浅谈季节冻土区冻土冻胀原理
张鑫鹏—冻土地区冻胀的原因分析及解决措施.doc
冻土地区冻胀的原因分析及解决措施土建室张鑫鹏2019-10-161 成因分析 (1)1.1 水结冰后膨胀 (1)1.2 毛细现象和冰晶体的形成 (1)2 影响冻胀的因素 (3)2.1 土质对冻胀的影响 (3)2.2 土中水分对冻胀的影响 (3)2.3 温度对冻胀的影响 (4)3 冻胀的破坏影响 (4)4 应对的解决措施 (5)4.1 置换法 (6)4.2 隔温法 (7)4.3 隔水法 (8)4.4 稳定土处理法 (8)5 结束语 (9)参考文献 (9)冻土地区冻胀的原因分析及解决措施张鑫鹏摘要：冻土地区路基的病害及其相应的防治措施一直是困扰工程的难题。
如冻胀、融沉等。
**处于北方严寒地区，在道路铺设，和基础设置等方面，受到冻胀的影响很大，往往为了解决冻胀问题花费更大精力和投资，并且存在特殊地质条件和投资控制等因素影响，有些项目无法完全避免冻胀的产生和影响，处理不当会给日后使用带来很大影响，根据冻胀原理和多年的经验教训，本文着重分析冻胀的起因和处理措施等，希望能为今后设计和施工带来更多帮助和解决思路。
关键词：冻土地区；冻胀；成因；解决措施1成因分析1.1水结冰后膨胀我们知道，水在摄氏零度结冰，体积比原体积大十分之一，水结冰的过程中体积增大，产生占位空间，挤动了其它物体，作用在其它物体上的力就是冻胀力。
这种单独的原位冻胀造成破坏力相对较小。
1.2毛细现象和冰晶体的形成土体的冻胀分为原位冻胀和分凝冻胀两种。
而对工程中破坏巨大的是由于外界水分迁移补给形成的分凝冻胀，是由毛细现象和冰晶体共同作用形成的。
毛细现象是指土中水在表面张力作用下，沿着孔隙向上及其他方向移动的现象。
在形成毛细通道时就构成毛细水的上升。
当冰冻季节冻结时，土中水分向冻结区迁移并积聚，土颗粒孔隙中的自由水在0℃以下时，自由水首先冻结成冰晶体。
随着**温的继续下降，周围未冻结区土中的水分会向表层冻结冰晶体迁移积聚，使冻结区土层中水分逐渐增大，冻结后的冰晶体也不断增大，只要冻结区周围还存在着水源，并且还存在适当的水源补给通道即毛细通道，能够源源不断地补充给冰冻体所需的水分，在这一不平衡的引力不间断地作用下，未冰冻区的水分不断地向冰冻区迁移积聚，使冰晶体不断扩大，在土层中形成冰夹层，土层在冰夹层作用下体积会发生膨胀，也就是冻胀。
土的冻胀原理
土的冻胀原理土的冻胀是指土壤在受到冻结作用后，由于水的结冰膨胀而引起的土体体积变化现象。
这种现象在寒冷地区尤为常见，对建筑物、道路和其他基础设施都有着重要的影响。
土的冻胀原理是一个复杂的过程，涉及到土壤的物理特性和水的结冰膨胀特性。
首先，土壤中的水分是土的冻胀过程中的关键因素。
当土壤中的水分遇到低温时，水分会逐渐结冰，形成冰晶。
由于水的密度在冰的状态下比在液态状态下要大，因此当水分结冰时，会引起土体体积的膨胀。
这种体积膨胀会导致土壤颗粒之间的间隙变大，从而使土壤整体体积增大。
其次，土壤的孔隙结构也对冻胀起着重要作用。
土壤中存在着不同大小的孔隙，这些孔隙可以容纳水分。
当水分在孔隙中结冰时，由于冰晶的形成，会使孔隙的大小发生变化，从而引起土体的体积变化。
