土质对冻胀的影响及优化措施

1.土的粒度对冻胀的影响

土的粒度组成系指土固体颗粒的形状、大小以及它们之间的相互组合关系。这些组合关系决定着土的结构特征。根据土颗粒同水相互作用的关系,决定着土具有不同的冻胀变形能力。实际上,自然界除岩石外,所有分散性土都具有冻胀性,饱水的砂砾石层,假若冻结深度为1m,其冻结量可达40cm 左右,粗颗粒土变成与黏土、粉土一样有冻胀危险。

但从研究是否能够引起水分迁移的角度,土颗粒的直径就显得极为重要了。颗粒直径大于0.1mm 的土,在冻结过程中不存在水分迁移问题。但有些学者则认为不引起水分迁移的颗粒直径尺寸可降到0.074mm。一些资料表明,颗粒直径为0.05～0.1mm 的纯净细砂,在饱水情况下冻结,其冻胀率小于1.4%。

从土的骨架粒径上看,粒径尺寸(d)与土体冻胀有如下关系。

(1)d≥0.1mm 时,冻结过程中不发生水分迁移,在冻结锋面没有水分聚集的冰夹层。

(2)0.05mm≤d＜0.1mm 时,冻结过程产生轻微的水分迁移,在冻结锋面有水分聚集现象,尤其在开敞型冻结时,会出现弱冻胀。

(3)0.002～0.005mm≤d＜0.05mm 时,在冻结期间水分迁移非常剧烈,在冻结锋面可形成很厚的冰夹层或冰透镜体,表现出极强冻胀性。

(4)d＜0.002～0.005mm 时,在冻结期间水分向冻结锋面迁移极少或不发生。

图3.2 是G·Beskow 在室内做的各种粒径土在冻结过程中水分迁移量图 (图中虚线部分系笔者所连)。

图3.2　冻结时水分增量与土颗粒的平均直径之间关系

(平均冻结温度:-2℃;试样尺寸:高5cm,直径3.5cm)(www.xing528.com)

2.矿物成分对冻胀的影响

土的矿物成分包括原生矿物、次生矿物和腐殖质。对于粗颗粒土来讲,不存在矿物成分对冻胀的影响。只有在粉质土、黏性土之类的细颗粒土中,矿物成分与冻胀的关系才明显地表现出来。

黏性土的矿物成分是次生矿物,主要有蒙脱土、水云母和高岭土。它们对黏性土冻胀的影响,主要取决于矿物颗粒表面的吸附水的能力。蒙脱土具有较高的离子交换能力,它能够牢固地吸附着较多的水分,使毛细管的导水性降低,从而这类土的冻胀性减弱。高岭土与离子交换能力较弱 (不超过蒙脱土的10%)、颗粒表面吸附的水膜有较大的移动性,因而这类土的冻胀性较大。水云母的矿物颗粒表面活性介于上述两种矿物之间。

根据黏性土矿物的类型,其冻胀性大小如下:高岭土＞水云母＞蒙脱土。

3.土的密度对冻胀的影响

土的密度对冻胀的影响,首先要看未冻土时土中含水量是否达到饱和,即土体是处于三相还是两相介质的状态。

在土体总含水量一定时,对于三相状态的土体来讲,土体密度的增大,孔隙率减少,相应的饱和度随之增大,土体的冻胀性增大。并且在某一 “临界密度”时,冻胀量最大。这个“临界密度”恰好形成土颗粒间紧密适中,水分迁移的条件最佳。对于黏性土来讲,根据《土的冻胀及其对建筑物作用》B·О·Орков等人的研究,这个 “临界密度”可用下式表示:

式中 γdc——临界密度,kg/m3;

γdH——土的最佳密度,即标准压实时的最大密度,kg/m3。

当土的密度继续增大,当土体处于两相介质的状态时,随着土的密度增大,水分迁移量逐渐减少,从而冻胀量也在减少。当土的密度γdc＞1600kg/m3时,土的冻胀量很小或不发生冻胀。