（1）冻胀机理。
冻土的主要基本成分是：固体矿物颗粒，黏塑性冰包裹体，液相水（未冻水和强结合水）和气态包裹体（水汽和空气）。固体矿物颗粒是冻土中最主要的成分之一，其对冻土性质表现出极为重要的影响，冻土性质不仅决定于矿物颗粒的尺寸和形状，而且决定于矿物颗粒表面的物理化学性质，此外，固体矿物颗粒的分散度对于冻土强度也有影响；黏塑性冰包裹体对于冻土的力学性质影响较大，由于冰的特殊性，其在荷载作用下，甚至在极小应力下，都会经常出现黏塑性变形；液相水即未冻水是冻土中一种特殊存在的水分，由于土中固体矿物颗粒表面与水分子的作用，使得在较低的温度下，冻土中依然存在一定的液相水，其主要以结合水的状态存在。冻土正是由于上述不同成分的存在，才使得其具有不同于常温土的特性。
冻土形成时，土中自由水产生冻结，并将固体颗粒胶结成整体，从而形成冻土。冻土形成的过程实际上是土体物理力学性质发生质变的过程。按照冻结过程中土体温度的不同，可以将土体冻结过程划分为以下五个阶段：①冷却段：向土体供冷初期，土体逐渐降温达到冰点；②过冷段：土体降温至0℃以下时，自由水尚未结冰，呈现过冷现象；③突变段：水过冷后，一结晶就立即放出结冰潜热，出现升温现象；④冻结段：温度上升接近0℃时稳定下来，土体中的水便产生结冰过程，将矿物颗粒胶结成整体形成冻土；⑤冻土继续冷却段：随着温度的降低，冻土的强度逐渐增大。
在土体冻结的过程中往往伴随着冻胀的产生。随着土体温度的降低以及热交换过程的进行，当土体温度达到土中水的结冰点时，孔隙水便产生结晶，并在冻结锋面附近形成冰透镜体和冰夹层。伴随着土中孔隙水和迁入水的结晶体、透镜体、冰夹层等形成的冰侵入土体，引起土体体积增大，土体的冻胀就由此而产生。冻土的冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀两类。原位冻胀是指冻结过程中孔隙水或已冻土中未冻水的原位冻结，造成体积增大9%；分凝冻胀是指由于水的迁移使水分聚集在冻结锋面处并冻结，分凝成冰透镜体，造成体积增大9%。
冻胀是冻土常见的一种现象，然而只有当土体满足一定条件时，才会产生冻胀。土体产生冻胀的三个必要条件是：①具有冻胀敏感性土（如：黏性土、粉土、粉质黏土等）；②较大的初始水分和适当的外界水分的补给；③适宜的冻结条件和时间。自然条件下，温度、水、土是影响冻胀的三要素。我们把不同因素对土冻胀特性的影响研究称为土冻胀敏感性研究。没有负温，水就不会成冰，体积就不会增大，也就无所谓冻胀，因而温度是发生冻胀的前提；只有负温，但含水量很小也不会产生冻胀，水的影响主要体现在土体冻结前含水量及冻结期的水分补给条件。
（2）冻胀计算。
冻土地区的主要工程灾害是冻胀问题，通常采用冻胀率（η）来作为评价土体冻胀及其对构筑物影响的指标，它是土体基本性质及外界条件的函数。
式中：C——土的物理化学特性；
W——含水率；
ρ——密度；
θ——负温度；
P——外荷载。
在计算冻胀率时，通常采用的计算公式如下：
式中：η——冻胀率；
Δh——冻胀量；
H——冻结深度。
冻胀量是指土体在冻结过程中的冻胀变形量，它是冻土力学问题中的一个基本指标。习惯上多采用总冻胀量和分层冻胀量来表征。所谓总冻胀量就是指土体冻结时引起地表隆起的总高度，即冻土地面高程与相应点未冻结前暖土地面高程之差，计算公式如下所示：
式中：Δh——总冻胀量，mm；
H2——冻土地面高程，mm；
H1——相应点未冻结前暖土地面高程，mm。
总冻胀量也等于分层冻胀量之和，等于垂直线上冰夹层厚度之和。分层冻胀量是指冻土层冻结时引起该层土的垂直向上位移变形值。
