2.6 在冻融过程中土中水分的迁移与积聚

2.6.1 冻土现象及其对工程的危害

在冰冻季节土中水分冻结成冻土。根据其冻融情况，冻土分为：季节性冻土、隔年冻土和多年冻土。季节性冻土是指冬季冻结夏季全部融化的冻土；两年内不融化的土层称为隔年冻土；凡冻结状态持续三年或三年以上的土层为多年冻土。我国多年冻土的分布基本上集中分布在纬度较高和海拔较高的严寒地区，如东北的大兴安岭北部和小兴安岭北部、青藏高原以及西部天山、阿尔泰山等地区，总面积约占我国领土的20%，而季节性冻土则分布范围更广。

在冻土地区，随着土的冻结和融化，会发生一些独特的现象，称为冻土现象。冻土现象严重地威胁着建筑物的稳定和安全。

冻土现象是由冻结和融化两种作用所引起的。某些细颗粒土层在冻结时，往往会使土体体积膨胀，使地面隆起成丘，即所谓的冻胀现象。土层发生冻胀的原因，不仅是由于水分冻结成冰时其体积增加9%的缘故，而主要是由于土层冻结时，周围未冻结区土中的水分会向表层冻结区迁移聚集，使冻土中水分增加，冻结后的冰晶体不断增大，土体积也随之发生膨胀隆起。冻土的冻胀使路基隆起，柔性路面鼓包、开裂，刚性路面挫裂或折断；冻胀还使建筑在其上的建筑物抬起，引起建筑物开裂、倾斜，甚至倒塌。

对工程的危害更大的是季节性冻土地区，春季土层解冻融化后，由于土层上部积聚的冰晶体融化，使土中水分大大增加，加之细颗粒土排水能力差，土层处于饱和状态，土层软化程度大大降低。路基土解冻融化后，在车辆反复碾压下，轻者路面变得酥软，限制行车速度，重者路面开裂、冒泥，即翻浆现象，使路面完全破坏。冻融会使房屋、桥梁、涵管发生大量下沉，引起建筑物开裂破坏。因此，冻土的冻胀即冻融都会对工程带来危害，必须引起注意，采取必要的防治措施。

2.6.2 冻胀机理及影响因素

1.冻胀原因

土发生冻胀是冻胀时土中水分向冻结区迁移和积聚的结果。土中水分的迁移是怎样产生的呢？解决水分迁移的学说很多，其中以“结合水迁移学说”较为普遍。

土中的水分为结合水与自由水两大类。结合水又根据所受水分子引力的大小分为强结合水和弱结合水；自由水也分为重力水和毛细水。重力水在0℃结冰；结合水的冰点则随着其受到的引力增加而降低，若结合水的外层在-0.5℃时冻结，靠近土颗粒表面其冰点较低，全部冻结温度为-20～-30℃，而强结合水在-78℃仍不冻结。

当大气温度降低至零度时，土层中的温度也随之降低，土孔隙中的自由水首先在0℃时冻结成冰晶体。随着气温继续下降，若结合水的最外层也开始冻结，使冰晶体逐渐扩大，这样使冰晶体周围土粒的结合水膜减薄，土粒就产生了剩余的分子引力。另外，由于结合水膜减薄，使得水膜的离子浓度增加（因为结合水中的水分子结成冰晶体，使离子浓度相应增加），这样就产生了渗附压力（即当两种水溶液的浓度不同时，会在它们之间产生一种压力差，使浓度较小的溶液中的水向浓度较大的溶液渗流）。在这两种引力的作用下，附近未冻结区水膜较厚处的结合水，被吸引到冻结区的水膜较薄处。一旦水分被吸引到冻结区后，因为负温作用，水即冻结，使冰晶体增大，而不平衡引力继续存在。若未冻结区存在水源（如地下水距冻结区很近）及适当的水源补给通道（即毛细通道），能够源源不断地补充被吸引的结合水，则未冻结区的水分就会不断地向冻结区迁移积聚，使冰晶体扩大，在土层中形成冰夹层，土体积发生隆胀，即冻胀现象。这种冰晶体不断扩大，一直要到水源补给断绝后才会停止。

2.影响冻胀的因素

从上述冻胀机理分析中看到，土的冻胀现象是在一定条件下形成的。影响冻胀的因素有下面三个方面。

（1）土的因素。冻胀现象通常发生在细粒土中，特别是粉土、粉质亚黏土和粉质亚砂土等，断绝时水分迁移积聚最为强烈，冻胀现象严重。这是因为这类土具有较显著的毛细现象，毛细上升速度快，具有较通畅的水源补给通道，同时这类土的颗粒较细，表面能大，土粒矿物成分亲水性强，能持有较多结合水，从而能使大量结合水迁移和积聚。相反，黏土虽有较厚的结合水膜，但毛细孔隙很小，对水分迁移的阻力很大，没有通畅的水源补给通道，所以其冻胀性较上述粉质土为小。砂砾等粗颗粒土，没有或具有较少量的结合水，孔隙中自由水冻结后，不会发生水分的迁移积聚，同时由于砂砾的毛细现象不显著，因而不会发生冻胀。所以在工程实践中常在地基或路基中换填砂土，以防冻胀。

（2）水的因素。前面已经指出，土层发生冻胀的原因是水分的迁移和积聚。因此，当地基区附近地下水位较高，毛细水上升高度能够达到或接近地基线，使地基区能得到外部水源的补给时，将发生比较强烈的冻胀现象。这样，可以区分两种类型的冻胀：一种是冻胀过程中有外来水源的补给的，称为开敞型冻胀；另一种是冻胀过程中没有外来水分的补给的，称为封闭型冻胀。开敞型冻胀往往在土层中形成很厚的冻夹层，产生强烈冻胀，而封闭型冻胀，土中夹层薄，冻胀量也小。

（3）温度的因素。如气温骤降且冷却强度很大时，土的冻结面迅速向下推移，即冻结速度很快。这时，土中弱结合水向冻结区迁移，并在原地冻结成冰，毛细通道也被冰晶体堵塞。这样，水分的迁移和聚集不会发生，在土层中看不到冰夹层，只有散布于土孔隙中的冰晶体，这时形成的冻土一般无明显的冻胀。

如气温缓慢下降，冷却强度小，但负温持续的时间较长，则就能促使未冻结区水分不断地向冻结区迁移聚集，在土中形成冻夹层，出现明显的冻胀现象。

上述三方面的因素是土层发生冻胀的三个必要条件。因此，在持续负温最用下，地下水位较高处的粉砂、粉土、亚黏土等土层常具有较大的冻胀危害。但是，我们也可以根据影响冻胀的三个因素，采取相应的防冻胀的工程措施。

2.6.3 冻结深度

由于土的冻胀和冻融将危害建筑物的正常和安全使用，因此一般设计中，均要求将基础地面置于当地冻结深度以下，以防止冻害的影响。土的冻结深度不仅和当地气候有关，而且也和土的类别、湿度以及地面覆盖情况（如植被、积雪、覆盖土层等）有关。在工程实践中，把地表无积雪和草皮等覆盖条件下，多年实测最大冻结深度的平均值称为标准冻结深度z0。我国有关部门根据实测资料编绘了东北和华北地区标准冻深线图，并结合实际调查确定。也可根据当地气象观察资料按公式（2.115）估算：

式中：z0为标准冻结深度，m；∑Tm为低于0℃的月平均气温的累计值（取连续10年以上的平均值），以正号代入。