冻土的物理特性与应用研究

1.冻土的含水率

冻土含水率系指冻土中所含的冰的质量和未冻水质量之和与土骨架质量之比,用百分数(%)来表示。

冻土的含水率是研究冻土内在规律性的重要指标。冻土中的水分是最活跃的因素,它沿着深度的分布和随季节的变化而不断变化。它的变化规律与冻土的物理—力学性质有着密切关系。含水率大的土,一般冻胀性较大,对建筑物的危害也大。

根据定义,冻土含水率的公式如下:

式中 ω——含水率,%;

W——土中总含水量,g;

Ws——冻土的总质量,g。

式中 WH——未冻水含量,g;

WI——冻土中所含冰重(胶结冰和包裹冰),g。

2.冻土含冰量

冻土含冰量系指冻土中所含各类型冰的总和。

冻土含冰量又可分为质量含冰量、体积含冰量和相对含冰量。

质量含冰量是土中冰的质量与干土质量之比,用小数或百分数表示。体积含冰量是单位体积的冻土,其中所含冰的体积与冻土体积之比。相对含冰量系土中冰的质量与全部水的质量之比,即

式中 i0——相对含冰量;

ω——冻土总含水率;(www.xing528.com)

ωH——冻土中未冻水含量。

图2.4　冻土未冻水含量与负温值关系曲线

1—石英砂;2—亚砂土;3—亚黏土;4—黏土;5—含蒙脱石黏土

3.冻土中的未冻水量

冻土中的液态水称之为未冻水,它大致可以分为两类:一类是冰点下降了的水;另一类是处于过冷状态的水。

土中的矿物颗粒表面结合水、毛细水均受到土颗粒表面分子引力的作用,因而冰点降低。强结合水在-78℃仍不冻结,弱结合水冰点达-30～-20℃。毛细水冰点也低于0℃。此外,土中水溶解了盐,冰点也会下降。

未冻水使土颗粒被冰胶结的强度下降,冻土的强度降低,对冻土的性质影响极大。

冻土中所含的未冻水量不是保持不变的,而是随着外部作用的改变而变化。负温变化和外压力的大小,对冻土的未冻水有很大影响,而冻土中的薄膜水的迁移作用、土的冻结时间的影响相对小一些。只有当土体经受较大温度梯度且时间非常之长的,薄膜水迁移对未冻水含量的影响才有些作用,因为薄膜水迁移的速度是非常缓慢的,速度不超过0.2～0.4mm/h。图2.4给出了不同类型的土壤未冻水含量与负温的关系。

4.冻土的质量密度

冻土的质量密度,旧称冻土容重,它是指单位体积冻土的质量,单位为g/cm3。

冻土的质量密度是冻土的基本物理指标之一,它是冻土地区建筑设计中,计算冻融深度、冻胀、融沉、保温层厚度以及检验地基强度等方面不可缺少的重要指标。

土冻结后,由于土中水相变成冰体积膨胀,致使整个土体的体积较之冻前增大,所以冻结状态的土的质量密度较之冻前为小。

根据定义,冻土质量密度的计算公式如下:

式中 ρ——冻土质量密度,g/cm3;

Ws——天然冻土质量,g;

V——天然冻土体积,cm3。