土体冻胀性的分类方法有许多种，其中根据土体冻胀率可将土分为五类：
a.非冻胀性土：冻胀率η＜1%的土；
b.弱冻胀性土：冻胀率η在1%～3.5%的土；
c.冻胀性土：冻胀率η在3%～6%的土；
d.强冻胀性土：冻胀率η在6%～12%的土；
e.特强冻胀性土：冻胀率η＞12%的土。
（3）冻胀影响因素。
冻结过程中水分迁移和冰析作用是产生土体冻胀的直接因素。它们的强弱主要取决于土体颗粒大小、矿物成分、土中水分及补给来源、冻结温度以及外荷载等因素。为了能正确地采用换砂、隔热保温、切断地下水补给及控制土中水分、物理化学及适应冻胀变形的建筑物基础与结构形式等方法，就必须深入了解与掌握影响土体冻胀的因素。
1）土的性质。
研究表明，土的物理性质如密度、矿物成分及交换离子特性等因素对其冻胀有明显的影响。
a.土体密度对冻胀性的影响。
国内外众多学者在研究土的初始干密度对冻胀产生影响的问题上，有着不同程度的结论。起初，务必考虑在没有冻结前的融土是属于三相介质还是二相介质，介质的体系确定着土体饱和度特性的差异，干密度的大小将不同程度的影响土体的冻胀与融沉。实验表明，正常情况下，在两相体系中，增大土密度，会造成土体孔隙间水分的排出，既减小了土体自身的水分含量，同时又降低了冻结过程中的水分迁移量，这样的话冻胀量自然会减小；而对于三相体系的土体，土密度的增加，仅减小的是土体的孔隙，改变的是土体的饱水程度而非土体的水分含量，因而冻胀性变大。
土体的含水饱和程度不同，密度对土体冻胀的影响也不同。饱和度为100%的土体，密度的增加必然导致排水，降低土中水的质量分数，使冻胀量减少；对三相体系的土体，密度增加使孔隙体积减小，较少的冰侵入体即可充斥孔隙并相互接触或与土体颗粒接触，较早、较大地引起冻胀。
b.土颗粒的矿物成分和交换离子特性对冻胀性的影响。
土颗粒的矿物成分和吸附阳离子成分直接影响着土体的物理化学特性。矿物种类主要指蒙脱石（晶体较小，有时小到0.001µm）、高岭石（晶体只有1.0～1.1µm，厚度为0.01～0.02µm）和水云母3种成分，它们都具有片状和层状构造。这些黏土矿物对黏土冻胀性的影响，很大程度上取决于矿物表面活动性——凝结水的能力。而颗粒表面凝结的水量取决于颗粒本身的大小、矿物成分和有无交换阳离子。例如高岭质土中，粒径0.002～0.05µm的细粒占60%以上，属粉质黏土，是易于形成强烈水分迁移和析冰的，冻胀性很强。这种土实际上不会交换阳离子，主要是表面化学活动性很弱，亲水性小，矿物成分处于较为松散的聚集状态，从而使其有较大的可移动薄膜水，所以其有较高的冰胀性。而以蒙脱石矿物为主的黏性土中，其分散性更高，属黏土或重黏土。土中水分大部分被强烈地吸附于薄膜中，水的可移动性不大。而其所含有的Na+和Ca2+离子交换能力很高，经常置换K+，Cs+，Mg2+等离子，对水性影响很大，同其他矿物相比所结合的水量最多，能超过骨架的质量。对水分迁移来说，土就成了不透水的“隔离层”，阻碍水分的迁移，因此以蒙脱石矿物为主的黏性土冻胀性较弱。水云母类的黏土处于以上二者之间，故其以冻胀性排列顺序：高岭石＞水云母＞蒙脱石。
2）冻结温度。
土体的冻结温度取决于土体的颗粒组成、含水量、颗粒的矿物成分等因素。在同一土质条件下，土体的冻结温度是随着土体含水量的增加而升高，随着含盐量的增加而降低。当然，在任何负温条件下，土体总保持着与负温相对应的未冻水含量。
尽管土体土质不同，冻胀系数不同，但冻胀系数与温度的变化规律是相似的。对于黏性土来说，这些规律可大致表现为：
a.土体先是经历了一个冻胀系数随温度降低而剧烈增长阶段，在该区段内土体的冻胀量占总冻胀量的70%～80%。其温度范围对不同的土质各不相同，对黏性土来说，一般在土体的冻结温度至-3℃左右；
