碛土的∆T变化曲线斜率在0~500 s内不发生改变，冰碛土初始加载过程中与外界的热交换速率不变.

图13为加载过程中围压液实测温度T^’变异系数随控制温度和围压的变化趋势. 实测温度的变异系数能够刻画围压液温度的波动情况. 变异系数n在控制温度低于-3 ℃时较为稳定，而在高于-3 ℃时随控制温度的升高迅速增大. 而当控制温度低于-3 ℃时，变异系数n则随围压的增大出现先增大后减小的变化趋势.

从围压液的温度变化情况可知冰碛土在剪切过程中存在与外界的热量传递，且该过程受到温度和围压条件的影响. 温度升高可促进冰碛土与外界热交换的速率. 温度高于-3 ℃时，冰碛土内部冰体发生大规模消融促使试样与外界持续进行大幅度的热交换. 温度低于-3 ℃时，围压的增大会促进冰碛土内部冰体发生压融，温度变化显著，数据离散性上升；但当围压超过某一阈值后，围压的增大又抑制了围压液自身的热交换过程，导致其温度不容易发生改变，数据离散性下降.

冰碛土与已有研究的冻土相比，本质区别为其土体内部冰体的赋存形式为独立的埋藏冰，而非水分在土体中冻结而成的构造冰. 对于冻土而言，马巍和王大雁（2014）认为冻土中的土颗粒通过冰体联结，在忽略未冻水的条件下，粒间接触或冰体所联结的稳定土颗粒集合共同构成冻土的土骨架（图14c）. 当外界条件改变，粒间胶结冰体发生消融，进而破坏，导致冻土土骨架结构改变，强度劣化. 而冰碛土的强度则主要来源于土颗粒及冰颗粒的粒间接触. 当外界温度上升时，土体中的埋藏冰颗粒出现消融，与冰颗粒有关的粒间接触被破坏，土体强度显著下降. 且埋藏冰消融产生的自由水会润滑、削弱其他粒间接触，进一步减弱土体承受外荷载的能力（图14a）. 当外界压力增大时，埋藏冰颗粒发生压融，压融过程产生的自由水一部分在低温条件下发生重新冻结，会加强部分颗粒的粒间接触；另一部分未重新冻结的自由水则会削弱部分颗粒的粒间接触（图14b）. 但通过试验结果可以看出，低温条件下压力增大冰体消融产生的自由水对粒间接触的削弱和再冻结对粒间接触的加强同时存在，且两者持平，故冰碛土的强度依旧随围压的增大而增大.

通过对比已有冻土室内实验结果发现，冰碛土的应力‒应变曲线特征对温度和围压的响应与冻土类似. 温度较低时，表现出显著脆性，在加载过程中容易产生裂缝；反之，温度较高时，样品则表现出塑性特征（Li et al.， 2018）. 且在加载过程中，内部冰体存在消融与再冻结过程（Deng et al.， 2020）. 高围压下，冰体粘接作用加强，抑制了样品内部裂缝的扩展（Chen et al.， 2022）. 但冻土强度温度间的线性关系相较于冰碛土更为显著，且冻土强度也要明显高于冰碛土的强度（于皓琳等， 2013）. 形态上，冻土的低温脆性破坏特征明显，样品破坏时能观察到共轭破坏带（图14c）. 而冰碛土在高温条件下埋藏冰大量消融，土体含水率极高（图14a）；样品破坏形态显著受控于温度，低温条件下，冰碛土剪切带破坏特征显著，而高温条件下则以鼓胀破坏为主；且在较高围压下试样鼓胀破坏侧面能观察到明显的竖向破坏裂缝（图14b）. 冰碛土与冻土在试验中的宏观差异说明冰碛土在温度改变时土体变化更为复杂，用现有的冻土理论难以揭示其强度劣化机理.

本文从土体强度对与气候变化密切相关的温度参数响应入手，通过不同于传统冻土研究的制样方式，探究了内部含有埋藏冰体冰碛土的强度特性，加深了冰碛土强度复杂性的认识，为后续开展气候作用下冰碛土致灾机理研究提供了宝贵数据. 引入Boltzmann函数刻画冰碛土抗剪强度参数随温度的变化规律，并基于摩尔库伦强度准则构建含有温度参数的冰碛土强度破坏判据，克服了高寒区地质灾害风险评估方法中缺乏对温度考虑的局限性，为后续高寒山区地质灾害判识和灾害起动机理及灾害防治提供理论指导.

5 结论

不同于传统冻土的室内试验研究，本文针对温度变化条件下的冰碛土强度劣化机理这一问题，通过冰碛土、冰颗粒混合制样的方式，考虑埋藏冰体对土体强度的影响，对冰碛土进行不同围压和温度条件下的温控三轴试验与分析，系统研究了温度对冰碛土抗剪强度的影响规律，得出以下主要结论：

（1）冰碛土受温度影响显著. -20 ℃时呈现应变软化和剪切带破坏特征，随着温度的升高表现出应变硬化和鼓胀破坏特征. 峰值强度、模量、脆性指数和抗剪强度指标则随温度出现阶段式变化，且在-3~-5 ℃内，各参数随温度变化速度最快. 引入Boltzmann函数刻画抗剪强度参数随温度的阶段性变化，发现土体内摩擦角和黏聚力的变化特征温度均在-4 ℃附近. 基于摩尔库伦强度准则，构建了含有温度参数的冰碛土强度模型，可用于预测冰碛土在不同温度和围压条件下的抗剪强度.

（2）剪切过程中冰碛土与外界存在热交换过程，且该过程受温度控制. 温度越高，冰碛土剪切时与外部环境的热交换越剧烈，土体内部发生消融的冰体数量越多，土体的抗剪强度越小. 与冻土相比，冰碛土的强度主要来源于土体内部的粒间接触，温度和压力变化时易导致粒间接触发生破坏，进而引起土体强度发生劣化.

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基金资助

国家自然科学基金专项项目（川藏铁路专项）(41941017)

第二次青藏高原科学考察研究(2019QZKK0906)

国家自然科学基金委员会区域创新发展联合基金(U20A20112)

国家自然科学基金青年科学基金项目(42101088)