探究冻土组构及其特性

2.1.2.1　冻土的结构

冻土的组构是由冻土结构和冻土构造决定的。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。按水相变成冰时的结晶程度划分,冻土结构可以分成以下几类。

(1)他形不等粒结构(冻结速率快,冰晶发育不好)。

(2)全自形粒状结构(冻结速率慢,冰晶发育良好,晶轴定向排列)。

(3)半自形粒状结构(介于上述两种情况之间)。

按冰胶结形式大致可以划分为以下几类。

(1)接触式结构(冰分布于矿物颗粒骨架的胶结处)。

(2)片状结构(冰分布于矿物颗粒表面,留有较大的孔隙)。

(3)孔隙式结构(冰充填于全部孔隙)。

(4)基底式结构(矿物颗粒之间被冰所分隔,彼此不接触)。

2.1.2.2　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、原驻水状况、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,冻土的构造大致有如下几种类型,见图2.1。(www.xing528.com)

图2.1　冻土构造示意图

(a)整体状构造;(b)层状构造;(c)网状构造;(d)冰包裹状构造

1.整体状构造

当外界冻结强度很大,土中温度梯度也很大,冻结锋面向下推移的速度很快,下卧融土层中的水分来不及迁移就在原地冻结成冰,这时冰晶较均匀的分布在孔隙中,肉眼难见到明显的冰晶体(隐晶),冻土的构造呈整体状。一般粗颗粒土容易形成整体状构造。由于整体状冻土水分重分布不明显,所以冻胀性也不大。这种土在融化后与冻前比较,其物理力学性质变化不大。

2.层状构造

层状冻土构造只在黏性土及粉、细砂中并且含水量较大时,在单向冻结的条件下才能产生。当外界冷却强度适中,土中温度梯度较小,冻结锋面向下推移的速度缓慢,再加上土含水率高,水相变时放出的潜热使冻结锋面在某一位置停留的时间较长,下卧未冻土层的水分有充足的时间迁移到冻结前缘,于是便形冰层。层状冻土产生的冻胀明显,融化后,这种构造的冻土,物理力学性质有很大改变,往往会产生很大的融沉,其承载力大大降低,抗剪强度可降低80%以上。

3.网状构造

网状构造的冻土也多产生在细颗粒土中,它是在水源补给条件充分,且在多向冻结条件下形成的,有着各种形状的冰带和连续的网或格。有时由于土质不均匀,土层中存在原生的纹理、裂缝,冻结时除形成冰透镜体外,还产生大量纵横交错的冰脉,也可形成网状构造。网状构造冻土其冻胀性和融沉介于整体状构造和层状构造冻土之间。

4.冰包裹状构造

冰包裹状冻土多产生在砾石土中,当这种土饱水并处在长期冻结条件下,在砾卵石周围形成冰包裹体,使砾卵石颗粒彼此分开,处于被包裹的“悬浮”状态,这种构造的冻土多发生在多年冻土的上限附近。在一般情况下,砾石地基具有较高的承载力和很小的压缩性,但出现冰包裹状构造后,一旦融化将会产生严重的下沉。