特别是在多孔隙结构的土壤中，冻胀效应会更加显著。
另外，土壤的含水量也会影响土的冻胀效应。
含水量越高的土壤，其在受到冻结作用后的冻胀效应也会越明显。
这是因为水分的结冰膨胀对土壤体积的影响是与土壤中水分的含量成正比的。
此外，土壤的颗粒结构和颗粒间的粘结力也会对土的冻胀效应产生影响。
颗粒结构松散的土壤，其在受到冻结作用后的冻胀效应会更加显著。
而颗粒间粘结力较大的土壤，其冻胀效应相对较小。
总的来说，土的冻胀是一个由多种因素共同作用而产生的现象。
在实际工程中，我们需要充分了解土的冻胀原理，合理设计和施工，以减小土的冻胀对工程结构的影响。
同时，科学合理地利用土的冻胀效应，也可以为某些工程提供一定的帮助，如土壤改良、地基加固等方面。
综上所述，土的冻胀是一个复杂的物理现象，其影响因素多种多样。
只有充分了解土的冻胀原理，才能更好地应对其对工程结构的影响，从而保障工程的安全和可靠性。
季节性冻土的冻胀力及水工建筑物防冻害措施
季节性冻土的冻胀力及水工建筑物防冻害措施作者：付洪光喻松柏来源：《农民致富之友》2010年第20期一、冻胀力的形成：影响土的冻胀因素很多，主要是水、土、温、压因素。
其中水、土是主要因素。
土的冻胀是由于土体中含水量超过起始冻胀含水量，在负温下孔隙水部分冻结，对土骨架将产生挤压力。
如果未冻水没有向外排泄条件，土开始冻胀。
但如果能将其余未冻水挤走，以上体积增量将由孔隙中剩余空间所容纳，土体也不会产生冻胀。
如果冻胀过程中有外水补给发生了强烈的水分迁移，生成大量的冰夹层，将产生强烈的冻胀。
经观测：冰夹层的厚度大致等于冻胀量。
沿冻深分步的冰夹层基本上代表了冻胀量沿冻深的分步情况。
上层土的冻夹层厚而稀，而下层土的冰夹层薄而密。
土壤粒径、级配及温度变化，外水补给，外荷载的大小等都直接影响冻胀的程度。
当土粒的粒径为0.05～０.002mm之间，土中水分迁移剧烈，土的冻胀量比较大，这种土的吸引水分能力强。
土体中水分的迁移是靠结晶力、吸附力、毛细力、温度差和表面能差产生薄膜水移动，其中冰结晶力、毛细力和表面能差是水分迁移的主要动力。
土体冻结时，冻结面附着土颗粒的水膜被冰晶体吸薄，为了维持颗粒表面能的平衡，其他土颗粒的水膜向较薄的颗粒表面移动，为达能量的平衡，不断的移动，不断的冻结，放出潜热结晶成冰。
季节性冻土地区经过多次冻融循环，土的孔隙比是比较大的，冻结期土经过不均匀的冻胀，冻结面是一个凹凸不平的曲面，在冻层由于冻胀而上抬的过程中凹面处形成孔缝，造成负压区，迁移的水聚集到此而结晶成冰夹层。
这种冰夹层体积膨胀9％，产生了内压力，这种对基础挤压和抬起的能力称之谓冻胀力。
1、封闭式和开敞式冻胀的区别：（1）封闭式冻胀：在没有外水补给的条件下，土体中原驻水引起的冻胀为封闭式冻胀，当土体中原驻水小于起始冻胀含水量(粘土W0=13.0)冻结时不但没有冻胀，反而产生冻缩。
表现地面出现下降，体积缩小。
当土体中原驻水大于起始冻胀含水量W0时，在没有外水补给的条件下，虽然产生冻胀，但冻胀量不大。
季节性冻土路基的冻胀机理及其防治措施
力学 观点 ， 建立 冻胀 土体 的“ 模 型单元 ” ［ ５ ］ ， 按 照是 否
被 冻结 以及是 否具有 稳定 温度 场及水 分场 把季节 性
