王冠鹏

（宁夏煤矿设计研究院有限责任公司 宁夏 银川 750011）

0 引言

我国多年冻土、季节性冻土的分布面积分别约占国土面积的21.5%、53.5%，两者合计约占全国面积的75%。因此，冻土首先被视为宝贵的土地资源。随着冻土区的发展，早期在冻土区修筑的各种构筑物，包括房屋、管道、渠道、公路、铁路、桥、涵、闸和人工冻结井壁等各类工程建筑物遭到严重的冻胀破坏，如路轨的冻胀隆起、交通隧道的冻胀与挂冰、房屋基础的冻胀与融沉等等，且量大面广。

1 土的分散性对冻胀的影响

土的分散性是反映土冻胀性的重要指标。随着土的分散性增大而增加了颗粒表面电分子，因而增大了土颗粒表面的薄膜水厚度，减小了水分迁移能力。粉土及粉质粘土颗粒具有较大的比表面积，冻胀性也较大。粘土具有过大的比表面积，在相邻土粒间重合水化膜作用下，大量水分仍处于水胶连结之中，导致冻结过程中水分迁移量减小，冻胀性相应减弱。

目前，人们所确认的土的粒度成分特征与冻胀性关系的界限不太一致。一般来说，粗粒土的冻胀性小于细粒土，但并不是绝对的。试验表明，在土颗粒粒径大于0.1mm的饱和粗颖粒土中，在无粉、粘颗粒充填情况下，表面能很低，表面吸附作用几乎没有，很难形成薄膜机构或毛细机构，冻结过程不存在未冻区结合水向冻结锋面迁移的可能性，故其冻胀性很小。随着土中细粒含量的增大，其冻胀性也不同程度地增大。在充分饱水条件下，颗粒粒径小于0.05rnnn的粉粘粒含量小于总重量的12%时，土体的冻胀系数为1.5%-1.8%；当含量超过50%时，土体冻胀系数便突越至8%。据统计，产生水分迁移和冻胀作用的土颗粒的临界尺寸大致为0.1-0.07rnm。

2 土的矿物成分和交换离子特性对冻胀的影响

土颗粒的矿物成分和吸附阳离子成分直接影响着土颗粒粒面的物理化学特性。矿物种类主要指蒙脱石、高岭石和水云母三种成分。这些粘土矿物对粘土冻胀性的影响，很大程度上取决于矿物表面活动性—凝结水的能力，而凝结水量决定于土颗粒本身的大小、矿物成分和有无交换性阳离子。没有坚固晶格结构的蒙脱石就具有较高的离子交换能力，所含的Na+和Ca2+离子交换能力很高，经常置换K+、Cs+、Mg2+等离子，对水性影响很大，由于其分散性较高，土中水分大部分被强烈地吸附于薄膜中，水的可移动性不大。同其他矿物相比，所结合的水量最多。对水分迁移来说，土就成了不透水的“隔离层”，阻碍水分的迁移，使毛细管的导水性能变得极弱，导致这类土的冻胀性较弱。相反，具有较坚固晶格结构的高岭土，其离子交换能力很弱，不及蒙脱土离子交换能力的10%。

3 土中水分对冻胀的影响

土的冻胀是由于土中水分冻结成冰造成的土体积膨胀，可见水分是冻胀的首要条件。但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会产生冻胀。通常此界限含水量称为起始冻胀含水量，即在稳定的负温条件下(土体温度低于-100℃)，冻胀系数为零时的土体含水量。当土体含水量小于这个界限值，即便是土中全部孔隙被冰及未冻水充满的时候，土体仍不发生冻胀位移现象。

4 土体密度对冻胀的影响

试验表明，三相或二相介质的土体密度对土冻胀性将产生不同的影响。由于工程建设的要求，有时采用人工压密方法使土体密实。这些过程都是在一定的压实功作用下使土体干重度与土体含水量保持一定的函数关系。在一定含水量条件下，减少土体密度将增大土体的孔隙，从而降低了饱和度。在小密度土体冻结时，有充分的孔隙空间任冰自由膨胀，而不致引起土颗粒间的分离位移。

