西北寒區巖土工程土體凍脹災害影響因素分析

王冠鵬

（寧夏煤礦設計研究院有限責任公司 寧夏 銀川 750011）

0 引言

我國多年凍土、季節性凍土的分布面積分別約占國土面積的21.5%、53.5%，兩者合計約占全國面積的75%。因此，凍土首先被視為寶貴的土地資源。隨著凍土區的發展，早期在凍土區修筑的各種構筑物，包括房屋、管道、渠道、公路、鐵路、橋、涵、閘和人工凍結井壁等各類工程建筑物遭到嚴重的凍脹破壞，如路軌的凍脹隆起、交通隧道的凍脹與掛冰、房屋基礎的凍脹與融沉等等，且量大面廣。

1 土的分散性對凍脹的影響

土的分散性是反映土凍脹性的重要指標。隨著土的分散性增大而增加了顆粒表面電分子，因而增大了土顆粒表面的薄膜水厚度，減小了水分遷移能力。粉土及粉質粘土顆粒具有較大的比表面積，凍脹性也較大。粘土具有過大的比表面積，在相鄰土粒間重合水化膜作用下，大量水分仍處于水膠連結之中，導致凍結過程中水分遷移量減小，凍脹性相應減弱。

目前，人們所確認的土的粒度成分特征與凍脹性關系的界限不太一致。一般來說，粗粒土的凍脹性小于細粒土，但并不是絕對的。試驗表明，在土顆粒粒徑大于0.1mm的飽和粗穎粒土中，在無粉、粘顆粒充填情況下，表面能很低，表面吸附作用幾乎沒有，很難形成薄膜機構或毛細機構，凍結過程不存在未凍區結合水向凍結鋒面遷移的可能性，故其凍脹性很小。隨著土中細粒含量的增大，其凍脹性也不同程度地增大。在充分飽水條件下，顆粒粒徑小于0.05rnnn的粉粘粒含量小于總重量的12%時，土體的凍脹系數為1.5%-1.8%；當含量超過50%時，土體凍脹系數便突越至8%。據統計，產生水分遷移和凍脹作用的土顆粒的臨界尺寸大致為0.1-0.07rnm。

2 土的礦物成分和交換離子特性對凍脹的影響

土顆粒的礦物成分和吸附陽離子成分直接影響著土顆粒粒面的物理化學特性。礦物種類主要指蒙脫石、高嶺石和水云母三種成分。這些粘土礦物對粘土凍脹性的影響，很大程度上取決于礦物表面活動性—凝結水的能力，而凝結水量決定于土顆粒本身的大小、礦物成分和有無交換性陽離子。沒有堅固晶格結構的蒙脫石就具有較高的離子交換能力，所含的Na+和Ca2+離子交換能力很高，經常置換K+、Cs+、Mg2+等離子，對水性影響很大，由于其分散性較高，土中水分大部分被強烈地吸附于薄膜中，水的可移動性不大。同其他礦物相比，所結合的水量最多。對水分遷移來說，土就成了不透水的“隔離層”，阻礙水分的遷移，使毛細管的導水性能變得極弱，導致這類土的凍脹性較弱。相反，具有較堅固晶格結構的高嶺土，其離子交換能力很弱，不及蒙脫土離子交換能力的10%。

3 土中水分對凍脹的影響

土的凍脹是由于土中水分凍結成冰造成的土體積膨脹，可見水分是凍脹的首要條件。但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會產生凍脹。通常此界限含水量稱為起始凍脹含水量，即在穩定的負溫條件下(土體溫度低于-100℃)，凍脹系數為零時的土體含水量。當土體含水量小于這個界限值，即便是土中全部孔隙被冰及未凍水充滿的時候，土體仍不發生凍脹位移現象。

4 土體密度對凍脹的影響

試驗表明，三相或二相介質的土體密度對土凍脹性將產生不同的影響。由于工程建設的要求，有時采用人工壓密方法使土體密實。這些過程都是在一定的壓實功作用下使土體干重度與土體含水量保持一定的函數關系。在一定含水量條件下，減少土體密度將增大土體的孔隙，從而降低了飽和度。在小密度土體凍結時，有充分的孔隙空間任冰自由膨脹，而不致引起土顆粒間的分離位移。