冻 土划 分为冻 结 区和 未 冻 区 ， 同 时按 照 水分 迁 移 的
活跃 程度 把冻 结 区划 分 为 已冻 土 和冻 结 缘 ， 已冻 土
及 土 中孔 隙被 填充 等 微 观活 动 ， 同时 也 存在 复 杂 的 物 理化学 过程 ， 直 到另一个 平衡 态 的建立 ， 冻胀便 减
弱 至停止 ， 如果 外部 环境 再次发 生变 化 ， 冻 胀便继续
进行 ， 周 而复始 。 为 了详 尽 地表 述 冻胀 的微 观过 程 ， 现 借鉴 冻 土
作者简介 ： 江涛 （ １ ９ ８ ５ 一） ， 男， 助理工程师 ， 毕业 于浙 江 大 学 岩 土 工 程 专 业 ， 工学 币 士 ， 研 究 方 向 为 铁 路 路基 设 计 。
江 涛
（ 中铁 第 一 勘 察 设 计 院 集 团有 限公 司 ， 西 安 ７ １ ０ ０ 土 地 区修 建 高 铁 时 ， 往 往 面 临 路 基冻 胀 问 题 ， 现 针 对 我 国 在 季 节 性 冻 土 地 区 高 铁设 计 中 存
在 的冻 胀 问 题 ， 梳 理 了季 节 性 冻 土路 基冻 胀机 理 ， 分析 了影响路 基冻胀 的主要 因素 ， 在 此基础上 ， 对 季 节 性 冻 土 路
第一 条 高寒地 区高 速铁路 哈大 高铁 的设 计 和建设 为 例， 在缺 乏其他 国家类似 建设经 验 的情 况下 ， 研究 人 员对 路基 结构 、 填料 、 防排 水措施 等 环节进行 了较 为
深入 的研 究 ， 总结 了一 套 较 为 全 面 的季 节性 冻 土 治 理措 施 ， 推动 了我 国在 相关 领 域 的研 究 深 度 。哈 大
季冻区道路冻胀、融沉机理分析及防治现状
季冻区道路冻胀、融沉机理分析及防治现状摘要：对东北地区季节性冻土的冻胀、融沉机理进行深入分析，通过毛细理论、水分迁移理论得出冻胀、融沉过程的影响因素，得出季冻区冻胀融沉的主要影响因素是土质、含水量以及温度，并据此提出具体的防治措施，为相关研究提供借鉴经验。
关键词：季节性冻土；冻胀；融沉；防治0 前言中国是受冻胀危害比较严重的国家之一，主要分布在大兴安岭、小兴安岭等东北地区以及青藏高原等西部高山区域，季节性冻土面积占我国国土总面积的53.5%[1]，位于季节性冻土地区的公路面临着冬季冻胀、春季回暖融沉的问题，这是导致寒冷地区各种道路病害的主要原因[2]。
因此，针对冻土地区的冻胀、融沉过程的深入研究分析逐渐受到更多的重视且势在必行。
1 冻胀和融沉机理分析1.1 冻胀季冻区道路冻胀，主要指的是路基土体的冻胀。
由于大气负温的作用，土体中的水分冻结成冰，土体发生水分迁移，路基土随着温度降低的方向形成冰晶体，导致土体的体积增大膨胀[3]。
由于路基土体中的含水量和密实度在不同季节、不同气候条件下发生的不均匀改变，加之道路周边复杂的地理环境的相互影响，直接导致路基土的冻胀变形的不均匀性[4]。
因此，路面在受到不均匀的冻胀力的影响下，内部发生拉应力效应。
1.2 融沉春季气温上升，土中冰晶体融化之后，土颗粒之间的胶结程度降低，摩擦力减小[5]。
在其自重应力的作用下，土颗粒之间的空隙逐渐被压缩，土体的体积减小。