此时，土体的冻胀强度甚微。随土体密度增大，自由水充填土孔隙的程度也在增大，饱和度增高，土体的冻胀性增大。当土体达到某一标准团聚条件，这时的土体密度便能保证水分迁移的薄膜机构处于最有利条件，冻胀强度也达到最大值。

5 土中温度对冻胀的影响

负温是冻胀产生的必要条件之一。土温降低引起水结晶、冰分凝、土粒自由能量增长，使冷源方向存在各种分子力，引起土体内部液态水向冻结锋面不断迁移。冻土土温愈低，土体中未冻水含量愈少，含冰量愈大。降低负温，不仅减少了土中未冻水含量，且改变了未冻水的性质，如盐分浓度增大，粘度增大，冻结温度降低。土体的冻结过程，实际上是土中温度的变化过程。而且在不同的负温下显示出不同的冻胀特性。在封闭体系中，土体水分随负温值增大而不断冻结，未冻水量减少，含冰量增加，土体体积扩张，因而土体的冻胀系数随土中温度降低而增大。

6 温度梯度对冻胀的影响

冻土的温度梯度决定着水分迁移量的大小。在有外来水源补给条件下，土体冻结锋面上的冷却温度愈高，时间愈长，外部渗入水分在冻结面上形成的冰晶体、冰夹层的厚度也就愈厚。所以说，冻土的温度梯度愈小，水分迁移量愈大:温度梯度愈大，水分迁移量愈小。

由于水分的迁移量决定了土中生成冰晶的数量或冰晶的厚度，因此这也就意味着，冻土的温度梯度愈小，冻胀量愈大；温度梯度愈大，冻胀量愈小。

7 荷载对冻胀的影响

当增加土体外部附加荷载时就会对土体冻胀产生显着的抑制作用。外荷载愈大，冻土中的未冻水含量愈大，含冰量愈小。在开敞系统中，很高的上覆荷载，当水转化成冰时，体积膨胀使冻结锋面处出现的超孔隙水压力会使来自于未冻土的水以“冻结固结”方式，被压入更深的未冻土层中，减少了水向冰晶的迁移，从而减小了冻胀。

在粘性土中，在其含水量及冻结条件相似的情况下，土体的冻胀率是随着土体外部所施加的压力增加而急剧的减小，继而冻胀率徐徐减少，最终达到冻胀率为零。饱水黄土的外部压力为0-0.15MPa，土体冻胀率急剧减少，此时，黄土的冻胀率几乎为无附加荷载时的1/9，而后的变化就比较缓慢:当外部压力为0.46MPa时，土体冻胀就终止，外来水分不再向冻结锋面迁移。

8 土中盐分对冻胀的影响

土中盐分对发生在冻结土中的许多基本过程都产生重要影响。土中盐分的多少影响土体的渗透压力、冻结温度及冻土中的未冻水含量，从而影响着冻结土体中的热量迁移和质量迁移作用，并且改变冻土中冰-水相的结合，改变着土-冰-水之间的界面状态。伴随着土冻结过程中所发生的盐分迁移作用及盐分重分布现象，影响着地下水的水质及土孔隙中水的成分，进而也影响着防冻剂的效能。

9 结束语

我国是一个岩土工程灾害多发且最为严重的国家之一。我国地域广阔，地质环境复杂，西部地区自然资源丰富，但生态环境十分脆弱，岩土工程灾害种类多，分布广，危害大，崩滑泥、地面沉降、地裂缝、特殊土质等灾害，都严重的影响着各项岩土工程的进行，威胁人民生命财产的安全，制约国民经济的发展。因而，研究岩土工程灾害的分布规律，对于总结灾害的成生规律和特点，进而认识灾害的本质，寻找减灾防灾对策，为西部大开发的战略决策和国民经济建设提供科学依据，具有重要的意义。

［1］潘懋,李铁锋.灾害地质学[M].北京大学出版社，2002.

［2］徐学祖.冻土物理学[M].科学出版社，2001.

［3］童长江，管枫年.土的冻胀与建筑物冻害防治[M].水利电力出版社，1985.