与土体冻胀相关的指标和概念

3.1.2.1　土体冻胀

土体中含有水分,当土体冻结时,将有部分水相变成冰,而相变成冰的体积比原来水分的体积增大9%。当土中有足够的水量变成冰,其体积增大足以引起土颗粒的相对位移时,就会造成地表的隆起,这种现象称为土体的冻胀。

对于天然冻土来讲,引起土体冻胀的原因主要有如下几点。

1.土中水对冻胀的影响

土体中含有足够的水分,其含水率必须超过某一界限含水率,不同的土类其起始冻胀含水率会有所差别,一般细颗粒土的起始冻胀含水率大些,粗颗粒的小些。

在此尚须强调指出的是,土中的含水量虽然超过起始冻胀含水率,如果仅仅是土中原驻水,其冻胀量也是有限的,可怕的是在冻结过程中有地下水的补给 (水分迁移),若是这样,一旦温度梯度适宜,其冻胀量将十分严重,在自然界中,冻胀量超过50cm 的情况也是经常遇到的。

2.负气温总量和冻结速度对冻胀的影响

负气温总量和冻结速率是引起土体冻胀的外因。一般来讲对于相同或近似的地质条件,负气温总量大的地区,其冻胀量就大。

除此之外,在负温总量相同或相近的地区,其冻结速度 (系指冻结锋面移动的速度)不同(也即是由于负气温总量的历时分布不同,或者说由于冻土的温度梯度不同所致),所产生的冻胀量也会有很大的差异。根据前苏联Ю·Д·ТюТюнов的实验资料,粉质土在温度梯度为0.1～0.2℃/cm 时出现最大冻胀。

3.土的分散度对冻胀的影响

土颗粒的大小也即是土的分散度对冻胀的影响是在土中含水率饱和以及无地下水补给的情况显示出来的。在无地下水补给时,土体的冻前含水率相同(非饱和)的情况下,各种土的冻胀性依次排列为:粉土＞黏土＞细砂＞中砂＞粗砂＞砾石土。

特别应当指出的是,土的粒径在0.005～0.05mm 的土其冻胀性最大,大于或小于这个范围的土,其冻胀性较小。

但是,尚须指出的是在饱和水情况下,即使是纯砾石土,其冻胀量也是很大的。严格地说,除了岩石外,所有各种类型的土都是有冻胀危险性的。В·О·茹柯夫曾指出,在粗粒土饱和水时和黏性土一样有很大的冻胀危险。

鉴于上述,对地基土冻胀性可以这样划分:凡是土体中粒径为0.05～0.075mm 范围内的土的含量大于总土重10%时,即称之为“冻胀性土”,否则即为“非冻胀性土”。

3.1.2.2　冻胀量(Δh)和冻胀率η

1.冻胀量Δh

冻胀量系指冻结前土体表面与冻结期内土体表面的最大高度差,如图3.1所示。

根据冻胀量的大小,可将地基土的冻胀性分为5级,见表3.2。

表3.2　地基土的冻胀性工程分类

注 此表源自SL23—2006 《渠系工程抗冻胀设计规范》。

2.冻胀率η

为了说明地基土的冻胀性大小,常用冻胀率η来表示。冻胀率系指单位冻结深度的冻胀量,可用下式表示:

式中 η——冻胀率,%;

Δh——冻胀量,cm;

Hf——冻结深度,cm。(www.xing528.com)

3.不均匀冻胀系数K

自然界土体的冻胀一般是不均匀的,为了评价地基土各点冻胀性的均匀程度,常用不均匀冻胀系数这个指标,它系指相邻A、B 两点的冻胀量的差值与A、B 两点间的距离的比值,用百分数表示,即

式中 K——不均匀冻胀系数;

hA——A 点冻胀量;

hB——B 点冻胀量;

LAB——A、B 两点间距离。

4.平均冻胀强度f

冻胀强度系指最大冻深时,总冻胀量与冻土层厚度之比,即

式中 f——平均冻胀强度,%;

Δh——最大冻胀量,cm;

Hm——冻土层厚度,cm;

Hf——冻结深度,cm。

3.1.2.3　土体冻结过程中水分迁移

1.冻土中水分迁移和水分重分布

实践证明,将含水率分布均匀的黏性土置于封闭系统中单向冻结,待冻透后进行分层测定含水率,我们会发现土冻结后含水率发生了变化,土层上部含水率比冻前增大了,而下部含水率减少了。如果用砂土作同样的试验,则会发现截然相反的情况。土的这种在外界温度梯度作用下,土中水分由一处移到另一处的现象,称为水分迁移。水分迁移的结果,使土层中各点的含水率发生了变化,这种现象称为水分重分布。

粗颗粒土在冻结时,水分迁移的方向与温度梯度方向一致,即由低温处向高温处移动,这是由于土体中水分在冻结时,部分水在重力作用下向下层运动,常表现出上部土层脱水,而下部土层的含水量增大了。

在细颗粒土(如黏土、粉土)冻结时,水分能够从下层向冻结锋面迁移,冻结锋面在某个位置停留的时间愈长,则迁移至此的水量愈大,尤其是当地下水埋深浅时,下卧土层可源源不断向冻结锋面迁移水分,为此可形成很厚的冰夹层或冰透晶体,从而造成土体的冻胀量巨大,就是这个缘故。

2.开敞型冻结和封闭型冻结

开敞型冻结系指在外水源补给条件下的冻结,其形成的冻胀又称开敞型冻胀。

开敞型冻结在自然界系指有地下水补给,在室内试验时系指有给水装置补水。

封闭型冻结系指在无外水源补给条件下的冻结,其形成的冻胀又称封闭型冻胀。

封闭型冻结在自然界系指地下水埋藏很深,在冻结过程中地下水靠毛细管作用无法达到冻结锋面。在室内试验时仅是土样中原有的含水率条件下的冻结,不做任何人工补水。

3.原驻水与迁移水

原驻水系指土体冻结前的含水量。对于封闭型冻结来讲,在冻结过程中,仅仅发生原驻水(部分)的冻结。

迁移水系指冻结前土体中(冻深范围内)并没有这些水分,而是在冻结过程中在各种冻胀机理或称土水势的作用下,从未冻层移动过来的水。天然条件下的迁移水,一是来自下卧融土层的水;二是来自地下水。迁移水造成的土体冻胀要比原驻水冻胀严重得多。