凍土的破壞機理

劉宏杰 高 藝

（陜西鐵路工程職業技術學院， 陜西 渭南 741000）

凍土指溫度在零度以下時，土體中便有了冰的存在，凍土是含有冰的巖石，凍土根據含冰量的不同分為少冰凍土、多冰凍土、富冰凍土、飽冰凍土以及含土冰層。通過對凍土性質的研究，對凍土的破壞機理進行分析，從而采取相應措施提高凍土路基的穩定性。

1 凍土性質的研究

凍土是指當溫度在零度以下時含水的松散巖石和土體中開始有冰的存在。土體凍結的主要標志時土體中冰的存在，即含冰的巖土稱為凍土，不寒冰的土稱為寒土。因此可以認為，含冰的“巖石”即為凍土，在零度以下時具有特定的巖石的工程特性，其強度類似于混凝土強度。未凍水的數量與凍土的溫度、分散度以及礦物顆粒的成分有關。多年凍土具有特殊的性質是冰與水的共存所賦予的。

土體凍結的過程就是土體空隙中的水凍結為冰的過程。孔隙水的凍結伴隨著物理和化學的反映過程，如水分遷移、例如礦物顆粒間的水膠變成冰膠同時伴隨著水分遷移和體積膨脹等變化。凍土的基本成分主要包括氣體、水、冰和顆粒，即凍土是由礦物顆粒（有機物顆粒）、氣體（水蒸氣和空氣）、冰（冰包裹體和膠結冰）、未凍冰（強結合水、弱結合水） 組成的四相體系。這些基本的組成結構決定了凍土的性質以及多年凍土的一些特殊性質。

2 凍土的分類

自上世紀70 年代以來，全球變暖氣溫回升，人類活動相對較頻繁。同時，多年凍土受到地表植物、水分及日照的影響，使得全球大部分多年凍土地溫升高，凍土環境發生變化，地溫的變化使得高原多年凍土出現了持續退化的現象，凍土上限持續下降，季節凍土的活動層不斷增厚，形成了融化夾層，同時夾層不凍結，路基的天然蒸發通道阻斷，使得凍土路基上限持續下降的速率增大。同時隨著地溫的升高，多年凍土路基病害更是雪上加霜，如翻漿、不均勻沉降、凍融裂縫等現象常有發生。因此，在升溫的背景下，展開對多年凍土路基變形規律的研究具有重要的意義。

表1 凍土的含冰量分類表

3 凍土的破壞機理

多年凍土地區，溫度的變化引起土體中溫度的變化，同時凍結和融化過程中水和熱相互作用，溫度升高時地溫升高，土體融化，溫度降低時土體凍結，熱融和凍脹相互轉化，寒冷的氣候條件和多年凍土的存在，以及凍結和融化過程中的水、熱相互作用，因此凍土破壞分為熱融沉陷和凍脹破壞。

1） 凍土融沉機理，夏季氣候變暖氣溫升高，土體中的冰開始融化，由于外界溫度的升高，土體中的冰開始融化，由固態變為液態體積減小，融化的水滲入土體，地基發生沉降。在凍結狀態下，土體主要受到凍脹力和重力的作用，并在各種力的作用下土顆粒處于平衡狀態，隨著溫度升高，土體中的冰融化為水，土體中的凍脹力消失而土顆粒只受到重力作用而發生壓密變形，土體沉降量增大。2） 凍土膨脹機理， 凍脹即多年凍土上的活動層，每年寒冬季節，由于溫度的降低，土中水分凍結，水由液體變為固體產生體積膨脹，使土體體積增大膨脹。凍脹是凍土區普遍存在的現象，冬季氣溫降低，溫度一般在零攝氏度以下，土體中的水由上而下逐漸結冰，通水土中水受溫度梯度和毛細管理論的作用，土體中的水逐漸向結冰面遷移，冰的體積不斷增大，直到冰的體積大于土顆粒之間的空隙時凍脹力產生，土體發生凍脹變形是由于凍脹力大于土體內聚力和重力土導產生的。