b.土体的冻胀系数增长缓慢阶段，其冻胀量占总冻胀量的15%～20%，温度范围在-3～-7℃之间。
c.进入土体的冻胀系数相对稳定阶段，此时，土体的冻胀量不到总冻胀量的5%，温度范围在-7～-10℃。
土体冻胀系数与土温的经验公式：
式中：η——土体的冻胀系数；
t——土体的温度，℃；
a，b——与土质、土中水分含量有关的试验常数。(www.xing528.com)
实验观测表明，从土体的起始冻结温度至土体的冻胀开始温度之间，土体要经历一个因温度降低而收缩的阶段。土体的冻胀停止温度对不同土质的土体略有差异，根据实验资料，在封闭体系中，黏土的冻胀停止温度为-8～-10℃，亚黏土为-5～-7℃，亚砂土为-3～-5℃，砂土为-2℃左右。即土体的冻胀起始温度与停止温度主要取决于土的颗粒分散性、矿物成分、含水量及水溶液的浓度等。
3）含水率。
冻土含水率系指冻土中所含冰和未冻水的总质量与干土质量之比。它是冻土地区进行水热平衡计算分析冻土发育条件的重要指标。
在土冻结过程中，土中有水分是造成冻胀的必要条件，但含水的土不一定都会有冻胀。只有在土的含水量达到或超过一定的数值后，才会发生冻胀，即在封闭的条件下含水率必须大于某一定值才会发生冻胀。该数值为在稳定的负温条件下，土体的冻胀系数η为零时的土体含水量，称为起始冻胀含水量。当土中的含水量小于这个界限时，即便是土中全部孔隙被冰及未冻水充满，土体仍不会发生冻胀位移现象。
根据以往工程经验，土体冻胀系数η≤1%时，对建筑物稳定性不会产生明显的影响，因此，可将这种土看成非冻胀性土。而将此作为界限的含水量，称之为安全冻胀含水量。可见，当土体中的含水量较大时，发生的冻胀增量也会变大。一般情况下，粗颗粒土不具有细颗粒土那种水分迁移现象，在较为纯净的粗颗粒土中，尽管孔隙全部饱和，冻结期间可排水时，其冻胀性也不会超过弱冻胀性土体。然而随粉黏粒含量增加，可以使粗颗粒土体产生连续水分迁移的可能性。
4）补水条件。
在土冻结过程中，如果有水分补给（大气降雨、地下水补给、各种给排水工程及人工灌溉）时，就会发生更加强烈的冻胀。
a.在封闭体系中，土体的冻胀性强弱主要取决于土体的持水数量。而在开放体系中，尽管土体初始含水量较小，但在冻结过程中外界水源补给可以大大增加土体的冻胀性。有实验表明，初始含水量21%～22%的黏性土在一昼夜冻结时间内，无水源补给时试样的冻胀系数达到4%左右就稳定下来，而在外界水源充分补给的条件下，土体的冻胀性不断增加，当达到最大值时，其冻胀系数可比无水源补给条件下增大10倍以上。这是由于下卧土体的水分可不断地迁移到冻结锋面上形成冰透镜体，导致土体冻胀性急剧增加的结果。
b.地下水位的高低也显著影响着土体的冻胀性，地下水位越浅，土体的冻胀量也就越大。土质条件相同时，地下水位埋藏深度与土体冻胀性近似成反比关系。关于不同土质中地下水影响高度问题，目前国内外主要还是根据地下水以上毛细管作用范围内毛细水的上升高度来确定。
c.在工程现场，各种给排水也会在一定程度上增加冻土的冻胀量。尽管这部分水分的分布是局部的，却能使某一部分建筑物地基土含水量大为增高，直接参与了地基土的冻胀作用。
由此可见，土体的补水条件对其冻胀强度有着极为重要的影响。因此工程在设计、施工和运行中要最大限度地防止外界水源的侵入及降低土体湿度，千方百计地降低地基土体的含水量，隔断外界水源补给。
5）外荷载大小。
在一定外荷载下，土颗粒固结压密，空隙减少，同时减小了正常冰透镜体的抽吸力，抑制了未冻水向冻结锋面的迁移和透镜体的生长，减少了分凝冻胀量，从而减少了冻胀量。由外荷载对土体冻胀性影响实质上反映在以下三个方面：
