冻土的工程性质
丁靖康
中铁西北科学研究院
二○○一年五月
目 录
一、基本概念????????????????????????????????1 二、冻土的组成???????????????????????????????2
1.固体矿物颗粒?????????????????????????????2 2.冰??????????????????????????????????3 3.未冻水????????????????????????????????4 4.气体?????????????????????????????????6 三、冻土的结构和构造????????????????????????????6 四、冻土的物理性质?????????????????????????????8 五、冻土的热物理性质????????????????????????????10 六、冻土的力学性质?????????????????????????????11
(一)冻土的内部联系和变形特性?????????????????????12 (二)冻土的应力和应变关系???????????????????????13 (三)冻土的基本强度指标????????????????????????16 1.抗剪强度??????????????????????????????17 2.抗压强度??????????????????????????????18 3.土与基础材料间的冻结强度??????????????????????19 4.冻土地基允许承载力?????????????????????????20 5.冻土的融化压缩特性?????????????????????????20 七、土冻结时的物理力学过程?????????????????????????21 1.土冻结时的温度特征?????????????????????????21 2.冻结时土中水分重分布现象??????????????????????22 3.水分迁移??????????????????????????????23 4.冻胀和冻胀力????????????????????????????24 5.冻胀防治??????????????????????????????26
一、基本概念
含水的松散岩石和土体，温度降低到0℃以下时，伴随有冰体的产生，这是冻结状态的主要标志。由于冰的粘结作用，土体抵抗外力的强度提高了。含有冰的岩石和土体称为冻土。即使在很低的负温度下，散粒冻土中也总有未冻水与冰共存。未冻水的数量与土的温度、成分等有关。散粒土中的析冰作用使土的结构构造发生变化。
处于0℃或负温状态，但不含冰的松散岩石和土叫作“寒土”或“冷却土”。 土体热平衡为负值时，即土体丢失的热量大于获得的热量时，发生土的冻结。如果这种情况是短时的，则发生短时冻结。在一个季节中，消耗的热量大于获得的热量时，则生成季节冻土，在多年的情况下，则生成多年冻土。
人类活动对冻土温度状态的影响，不仅可导致暖季融化深度的增加，而且同样可使寒季冻结深度增大。在高含冰冻土分布地区，人类的经济活动对冻土温度状况的影响表现特别强烈。
冻土层的天然温度状态变化最大的是发生在房屋、道路等建筑物建成后的头几年。在最初的3—5年中，与新的热交换条件相应的冻土的温度状态，大多都是不稳定的。 在工程建设中，评价冻土、选择冻土作为天然地基时，冻土层的温度是重要指标。冻土层的温度状态分为稳定状态和非稳定状态。冻土层的温度状态可能在一些局部因素作用下，例如工程施工，而遭到破坏。如果引起温度状态变化的因素消除后，在当地自然条件影响下，冻土温度恢复到从前的状态，则这种温度状态叫稳定状态。如果温度不能恢复到原来状态，则叫作非稳定状态。非稳定状态通常发生在高于-1℃的高温多年冻土中。 冰对土颗粒的胶结特性是工程建筑中评价冻土的重要指标。冰的胶结强度与土的温度、成分、含水量、盐渍度等有关。按照胶结程度，自然条件下的多年冻土可分为坚硬冻土、塑性冻土和松散冻土。
坚硬冻土或低温冻土是指被冰牢固胶结在一起的冻土，它的特点是：在荷载作用下，呈脆性破坏，并且实际上是不可压缩的，其压缩系数小于0.001cm2/Kg。 坚硬冻土的温度界限大致如下： 粉 砂：-0.3℃ 粘砂土：-0.6℃ 砂粘土：-1.0℃ 粘 土：-1.5℃
塑性冻土或高温冻土是指土颗粒未被冰全部胶结而具有可压缩性的冻土。当冻土中冰和未冻水的饱和度小于0.8，且温度高于坚硬冻土的界限温度时，可遇到塑性冻土（主要指粘性土）。塑性冻土的压缩系数大于0.001cm2/Kg。
松散冻土是指含冰量很低的粗颗粒碎石土和砂土。这种冻土中冰的胶结作用只在个别团粒集合体中发生，而整个土体仍处于松散状态。
粘性土（细颗粒土）与无粘性土（粗颗粒土）的重要区别在于粘性土与水发生强烈的物理和物理化学作用。并由此产生一系列特有的性质，如粘性、塑性、膨胀和收缩、崩解
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等。
