冻土抗剪强度测试

发布时间：2026-07-11 05:06:03 • 阅读量： • 来源：中析研究所

技术概述

冻土抗剪强度测试是岩土工程领域中一项至关重要的专业检测技术，主要用于评估冻结状态下土体的抗剪切能力。冻土是指温度低于0℃且含有冰的岩石或土壤，其物理力学性质与普通土体存在显著差异。在冻土地区进行工程建设时，准确测定冻土的抗剪强度参数对于工程安全性和稳定性具有决定性意义。

冻土的抗剪强度是指冻土在外力作用下抵抗剪切破坏的最大能力，是冻土力学性质中最基本的指标之一。与普通土体不同，冻土的抗剪强度受到多种因素的共同影响，包括温度、含水率、冰含量、土质类型、加载速率以及应力历史等。其中，温度是最重要的影响因素，随着温度降低，冻土中未冻水含量减少，冰胶结作用增强，抗剪强度显著提高。

从微观结构角度分析，冻土由土颗粒、冰晶体、未冻水和气体四相组成。冰晶体在土颗粒之间形成胶结结构，这是冻土具有较高抗剪强度的根本原因。当冻土受到剪切作用时，破坏面通常发生在冰胶结薄弱区域或冰晶体内。因此，冻土的抗剪强度实质上反映了冰胶结作用的强弱程度。

在实际工程应用中，冻土抗剪强度测试数据直接用于地基承载力计算、边坡稳定性分析、基础设计优化以及冻融灾害预测等方面。特别是在我国东北、西北及青藏高原等多年冻土分布区域，该测试已成为铁路、公路、管道、建筑等工程建设中不可或缺的技术环节。

值得注意的是，冻土抗剪强度具有明显的时间效应和温度敏感性。在长期荷载作用下，冻土会发生蠕变变形，抗剪强度会随时间延长而降低。同时，温度的微小波动可能导致冻土性质发生显著变化，这给测试工作提出了更高的精度要求。因此，开展冻土抗剪强度测试需要严格控制试验条件，确保测试结果的可靠性和代表性。

检测样品

冻土抗剪强度测试的样品采集与制备是保证测试结果准确性的前提条件。根据工程需求和现场条件，检测样品可分为原状冻土样品和重塑冻土样品两大类，每种类型样品的采集、运输和保存都有特定的技术要求。

原状冻土样品是指在天然状态下采集的保持原有结构和物理性质的冻土样本。采集原状冻土样品时，需要使用专用的冻土取土器，在低温环境下进行取样作业。取样位置应选择在能够代表工程场地冻土特征的典型区域，避免在冻土层分界面、融区边界或明显扰动区域取样。原状样品的尺寸应根据试验设备规格确定，常规直剪试验样品直径一般不小于61.8mm，高度不小于20mm；三轴试验样品直径通常为39.1mm或61.8mm，高度为直径的2至2.5倍。

重塑冻土样品是指在实验室内按照特定配比制备的冻土样本，主要用于研究冻土性质的变化规律或模拟特定工程条件。制备重塑样品时，首先需要将风干土样过筛，按照设计含水率配制湿土，然后分层装入模具并在低温环境中冻结。制备过程中需要严格控制干密度、含水率和冻结温度等参数，确保样品的均匀性和一致性。

样品运输过程中必须维持低温环境，防止样品发生融化或温度波动。通常采用专用的低温保温箱配合干冰或液氮进行运输，并配备温度监测设备实时监控样品状态。运输时间应尽可能缩短，避免长时间运输导致样品性质变化。

样品保存是检测工作的重要环节，保存条件直接影响测试结果的可靠性。冻土样品应在恒温冷库或低温冰柜中保存，保存温度应与样品采集现场的地温基本一致，一般控制在-1℃至-5℃范围内。保存期间应避免温度剧烈波动，定期检查样品状态，发现异常情况及时处理。

原状样品保存期限一般不超过30天
重塑样品应在制备完成后24小时内开展测试
样品应标注编号、采集深度、采集时间、地温等信息
保存容器应密封防潮，防止样品水分散失
不同工程性质的样品应分区存放，避免混淆

检测项目

冻土抗剪强度测试涵盖多个具体检测项目，每个项目都对应着不同的工程应用场景和技术要求。通过系统的检测项目设置，可以全面表征冻土的抗剪强度特性，为工程设计提供完整的参数依据。