a.土体外部压力增加而冻结点降低。
土体外部附加压力增加，增大土颗粒间的接触压力，降低了土体的冻结点，影响着土中的水分相态的转换。在力作用下，不管是水或冰，其融化压力均随着温度降低而增大，且随着土体的含水量增大而减小，单位压力下冰点降低值却随冻土温度降低而增大。所以在有无压力时，同一温度下冻上的融化压力要比冰小。这种外力作用实质是对土体系内做功，导致能量发生转化。
在开放体系中，土体孔隙水与外界水相通，孔隙水压等于大气压，而在外部压力作用下，冰体上具有的压力实际就等于外部有效压力，可以用布勒吉曼与秦曼的经验公式描述冰体融解温度与外部力之间的关系：
式中：ΔP——外部压力，kg/cm2；
t——绝对负温值，℃。
b.对未冻土的影响。
外部压力作用同样影响着冻土中的未冻水的含量，巨大的接触压力促进土体的冰点下降，使得冻土中的冰与未冻水含量之间的平衡发生破坏，未冻水含量显著增加。在同一种土体中，对冻土施加的压力愈大，未冻水含量增加的效果就愈明显，且使得冻土中的未冻水由高压应力区向低应力区转移而重新结冰。
外部压力和未冻水含量之间的关系可以用下式表示：
式中：Wu——未冻水含量，%；
P——压力，MPa；
a，b——与土体有关的系数。
c.引起土体内水分重分布。
在外部荷载作的同时，会减少未冻土中水分向冻结锋面的迁移量，即影响水分迁移的抽吸力，目前有观点认为这种吸水力是土粒中冰与水之间的界面力，也有观点认为这种吸水力是由于冻土内未冻水比自由水具有较低的孔隙水压所造成的，且认为未冻水的孔隙水压是土温的函数。
在土温度为-10℃，外荷载为1×105 N/m2范围内时，载荷对土体冻胀的抑制作用，冻胀率与载荷的关系可表达为：
式中：η0——P=0时土冻胀率；
A——与土质而关的参数；
P——外压荷载，N/m2。
同时外荷载对土体的冻胀温度有一定影响，在外部力较小的情况下，土体在起始冻胀温度下就可发生冻胀，而外部压力较大时，只有在超出起始冻胀温度很多时，土体发生冻胀。
（4）冻土区桩土体系冻胀机理分析。
在桩土体系中，桩的传热性能与土体有差异，在冻结过程中，桩与桩周土体热传递性能的不同使得桩与土体温度产生差异，由于桩的导热能力比土体强，所以桩会先于土感应到温度的降低，使得桩身温度比周围土体温度要低，同时冻结开始后，桩身与土体间隙较之土体本身土颗粒间隙大很多，外部冷空气的进入也会使得界面处的温度先降低，这样使得桩周土体中产生一个横向的温度梯度，融化圈水分向桩体冷锋面迁移，并逐渐在桩体侧壁聚集，吸附于桩体表面，冻结形成冰膜。
根据薄膜迁移理论，如图2.4所示，a为桩土界面处土颗粒表面的薄膜水，b为离桩远的土颗粒表面的薄膜水，由于桩土界面处水相变为固相冰并形成冰膜，水化膜a变薄，水化膜a包围的土颗粒的分子吸力有了剩余，会从邻近的水化膜b中夺走水分，使水化膜b变薄，从而将离桩远的土体中尚未冻结的薄膜水源源不断地吸来，因此桩周土体中水分会产生横向的向桩土界面的迁移运动并在冻结界面处冻结，使得离桩近的土体的分凝冻胀量比离桩远的土体分凝冻胀量大，因此离桩近的土体的自由冻胀量比离桩远的土体自由冻胀量大。而桩周土体的冻胀量为土体自由冻胀量与桩对土体冻胀的约束的差值，若土体自由冻胀的效果比桩对土体冻胀的约束效果大，最终会使得离桩近的土体冻胀量大。冻结过程中桩周土体的冻胀机理示意图如图2.5所示。
图2.4 水分薄膜迁移示意图
图2.5 冻结过程中桩土体系冻胀机理示意图
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