路基开始融化，导致路面下地基土较两侧的路肩土的融化速度快，造成路基的凹形冻土核残留，土层上部已经融化的水分在融化区域内无法排出，进而造成翻浆。
2 冻胀和融沉影响因素分析2.1 冻胀影响因素季冻区路面易出现冬季低温冻胀、春季回暖融沉的问题，给道路造成不同程度的破坏，包括鼓包、开裂、路基不均匀沉降等。
而道路冻胀主要受到路基的影响，由于各路基土体的土质、压实度、含水量的不同，导致路面受到不均匀冻胀力的作用影响[6]。
季节性冻土路基冻胀影响因素分析及其防治措施
季节性冻土路基冻胀影响因素分析及其防治措施摘要：路基冻胀是我国北方地区公路路基特有的破坏现象。
通过对土的冻胀机理及影响冻胀主要因素的研究，提出了防治路基冻胀的处置措施。
关键词：季节性冻土冻胀影响因素防治措施季节性冻土指地表冬季冻结而在夏季又全部融化的土。
我国北方地区温普遍较低,季节性冻土分布广泛。
路基冻胀是我国北方地区公路路基特有的破坏现象，也是该地区公路主要病害之一。
因此，了解冻胀的机理和影响因素，并寻找防治的途径是十分必要的。
由于冻胀问题比较复杂，涉及因素多，所以必须从理论上去认识和了解冰冻作用的物理力学性质，掌握和发现冰冻作用过程的规律，进而找出防治冻胀措施。
1路基土冻胀的形成机理土是由固体颗粒、液体水和气体组成的三相体。
固体土粒是土的最主要的物质成分，由无数大小不等、形状不同的矿物颗粒按照各种不同的排列方式组合在一起，构成土的骨架主体，称为“土粒”。
在土颗粒之间的空隙中，通常有液体的水溶液和气体（主要为空气）充填。
土在冻结过程中，不仅是土层中原有的水分的冻结，还有未冻结土层中水向冻结土层迁移而冻结。
所以，土的冻胀不仅仅是水结冰时体积增加的结果，更主要是水分在冻结过程中由下向上部迁移聚集再冻结的结果。
重力水和毛细水在0℃或稍低于0℃时就冻结，冻结后不再迁移；而结合水以薄膜形式存在于土粒表面，由于吸附的关系，结合水外层一般要到-1℃左右才冻结，内层甚至在-10℃也不会完全冻结。
所以当气温稍低于0℃时，重力水和毛细水都先后冻结，而结合水仍不冻结，依然从水膜厚处向薄处移动。
当含盐浓度不同时，结合水由浓度低处向高处移动，水分移动虽然缓慢，数量也不大，但是如有不断补给来源，一定时间的移动水量还是很可观的。
水的补给来源主要通过土的毛细作用，由于结合水向上移动，在温度合适时它也被冻结，这就造成冻结后的水分比冻结前的水分大量聚集。
这些水分冻结后就会形成严重的冻胀。
2路基冻胀的影响因素2.1土质对冻胀的影响土的冻胀主要是由于水分的迁移导致的水分大量积聚而引起的。
青海地区季节性冻土冻胀机理
其 中， 田为冻胀率 ， ％； Ｗ为冻 土层 内冻前平 均含水 量 ， ％；
％； ｎ为系数 。 失， 冰的压力快速下降到约束压 力的水平 ， 孔 隙正应力在数值 上等 为起始冻胀含水量 ， 式（ ４ ） 中系数 ０的选取不一 ， 有０ ． ３ ， ０ ． ６ ７ ， ０ ． ８等不 同的选择 于水压力 Ｐ 和冰压力 Ｐ 的加权平均值 ， 上述理论可用式（ １ ） 表示 ：
２ 冻胀 的影 响 因素
２ ． １ 含水 量
很 多相关 资料表明 ， 超 出起始冻胀 含水量 的水分影 响冻胀 的
表示 ：