内摩擦角是冻土抗剪强度测试的核心参数之一，反映了冻土颗粒之间的摩擦特性。冻土的内摩擦角与土颗粒形状、级配、密实度以及冰胶结程度相关。一般而言，粗颗粒冻土的内摩擦角较大，细颗粒冻土相对较小。测试时需要测定不同法向应力条件下的抗剪强度值，通过莫尔-库仑破坏准则拟合得到内摩擦角参数。

黏聚力是冻土抗剪强度的另一个重要参数，表征冻土抵抗剪切变形的内聚力。冻土的黏聚力主要来源于冰胶结作用和土颗粒间的分子引力，其中冰胶结作用占据主导地位。黏聚力的大小与温度、含水率、冻结时间等因素密切相关，温度越低，黏聚力越大。在工程计算中，黏聚力是评估冻土承载力和边坡稳定性的关键指标。

不同温度条件下的抗剪强度测试是冻土研究的重点内容。由于冻土性质对温度极其敏感，需要测定不同温度梯度下的抗剪强度参数。通常选择的测试温度包括-1℃、-2℃、-3℃、-5℃、-10℃等，具体温度点根据工程实际地温条件确定。通过建立温度-强度关系曲线，可以预测不同温度条件下的冻土力学性质。

不同含水率条件下的抗剪强度测试同样具有重要的工程意义。冻土含水率的变化直接影响未冻水含量和冰胶结程度，进而影响抗剪强度。测试时需要配制不同含水率的冻土样品，测定相应的抗剪强度参数，建立含水率-强度关系模型，为工程设计和施工提供参考依据。

瞬时抗剪强度测试
长期抗剪强度测试
蠕变强度测试
反复剪切强度测试
不同应变速率下的强度测试
冻融循环后的强度测试

长期抗剪强度和蠕变强度测试反映了冻土的时间效应特征。在长期荷载作用下，冻土中冰晶体发生塑性流动，导致抗剪强度随时间延长而逐渐降低。长期抗剪强度通常定义为冻土在长期荷载作用下不发生破坏的最大剪应力值，约为瞬时强度的40%至60%。该参数对于评估冻土工程的长期稳定性具有重要意义。

检测方法

冻土抗剪强度测试采用多种试验方法，每种方法都有其适用范围和技术特点。合理选择测试方法，对于获取准确可靠的检测数据至关重要。目前应用较为广泛的方法包括直接剪切试验、三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验等。

直接剪切试验是测定冻土抗剪强度参数的经典方法，具有操作简便、结果直观的优点。试验时将冻土样品置于上下分开的剪切盒中，施加预定的法向应力，然后对下盒施加水平剪切力，记录剪切位移和剪切应力。当剪应力达到峰值或剪切位移达到规定值时，试验结束。通过多组不同法向应力条件下的试验数据，可以绘制抗剪强度与法向应力的关系曲线，求解内摩擦角和黏聚力参数。

冻土直剪试验可分为快剪试验和固结快剪试验两种。快剪试验是在施加法向应力后立即进行剪切，适用于模拟冻土在短期荷载作用下的受力状态。固结快剪试验是在法向应力作用下先使冻土完成固结变形，然后再进行剪切，适用于评估冻土在固结后的抗剪强度。试验过程中需要严格控制温度、剪切速率和排水条件，确保试验条件的一致性。

三轴压缩试验是测定冻土抗剪强度的高级试验方法，能够模拟复杂应力路径和应力状态。试验时将圆柱形冻土样品置于压力室中，施加周围压力和轴向压力，使样品在三维应力状态下发生剪切破坏。三轴试验可以得到更完整的应力-应变关系曲线，测定不同应力路径条件下的强度参数，对于研究冻土的本构关系具有独特优势。

冻土三轴试验可分为不固结不排水试验(UU)、固结不排水试验(CU)和固结排水试验(CD)三种类型。其中，UU试验适用于测定冻土的总应力强度参数；CU试验可以同时测定总应力和有效应力强度参数；CD试验适用于测定冻土的有效应力强度参数。选择试验类型时应考虑工程实际条件和设计要求。

无侧限抗压强度试验是一种简易的抗剪强度测试方法，适用于快速评估冻土的强度特性。试验时对圆柱形冻土样品施加轴向压力，直至样品破坏。无侧限抗压强度值的一半可以作为冻土的黏聚力估计值。该方法适用于黏性冻土，对于无黏性冻土不适用。