此時，土體的凍脹強度甚微。隨土體密度增大，自由水充填土孔隙的程度也在增大，飽和度增高，土體的凍脹性增大。當土體達到某一標準團聚條件，這時的土體密度便能保證水分遷移的薄膜機構處于最有利條件，凍脹強度也達到最大值。

5 土中溫度對凍脹的影響

負溫是凍脹產生的必要條件之一。土溫降低引起水結晶、冰分凝、土粒自由能量增長，使冷源方向存在各種分子力，引起土體內部液態水向凍結鋒面不斷遷移。凍土土溫愈低，土體中未凍水含量愈少，含冰量愈大。降低負溫，不僅減少了土中未凍水含量，且改變了未凍水的性質，如鹽分濃度增大，粘度增大，凍結溫度降低。土體的凍結過程，實際上是土中溫度的變化過程。而且在不同的負溫下顯示出不同的凍脹特性。在封閉體系中，土體水分隨負溫值增大而不斷凍結，未凍水量減少，含冰量增加，土體體積擴張，因而土體的凍脹系數隨土中溫度降低而增大。

6 溫度梯度對凍脹的影響

凍土的溫度梯度決定著水分遷移量的大小。在有外來水源補給條件下，土體凍結鋒面上的冷卻溫度愈高，時間愈長，外部滲入水分在凍結面上形成的冰晶體、冰夾層的厚度也就愈厚。所以說，凍土的溫度梯度愈小，水分遷移量愈大:溫度梯度愈大，水分遷移量愈小。

由于水分的遷移量決定了土中生成冰晶的數量或冰晶的厚度，因此這也就意味著，凍土的溫度梯度愈小，凍脹量愈大；溫度梯度愈大，凍脹量愈小。

7 荷載對凍脹的影響

當增加土體外部附加荷載時就會對土體凍脹產生顯著的抑制作用。外荷載愈大，凍土中的未凍水含量愈大，含冰量愈小。在開敞系統中，很高的上覆荷載，當水轉化成冰時，體積膨脹使凍結鋒面處出現的超孔隙水壓力會使來自于未凍土的水以“凍結固結”方式，被壓入更深的未凍土層中，減少了水向冰晶的遷移，從而減小了凍脹。

在粘性土中，在其含水量及凍結條件相似的情況下，土體的凍脹率是隨著土體外部所施加的壓力增加而急劇的減小，繼而凍脹率徐徐減少，最終達到凍脹率為零。飽水黃土的外部壓力為0-0.15MPa，土體凍脹率急劇減少，此時，黃土的凍脹率幾乎為無附加荷載時的1/9，而后的變化就比較緩慢:當外部壓力為0.46MPa時，土體凍脹就終止，外來水分不再向凍結鋒面遷移。

8 土中鹽分對凍脹的影響

土中鹽分對發生在凍結土中的許多基本過程都產生重要影響。土中鹽分的多少影響土體的滲透壓力、凍結溫度及凍土中的未凍水含量，從而影響著凍結土體中的熱量遷移和質量遷移作用，并且改變凍土中冰-水相的結合，改變著土-冰-水之間的界面狀態。伴隨著土凍結過程中所發生的鹽分遷移作用及鹽分重分布現象，影響著地下水的水質及土孔隙中水的成分，進而也影響著防凍劑的效能。

9 結束語

我國是一個巖土工程災害多發且最為嚴重的國家之一。我國地域廣闊，地質環境復雜，西部地區自然資源豐富，但生態環境十分脆弱，巖土工程災害種類多，分布廣，危害大，崩滑泥、地面沉降、地裂縫、特殊土質等災害，都嚴重的影響著各項巖土工程的進行，威脅人民生命財產的安全，制約國民經濟的發展。因而，研究巖土工程災害的分布規律，對于總結災害的成生規律和特點，進而認識災害的本質，尋找減災防災對策，為西部大開發的戰略決策和國民經濟建設提供科學依據，具有重要的意義。

［1］潘懋,李鐵鋒.災害地質學[M].北京大學出版社，2002.

［2］徐學祖.凍土物理學[M].科學出版社，2001.

［3］童長江，管楓年.土的凍脹與建筑物凍害防治[M].水利電力出版社，1985.