注： 不是土 中所有水 分） 。冻胀 与含水 量的关 系可用 式 （ ４ ） 土体 内多孔基 质的几何 作用 ， 故有 冰透镜体 出现 。具体 该镜 体是 发生 （ 当ｏ ｒ ＞ｐ ｏ时， 为约束压力 。 土骨架被挤开 ， 冰透镜 体形成 。原 来孔隙 中水 的负压迅 速消
０ 引 言
位于青海省橡皮 山一 带的 冻土是 研究 高海拔 季节 性冻 土 工 上表面是镜体锋 面和 冰冻锋 面 。路基 内发 生冻胀 作用 的位 置正 土体被 抽吸 力梯度 作用 后 ， 冻 结边 缘 区没有 程 的理想试验场地 。橡皮 山黑 马河观 测站 是青 海省交 通科 学研 是冻结边缘 区以 内， 随之被冻结。 究所 的一个 观测站 ， 主要监测 内容是冻 土地温 、 路基变 形 、 活动层 冻结的水膜慢慢聚集到镜体附近 ，
Ｐ ＝ ＋２ …／ ｒ （ ３ ）
冻胀系数 ＜ ｌ
１＜∞≤３ ． ５
冻胀土 强冻胀土
３ ． ５ ＜ ＂ ≤６ ６ ｒ ／ ￣ ＜１ ５
其 中， Ｐ 为冰透镜 体底部稳定的冻胀压力 ； 为孔 隙水压力 ； ２ ． ２
土的冻胀原理
土的冻胀原理土的冻胀是指土壤在冻结和融化过程中因含水量的变化而引起的体积变化现象。
在寒冷地区，土壤的冻胀现象对建筑物和基础设施造成了严重的影响，因此了解土的冻胀原理对工程建设具有重要意义。
土的冻胀原理可以从土壤的物理性质和水的冻结特性两个方面来进行解释。
首先，土壤的物理性质对冻胀起着重要作用。
土壤是由颗粒、孔隙和水分组成的多孔介质，其中水分的存在对土壤的冻胀起着至关重要的作用。
当土壤中的水分被冻结成冰时，其体积会发生膨胀，这是由于冰的密度比水小，因此在冻结过程中水分会占据更大的体积。
而土壤颗粒之间的孔隙空间则会被冻结的水填满，导致土壤整体的体积增大。
这种体积变化会导致土壤产生应力，从而引起土体的变形和破坏。
其次，水的冻结特性也是土的冻胀原理的重要组成部分。
水的密度在冰的温度下会发生变化，当水温降至0摄氏度以下时，水的密度会逐渐减小，直到冻结成冰。
在冰的温度下，水的密度变小，因此冰的体积比水大。
这也是为什么在冰箱中冻结的水会导致水瓶破裂的原因。
同样地，土壤中的水分在冻结成冰后也会导致土壤体积的增大，从而引起土的冻胀现象。
除了土壤的物理性质和水的冻结特性外，气温的变化也是引起土的冻胀的重要因素。
在寒冷地区，气温的周期性变化会导致土壤中的水分在冻结和融化之间发生循环变化，从而引起土的冻胀和融化。
尤其是在春季气温回升时，土壤中的冰开始融化，释放出大量的水分，这会导致土壤的体积急剧减小，从而引起土体的松动和沉降。
综上所述，土的冻胀是由土壤的物理性质、水的冻结特性和气温的变化共同作用所引起的。
了解土的冻胀原理有助于工程建设中对土壤的合理处理和基础设施的设计，从而减少土的冻胀对建筑物和基础设施所造成的损害。
因此，在工程建设中需要充分考虑土的冻胀原理，并采取相应的措施来减少土的冻胀对工程建设的影响。
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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.。