常规直剪试验法
大型直剪试验法
常规三轴试验法
低温三轴试验法
无侧限压缩试验法
现场原位剪切试验法

现场原位剪切试验是直接在工程现场进行的测试方法，能够反映天然状态下冻土的实际强度特性。该方法适用于难以采集原状样品或需要验证室内试验结果的场合。现场试验需要专用的加载设备和量测系统，试验条件控制难度较大，但测试结果更具代表性。大型直剪试验是常用的现场测试方法，剪切盒尺寸可达数十厘米，能够包含更大的土体体积和更多的结构面。

检测仪器

冻土抗剪强度测试需要使用专门的仪器设备，这些设备在常规土工试验仪器的基础上增加了低温控制功能。高性能的检测仪器是保证测试精度和数据可靠性的技术基础。

低温直剪仪是冻土抗剪强度测试的核心设备之一，主要由剪切盒、法向加载系统、剪切加载系统、低温控制系统和数据采集系统组成。剪切盒采用耐低温材料制造，配备温度传感器实时监测试样温度。法向加载系统和剪切加载系统可采用液压或机械方式，加载精度应达到量程的1%以上。低温控制系统通常采用液氮制冷或机械制冷方式，控温范围一般覆盖-30℃至+20℃，控温精度应达到±0.1℃。

低温三轴仪是进行冻土三轴试验的专用设备，结构与常规三轴仪相似，但增加了低温压力室和温度控制系统。低温压力室采用双层结构设计，外层为绝热层，内层为耐低温压力容器。压力室内充满循环冷却介质，使试样处于恒定低温环境中。轴向加载系统应具备足够的刚度，能够实现不同应变速率的加载控制。围压系统应能够稳定施加所需的周围压力，压力波动范围应控制在±5kPa以内。

低温恒温水浴或环境箱是维持试样温度稳定的辅助设备。该设备为试样提供稳定的低温环境，确保试样在试验过程中不发生温度波动。先进的低温环境箱配备PID温度控制系统，可以实现多段程序控温，满足不同试验方案的要求。部分设备还具备快速降温功能，能够在较短时间内将试样冷却至目标温度。

温度测量仪器是监测和控制试验温度的关键设备。常用的温度测量元件包括热电偶、热电阻和半导体温度传感器等。热电偶响应速度快，适用于动态温度测量；铂电阻精度高，适用于精密温度测量；半导体传感器体积小，适用于嵌入式测量。温度测量系统的精度应达到±0.1℃，分辨力应达到0.01℃。

位移和变形测量设备用于监测试验过程中的剪切位移和试样变形。传统测量采用机械式百分表或千分表，现代设备多采用位移传感器自动采集。位移传感器的精度应达到量程的0.1%以上，分辨力应达到0.001mm。对于三轴试验，还需要轴向变形传感器和体积变化测量装置。

低温直剪仪系统
低温三轴压缩仪
低温环境控制箱
精密温度测量系统
自动数据采集系统
液压加载系统
液氮制冷装置
试样制备设备

数据采集系统是现代冻土测试仪器的标准配置，能够实现试验数据的自动记录和处理。数据采集系统通常包括信号调理模块、A/D转换模块、计算机和数据处理软件。采样频率应能够满足试验要求，对于快速加载试验，采样频率应达到10Hz以上。数据处理软件应具备实时显示、曲线绘制、参数计算和数据存储等功能，能够按照标准规范输出试验报告。

试样制备设备包括土样烘干设备、粉碎筛分设备、含水率配制设备和试样成型模具等。制备重塑冻土样品时，需要先将风干土样过2mm筛，按照设计含水率加入蒸馏水，充分拌合后在保湿容器中静置24小时以上，使水分均匀分布。然后将湿土分层装入模具，分层击实至设计干密度。制备完成后将试样连同模具放入低温环境冻结，冻结时间根据试样尺寸和冻结温度确定，一般不少于24小时。

应用领域

冻土抗剪强度测试的应用领域十分广泛，涵盖了寒区工程建设的各个方面。随着我国对西部和北部地区的开发力度不断加大，冻土力学参数在工程建设中的重要性日益凸显。准确可靠的抗剪强度测试数据为工程设计和施工提供了科学依据。

在道路工程领域，冻土抗剪强度测试主要用于路基稳定性分析和路面结构设计。多年冻土地区的公路和铁路建设面临着冻胀和融沉的双重威胁。路基边坡的稳定性直接依赖于冻土的抗剪强度参数，特别是在季节融化层活动期间，冻土强度降低可能导致边坡失稳。通过测试不同季节、不同深度的冻土抗剪强度，可以评估路基边坡的稳定性，优化边坡设计参数。此外，路面结构层的抗剪强度也是影响道路使用性能的重要因素，需要进行专门的测试分析。

