负气温对土体冻胀的影响分析

负气温是引起土体冻胀的外界条件,土体的冻结过程伴随着土中温度的变化过程。外界的负气温通过与土体的各相介质的热交换,使得土体温度下降。每一种土质都有各自的起始冻结温度,土体的冻结温度与土颗粒分散度、矿物成分、含水量以及水溶液浓度有关。土体开始冻结并不意味着冻胀,而引起的冻胀温度要比起始冻结温度低些。一般塑性黏土的平均冻结温度为-1.2～-0.1℃,而起始冻胀温度比冻结温度低0.2～0.8℃。

同一种土质其冻结温度也不是固定的,而是随含水率的增大而提高,含水率愈小,冻结温度愈低。

黏土、亚黏土、中粗砂等虽土质不同,但其在封闭型冻结时,土体冻胀随土体负温度变化所显现的规律相似,都有土体冻胀率随土温降低而激烈地增长阶段、增长缓慢阶段和停止增长阶段,如图3.3所示。

图3.3　土体冻胀系数与土温的关系

○—黏土,ω=44.8%;•—亚黏土;ω=37%;×—中粗砂,ω=20.7%

对于黏性土来讲,土中温度从起始冻结温度到-3℃左右时,是冻胀激烈增长阶段,这个区段所产生的冻胀量约占最大冻胀量70%～80%;在土温-7～-3℃范围,冻胀增长缓慢,这段冻胀量增长占最大冻胀值的15%～20%;当土中温度低于-10～-7℃以下时,基本上不再发生冻胀,在这区段的土体冻胀量最多占最大冻胀值的5%以下。(www.xing528.com)

对于中粗砂,上述三个区段的土温大约为-1～0℃;-2～-1℃;-3～-2℃。

土温在第三温度区段时,砂土的冻胀为零,亚黏土为2%,有的黏土可达11%。

根据前苏联В·О·Орков等人的试验,各类黏性土的冻胀结束温度 (ts)见表3.8。

表3.8　各类黏性土的冻胀结束温度(ts)

冻结速度对土体冻胀的影响更为明显,如果土体冻结速度过快,土中水分来不及迁移,导致冻胀率下降;如果冻结速率缓慢,水分向冻结锋面迁移时间长,迁移量大,导致冻胀率大,如图3.4所示。

根据В·О·Орков的试验,薄膜水迁移的最大速度的临界值与冻结强度有关。对于含水率大于25%～30%的粉质土,如果温度梯度超过0.15～0.2℃/cm 时,发现冻胀值最大。