影響土體凍脹的幾個因素

李紅衛，姜連杰，劉 偉

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江大慶163316)

土在凍結過程中水分和水分遷移是產生凍脹的直接因素，而水分遷移的強弱又與土體的本身性質有關，如土體顆粒大小、礦物成分、土體密度、滲透性等等，還與凍結條件有關、如凍結指數大、負溫變化過程等。改變其中一項主要影響因素則可取得消減或消除土體凍脹的效果。這里提出防治建筑物因地基凍脹發生破壞的措施的依據。

1 土的主要物理、化學性質對土凍脹性的影響

1.1 土的粒徑與土體凍脹性關系

土顆粒大小對土體凍脹性影響顯著，土顆粒大小反映土粒比表面積大小，土顆粒愈小比表面積愈大，與水相互作用的能量也愈高，影響水分遷移能力愈強。試驗結果表明:土的粒徑與土體凍脹性關系如下:

土顆粒粒徑d＞0.1 mm時，既使是飽和土，凍結時也不發生水分遷移，國外資料認為;在粗粒土中，當d＜0.074 mm的細粒土發生水分遷移;d=0.1－0.5 mm的純凈砂，凍結系數η=1.14－1.4%，屬于弱凍脹性土。我國蘭州冰川凍土研究所的實驗資料表明，d＜0.05 mm的粉黏粒含量＞12%的粗粒土凍結時η=1.5% ～1.8%，認為是產生水分遷移的臨界尺寸。

實驗中還發現d=0.05－0.002 mm時，土中水分遷移劇烈，土具有強凍脹性，為d＜0.002 mm時的土凍結時的水遷移現象反而減弱。當土中水分，凍結條件相同時，各類土的凍脹性大致按下列順序排列;亞砂土＞亞黏土＞黏土＞礫石土(＜0.05 mm粒徑的含量不超過12%)＞粗砂＞砂礫石。

1.2 土的礦物成分對凍脹的影響

一定大小的粒組、反映出一定的礦物成分。礦物不同，表面活化能不同、與水分子的作用能力也不同。單質黏土凍脹性依次為，高嶺土＞伊利土＞蒙托土，這些礦物與各種粒徑摻合后，其凍脹性也基本如此。此外土的級配密度、對凍脹性的影響也不可忽視。因密度大小直接影響孔隙水含量、影響土的滲透性，影響水分遷移。試驗證明，當土的密度＞1.6 g/cm3時地基土不會產生顯著凍脹。因此，采用提高土體密度的壓實措施，可以防止地基凍脹。

2 水分對土凍脹性的影響

土中水分的多少是引起土體凍脹的主要因素之一。地表土層中的水分主要來自地表水的滲入和地下水的補給兩個方面。地表水源是大氣降水及河道，灌溉和排水渠系中水的滲透補充土體中的水分;地下水是通過土壤的毛細管作用不斷補充土體中的水分。如果在土體凍結前能排出土體中水分和隔斷地下水和補給水分，即可達到防治土體凍脹的效果。

土體在凍結過程不會導致地下水遷移補給造成凍脹的最小距離，用土體凍結鋒面至地下水位間的最小垂直距離來判斷。當不同土質的凍結封面與地下水位間的最小距離超過表1的要求時，一般可以判定土體有輕微的凍脹或不凍脹。

黏 土 壤 土 砂壤土 砂 土2.0 1.8 1.0 0.5

試驗與實踐工程證明，并非所有含水的土體凍結時都會產生凍脹，只有當土中的水分超過一定界限值之后才產生凍脹。通常將這個界限含水量稱之為起始凍脹含水量。當土體凍脹系數η≤1%，對建筑物的穩定性不會產生明顯影響的含水量，稱之為安全凍脹含水量。幾種典型土的起始凍脹及安全凍脹含水量見表2。

土名含水量 黏 土 亞黏土 亞砂土 亞砂土塑限含水量W p/%起始凍脹含水量W 0/%安全凍脹含水量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 凍結條件對土凍脹性的影響

負溫度是引起凍脹的必要條件。由于土中水的多種存在形式，在不同土質中水的凍結溫度也不相同。許多研究資料都指出，對于砂或無細粒充填物的粗粒徑土，當土體溫度達到起始凍結溫度時，土中水就基本結晶成冰了，而對分散性大的細粒土卻遠非如此。試驗資料證實，在其他條件相同時，未凍水的數量是負溫度的單值函數。凍土中冰與未凍水的動平衡規律不僅與凍土的力學特性密切相關，而且在計算凍土的析冰膨脹時，也是不可缺少的重要物理指標。

不僅原駐水相變成冰時溫度對土體凍脹有影響，而溫度對引起土體強烈凍脹的水分遷移現象的影響就更加顯著了。許多試驗資料指出，如果土的凍結速率過快，水分來不及遷移，將導致凍脹率降低。如我國科學院冰川凍土研究所在不同凍結速率對凍脹量的影響試驗中發現，凍結速率緩慢，有利于水分的遷移、其凍脹量加大，但過于緩慢凍脹量將變小。

由此可見，不僅冷凍溫度梯度過小，使水分遷移變緩，而凍結速率太快，水分來不及遷移時也會影響土的凍脹性。

[1]高大釗.土力學與基礎工程[M].北京:中國建筑工業出版社，1998.