在建筑工程领域，冻土抗剪强度测试是基础设计的重要依据。冻土地区的建筑物基础通常采用桩基础或浅基础形式，基础的承载力和沉降特性与冻土的抗剪强度密切相关。对于采用冻土作为持力层的浅基础，需要评估冻土地基的长期强度特性，考虑温度变化和蠕变效应的影响。对于桩基础，需要分析桩侧冻土的摩阻力特性，确定单桩承载力。在高纬度和高海拔地区，建筑物基础的冻拔稳定性也是需要考虑的重要问题，冻土的抗剪强度参数是冻拔稳定性计算的关键输入参数。

在水利工程领域，冻土抗剪强度测试应用于堤坝、渠道和输水管道等工程。冻土地区的土石坝需要考虑坝体和坝基冻土的抗剪强度变化，评估坝坡在不同运行条件下的稳定性。引水渠道沿线可能穿越不同类型的冻土地段，渠道边坡的稳定性需要依据冻土抗剪强度参数进行分析。输油输气管道在冻土地区敷设时，管道基础的稳定性同样需要冻土力学参数的支持。

在矿山工程领域，冻土抗剪强度测试对于露天矿边坡和井下巷道设计具有重要意义。位于寒区的露天矿边坡可能穿越冻土层，冻土的抗剪强度参数直接影响边坡角度和边坡稳定性的确定。井下巷道穿越冻结段时，围岩的冻土强度特性影响支护设计参数。通过系统的抗剪强度测试，可以为矿山设计和安全生产提供技术保障。

公路铁路路基工程
桥梁隧道工程
工业与民用建筑工程
输油输气管道工程
水利水电工程
露天矿山边坡工程
地下工程与隧道工程
寒区地质灾害防治

在地质灾害防治领域，冻土抗剪强度测试用于评估冻融滑坡、融冻泥流等地质灾害的风险。季节性冻土在冻融循环作用下，抗剪强度会发生周期性变化，可能导致斜坡失稳。多年冻土退化地区的热融滑塌灾害也与冻土强度降低密切相关。通过建立冻土抗剪强度与温度、含水率、时间等因素的关系模型，可以预测不同气候条件下地质灾害的发展趋势，为灾害防治提供科学依据。

在科学研究和教学领域，冻土抗剪强度测试是冻土力学研究的基础手段。科研院所和高等院校通过系统的试验研究，揭示冻土的力学性质和变形破坏机理，建立冻土本构模型和强度准则。这些研究成果为工程设计和规范编制提供了理论基础，推动了冻土工程技术的进步。

常见问题

冻土抗剪强度测试中存在许多常见问题，了解这些问题的原因和解决方法，有助于提高测试效率和数据质量。以下汇总了测试过程中经常遇到的技术问题及其处理方法。

温度控制是冻土测试的首要问题。试验过程中温度波动会导致测试结果离散性增大。解决这一问题需要从多个方面入手：首先，确保低温设备的制冷能力充足，能够稳定维持目标温度；其次，在试样周围设置温度监测点，实时监控温度变化；再次，试验操作应迅速准确，尽量减少环境温度对试样的影响；最后，数据处理时应剔除温度异常时段的数据。

试样冻结不充分是影响测试结果的重要原因。冻土试样的冻结时间和冻结温度应根据试样尺寸和含水率合理确定。冻结不充分会导致试样内部存在未冻区域，抗剪强度测试结果偏低。判断试样是否冻结充分，可以通过温度监测或简易触探试验。对于大尺寸试样，需要延长冻结时间或降低冻结温度，确保试样整体冻结均匀。

边界效应是直剪试验中需要关注的问题。剪切盒边缘的约束作用会影响试样内部的应力分布，导致测试结果偏离真实值。减小边界效应的措施包括：采用较大尺寸的剪切盒；在剪切盒内壁涂刷润滑剂；合理设置剪切缝隙高度；控制剪切位移在合理范围内等。三轴试验的边界效应相对较小，更适合精密测试。

破坏标准的选择直接影响强度参数的取值。冻土剪切破坏过程通常经历弹性变形、塑性变形和破坏三个阶段，应力-应变曲线可能呈现峰值型或稳定型两种形态。对于峰值型曲线，可取峰值应力作为破坏强度；对于稳定型曲线，需要按规定的应变标准确定破坏强度。破坏标准的选择应与工程设计要求相一致，并在试验报告中明确说明。