影响土体冻胀的几个因素

李红卫，姜连杰，刘 伟

(黑龙江省引嫩工程管理处，黑龙江大庆163316)

土在冻结过程中水分和水分迁移是产生冻胀的直接因素，而水分迁移的强弱又与土体的本身性质有关，如土体颗粒大小、矿物成分、土体密度、渗透性等等，还与冻结条件有关、如冻结指数大、负温变化过程等。改变其中一项主要影响因素则可取得消减或消除土体冻胀的效果。这里提出防治建筑物因地基冻胀发生破坏的措施的依据。

1 土的主要物理、化学性质对土冻胀性的影响

1.1 土的粒径与土体冻胀性关系

土颗粒大小对土体冻胀性影响显著，土颗粒大小反映土粒比表面积大小，土颗粒愈小比表面积愈大，与水相互作用的能量也愈高，影响水分迁移能力愈强。试验结果表明:土的粒径与土体冻胀性关系如下:

土颗粒粒径d＞0.1 mm时，既使是饱和土，冻结时也不发生水分迁移，国外资料认为;在粗粒土中，当d＜0.074 mm的细粒土发生水分迁移;d=0.1－0.5 mm的纯净砂，冻结系数η=1.14－1.4%，属于弱冻胀性土。我国兰州冰川冻土研究所的实验资料表明，d＜0.05 mm的粉黏粒含量＞12%的粗粒土冻结时η=1.5% ～1.8%，认为是产生水分迁移的临界尺寸。

实验中还发现d=0.05－0.002 mm时，土中水分迁移剧烈，土具有强冻胀性，为d＜0.002 mm时的土冻结时的水迁移现象反而减弱。当土中水分，冻结条件相同时，各类土的冻胀性大致按下列顺序排列;亚砂土＞亚黏土＞黏土＞砾石土(＜0.05 mm粒径的含量不超过12%)＞粗砂＞砂砾石。

1.2 土的矿物成分对冻胀的影响

一定大小的粒组、反映出一定的矿物成分。矿物不同，表面活化能不同、与水分子的作用能力也不同。单质黏土冻胀性依次为，高岭土＞伊利土＞蒙托土，这些矿物与各种粒径掺合后，其冻胀性也基本如此。此外土的级配密度、对冻胀性的影响也不可忽视。因密度大小直接影响孔隙水含量、影响土的渗透性，影响水分迁移。试验证明，当土的密度＞1.6 g/cm3时地基土不会产生显著冻胀。因此，采用提高土体密度的压实措施，可以防止地基冻胀。

2 水分对土冻胀性的影响

土中水分的多少是引起土体冻胀的主要因素之一。地表土层中的水分主要来自地表水的渗入和地下水的补给两个方面。地表水源是大气降水及河道，灌溉和排水渠系中水的渗透补充土体中的水分;地下水是通过土壤的毛细管作用不断补充土体中的水分。如果在土体冻结前能排出土体中水分和隔断地下水和补给水分，即可达到防治土体冻胀的效果。

土体在冻结过程不会导致地下水迁移补给造成冻胀的最小距离，用土体冻结锋面至地下水位间的最小垂直距离来判断。当不同土质的冻结封面与地下水位间的最小距离超过表1的要求时，一般可以判定土体有轻微的冻胀或不冻胀。

黏 土 壤 土 砂壤土 砂 土2.0 1.8 1.0 0.5

试验与实践工程证明，并非所有含水的土体冻结时都会产生冻胀，只有当土中的水分超过一定界限值之后才产生冻胀。通常将这个界限含水量称之为起始冻胀含水量。当土体冻胀系数η≤1%，对建筑物的稳定性不会产生明显影响的含水量，称之为安全冻胀含水量。几种典型土的起始冻胀及安全冻胀含水量见表2。

土名含水量 黏 土 亚黏土 亚砂土 亚砂土塑限含水量W p/%起始冻胀含水量W 0/%安全冻胀含水量W 0/%1 9.0～1 5.7 1 3.0～1 2.0 2 0.5～1 7.0 2 1.0 1 8.0 2 2.0 1 0.5 1 0.0 1 3.0 1 0.2 8.0 1 2.0

3 冻结条件对土冻胀性的影响

负温度是引起冻胀的必要条件。由于土中水的多种存在形式，在不同土质中水的冻结温度也不相同。许多研究资料都指出，对于砂或无细粒充填物的粗粒径土，当土体温度达到起始冻结温度时，土中水就基本结晶成冰了，而对分散性大的细粒土却远非如此。试验资料证实，在其他条件相同时，未冻水的数量是负温度的单值函数。冻土中冰与未冻水的动平衡规律不仅与冻土的力学特性密切相关，而且在计算冻土的析冰膨胀时，也是不可缺少的重要物理指标。

不仅原驻水相变成冰时温度对土体冻胀有影响，而温度对引起土体强烈冻胀的水分迁移现象的影响就更加显著了。许多试验资料指出，如果土的冻结速率过快，水分来不及迁移，将导致冻胀率降低。如我国科学院冰川冻土研究所在不同冻结速率对冻胀量的影响试验中发现，冻结速率缓慢，有利于水分的迁移、其冻胀量加大，但过于缓慢冻胀量将变小。

由此可见，不仅冷冻温度梯度过小，使水分迁移变缓，而冻结速率太快，水分来不及迁移时也会影响土的冻胀性。

[1]高大钊.土力学与基础工程[M].北京:中国建筑工业出版社，1998.