浅谈季节冻土区冻土冻胀原理

浅谈季节冻土区冻土冻胀原理摘要季节冻土区冻土冻胀造成工程破坏，影响工程正常使用。我们只有熟悉和了解冻土成分、结构、物理性质、土体的冻胀、冻胀的影响因素，才能结合实际情况采取相应的工程措施，使土体的冻胀破坏对工程影响最小。关键词冻土区构造冻胀原理随着我国经济建设的发展，在冻土地区各项工程建设也在大规模进行。冻土作为建筑物的地基有着不同于融土的很多特性，如果不能正确认识它、了解它的性能，仍按常规融土地基设计理论与方法进行各项工程设计和施工，势必造成工程破坏，影响工程正常使用。了解冻土的目的在于了解其成分、结构、性质和状态；从而了解其冻胀现象、规律以及工程因素对其的影响，从而更好的认识、掌握在冻土区进行工程建设的理论与方法。一、冻土凡是温度等于或低于0℃以下，并含有冰胶结层的土为冻土。土的冻胀和融沉对建筑物的危害，均是由于图中水相变所致。土体冻结时，不仅其温度处于0℃以下，更重要的特征是其中有冰的存在，它使得原来松散的介质，表现出固体的性质，其物理-力学性质有很大改变，例如抗压强度增大、压缩性减小等，而融化时，由于抗减强度的下降，造成工程的破坏或失事。1.冻土的基本成分。冻土由固体部分、液体部分和气体部分组成。固体部分由土的骨架和负温矿物组成。冻土的骨架一般是矿物和极少数的有机沉淀物；负温矿物包括水、冰盐合晶和负温下结晶水化物，其中冰的形成和特征以及与冻土骨架相对数量和空间排列，对冻土性质影响极大。液体部分是未冻水。这种水是各种可溶物质的自然水，它在冻土中被吸附在土颗粒表面，作为吸附水存在。气体部分有水蒸气、空气、沼气以及其他气体。处在自由状态和吸附式密封状态。自由气体的数量取决于土的孔隙度，吸附气体的数量与冻土骨架的数量、成分和孔隙有关，并与冻土有机含量相关。2.冻土的结构。冻土的结构是指微观上的矿物质点及其聚合物、冰晶的形状和大小以及冰胶结的形式。3.冻土的构造。根据冻结强度、边界条件、土体从单向冻结还是从多向冻结、有无地下水源补给条件等，决定着在冻结过程中冻土中冰晶体的形状、大小及与矿物颗粒间的相对排列方式，从而形成不同的冻土构造。在天然地层中经常遇到的情况，冻土的构造有整体状构造、层状构造、网状构造及冰包裹状构造。4.冻土的物理性质。（1）含水率。冻土中所含的冰的质量和未冻水质量之和与土骨架质量之比。冻土中的水分是最活跃的因素，它沿着深度的分布和随季节的变化而不断变化。其变化规律与冻土的物理-力学性质有着密切关系。含水率大的土，一般冻胀性较大，对建筑的危害也较大。（2）含冰量。冻土中所含各类型冰的总和。（3）未冻水量。冻土中的液态水称为未冻水，分为冰点下降了的水和过冷状态的水两类。未冻水使土颗粒被冰胶结的强度下降，冻土的强度降低，对冻土的性质影响极大。（4）冻土的质量密度。冻土的质量密度是冻土的基本物理指标之一，它是冻土地区建筑物设计中，计算冻融深度、冻胀、融沉、保温层厚度以及检验地基强度等方面不可缺少的重要指标。土冻结后，由于土中水相变成冰体积膨胀，致使整个土体的体积较之冻前增大，冻结状态的土的质量密度较之冻前为小。二、土体的冻胀土体的冻胀主要是土中含有水分，当土体冻结时，将有部分水相变成冰，而相变成冰的体积比原来水分的体积增大9%。当土中有足够的水量变成冰，其体积增大足以引起土颗粒的相对位移时，就会造成地表的隆起。引起土体冻胀的原因主要有以下几点：1.土中水对冻胀的影响。土体中含有足够的水分，其含水率必须超过某一界限含水率，不同的土类其起始冻胀含水率会有所差别，一般细颗粒土的起始冻胀含水率大些，粗颗粒的小些。2.负气温总量和冻结速度对冻胀的影响。负气温总量和冻结速率是引起土体冻胀的外因。对于相同或近似的地质条件，负气温总量大的地区，其冻胀量就大。3.土的分散度对冻胀的影响。土颗粒的大小也即是土的分散度对冻胀的影响是在土中含水率饱和以及无地下水补给的情况显示出来的。三、影响土体冻胀的因素土在冻结过程中发生水分迁移，是引起土体冻胀的主要原因，原驻水产生冻胀，除了在饱水情况外，一般含水率的情况下，冻胀都是不大的。为此土体冻胀的强弱应取决于土颗粒直径、矿物成分、土的密度、土中含水率及补给条件、冻结强度、外荷载作用以及较缓盐基等因素。参考文献[1]SL23-2006..渠系工程抗冻胀设计规范[S].[2]曲详民，张滨.季节冻土区水工建筑物抗冻技术.中国水利水电出版社，2008.