粘性是细粒土的基本特征，因此而称为粘性土。粘性是土颗粒与水相互作用而产生的一种联系，称为原始内聚力，是粘性土抵抗外荷载作用强度的主要来源之一。粘性的大小取决于土的密度和含水量（在其他条件相同时）。当土颗粒靠得很紧，含水量很低时，土中主要含强结合水，这时土表现出很大的粘性，并呈固态或半固态。随着含水量的增加，弱结合水逐渐增多，水膜增厚，土的体积亦增加，产生膨胀现象。在膨胀的过程中，由于颗粒间距离加大，颗粒间的联系主要靠弱结合水，土的粘性降低，呈塑性状态。这时土在外力作用下，可以塑成任何形状而不产生裂纹和体积变化。当外力去除后，土体仍能保持所得形状，这种性质称为塑性。当含水量继续增加，土中开始有大量自由水出现，土颗粒间被自由水隔离，粘性消失，土进入液性状态。细颗粒土所处的这种不同状态，称为土的稠度。
上述变化的过程在一定程度上是可逆的。当土中含水量减小时，颗粒周围的结合水膜变薄，土颗粒在分子和毛细管力作用下趋于靠紧，土的体积随之减小，产生收缩现象，土的粘性增加，土的稠度便从液性状态依次进入塑态和半固态、固态。
粗颗粒土，由于比表面积小，土中水的重力作用超过接触面现象的作用，所以上述现象不明显，一般察觉不出来。
土骨架是冻土多相体系的基础，土颗粒的大小和形态、矿物成分、反映土颗粒表面物理化学实质的吸附离子的交换容量和成分对土的结构构造特性、冻结时的水分迁移、冰析和冻胀等有重大影响。 二、冻土的组成
冻土是复杂的多项和多成分体系。矿物颗粒、冰、未冻水和气体是冻土的基本成分。即冻土是由固体矿物颗粒或有机矿物颗粒、粘塑性冰（胶结冰、冰夹层、冰包裹体）、未冻水（强结合水和未冻弱结合水）和气体成分（空气和蒸汽）组成的四项体系。这些基本成分决定了冻土的结构构造特性，物理力学性质和热物理性质，以及冻结和融化过程特性。 1.固体矿物颗粒
矿物颗粒的成分，大小和形状以及矿物颗粒表面的物理化学性质对冻土的物理力学性质有重要影响。土的颗粒组成对冻结时的水分迁移、析冰和冻胀影响特别大。
冻土的性质，尤其是抵抗外力的强度，不仅取决于颗粒的大小，而且取决于颗粒的形状。在外力作用下，不同形状的颗粒之间，如园的、带梭角的和扁平状的，产生的局部应力是不同的。
颗粒大小不同，冻土变形和强度特性不同。在温度和荷载作用时间等相同时： 大块碎石类土：变形小、强度大； 砂土：变形次之，强度次之； 粘性土：变形大，强度小。
在温度和应力条件等相同时，颗粒形状不同，颗粒与冰接触处的应力不同，从而未冻水的含量不同，使冻土的结构和强度发生变化。
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矿物颗粒表面的物理化学特性取决于颗粒的矿物成分和分散度。细颗粒土中的颗粒主要是由一些次生矿物，如高岭土、伊利石和蒙脱土等组成，它们的粒径都很小(0.005～0.000001毫米），而且多呈半鳞片状，因而具有胶体的特性，即表面活动性。
粘性土的矿物成分对冻土的物理力学性质及冻结过程（析冰、冻胀等）影响很大，不同矿物成分的粘性，按其冻胀性可排成如下顺序： 高岭粉土>水云母粉土>蒙脱粉土
交换阳离子的成分对细分散土的冻胀有特别大的影响。在其他条件相同的情况下，交换阳离子对析冰和冻胀的影响大小是： Fe+3>Al+3>Ca+2>K+1>Na+1
矿物颗粒的分散度可用比表面积来表示，比表面积是指冻土中所有颗粒表面积的总和。假定矿物颗粒是球形的，那么粒径为0.2～2毫米的土的比表面积约为45平方厘米，而粒径为0.0001～0.000001毫米的土为104万平方厘米，实际上最细颗粒常成薄片状，比表面积比这个值还要大。
2.冰
冰是冻土必不可少的组成部分。冰决定着冻土的结构构造特点和物理力学特性。 水结晶时，体积增大9.07%和密度减小8.31%（水的密度等于0.999968g/cm3，冰的密度为0.9168g/cm3），比热减小一倍多(水的比热是1.009， 冰的比热是0.497千卡/公斤2度)。水结晶生成六角形冰晶体。同时最强烈的冰晶增长不是沿主对称轴，而是沿着付轴发生，因此，冰晶是片状构造，具有明显的各向异性。在垂直于主光轴方向上，冰的粘塑性变形性最大；在平行于主光轴方向上，冰的流变性表现差，甚至在弹性变形后即开始脆性破坏。冰在荷载作用下，甚至在极小的应力下都会产生粘塑性变形。只是在瞬时荷载作用下，冰才具有弹性，但无实际意义（弹性极限太小）。在一定的温度和压力条件下，冰具有同素异构性。即一种型式的连续冰晶体可以变成另一种型式的冰晶体。水在0℃和正常大气压力下，生成普通冰，而在上万个大气压作用下，则生成某种变态冰，这种冰即使在正温条件下也能存在。
普通冰晶格的特点是氢原子的活动性，因此，在温度和压力作用下，冰能够变化，只是在-78℃的温度下，冰才处于稳定状态。当温度低于-70℃时，冰由六角形结晶变成立方体结晶。
在地壳中存在的所有冰，不论它的生成和埋藏形式，统称为地下冰。 按地下冰的生成过程，可将地下冰分为三类： ①构造冰 ②洞穴脉冰 ③埋藏冰
构造冰是指在土体冻结过程中生成的冰，它对冻土构造的形成具有首要作用。在某种情况下，构造冰以细小的冰体充填于土的孔隙。而在另一种情况下，则以纯冰透镜体夹层的形式埋藏于冻土中。
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