在土体融化过程中，冻土产生融沉由以下三种原因引起：融化过程中土体温度上升，冻土发生融化，冻土中的冰晶融化成水，土体体积缩小；土体原有结构冻胀时形成的裂缝在融化时闭合，产生融化沉降；同时冻土在融化过程中未冻水含量随地温的升高而增加，直至达到相变温度点，冰全部变成孔隙水，当未冻水含量增加到足以摆脱静电作用时，土体便在重力和上覆荷载的作用下发生排水固结，土颗粒运动，孔隙度变小而压密，产生固结沉降。由2号桩桩周土体未冻水含量分布的原因分析来看，由于填土埋桩时桩周土体的水分向桩侧迁移并冻结，使得离桩近的土体含冰量大，在融化过程中，同一深度桩距小的土体中的冰完全融化产生的体积变形会比桩距大的土体大，桩距小的土体冻胀时形成的裂缝更大，在融化时闭合产生融化沉降的量更大；同时桩距小的冻土在融化过程中未冻水含量随地温的升高而增加，达到相变冰点时土体在重力和上覆荷载的作用下发生排水固结的量更大，使得离桩近的土体自由融沉量更大。因此，2号桩桩周土体的自由融沉量为1倍桩距＞2倍桩距＞3倍桩距。而桩周土体的冻胀量为土体自由融沉量与桩对土体融沉的约束的差值，而桩的约束作用为1倍桩距＞2倍桩距＞3倍桩距。由图5.2的最终融沉量规律可知，在1～2倍桩距内，桩的约束作用大于土体的自由融沉作用，最终融沉量表现为离桩越近的土体融沉量越小；2～3倍桩距及3倍桩距之外处桩的约束作用小于土体的自由融沉作用，最终融沉量表现为离桩越近的土体融沉量越大。融化过程中桩周土体的融沉机理示意图如图5.12所示。
在土体冻结过程中，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，桩周土体中产生横向的温度梯度，同时桩土界面处因温度降低产生一层冰膜，冰晶对未冻区的水产生抽吸力，使水向冰膜迁移并在遇到冰膜时冻结，冰膜不断横向扩张形成冷锋面，桩周未冻区水分不断向桩侧迁移，导致桩周土体中冰晶体聚集。而土体的冻胀分为原位冻胀和分凝冻胀，由于分凝冻胀的量远大于原位冻胀，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。因此，2号桩桩周土体的自由冻胀量为1倍桩距＞2倍桩距＞3倍桩距。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，而桩的约束作用为1倍桩距＞2倍桩距＞3倍桩距。由图5.10的最终冻胀量规律可知，在1～2倍桩距内，桩的约束作用大于土体的自由冻胀作用，最终冻胀量表现为离桩越近的土体冻胀量越小；2～3倍桩距及3倍桩距之外处桩的约束作用小于土体的自由冻胀作用，最终冻胀量表现为离桩越近的土体冻胀量越大。冻结过程中桩周土体的冻胀机理示意图如图5.13所示。
图5.12 融化过程中桩周土体的融沉机理(www.xing528.com)
图5.13 冻结过程中桩周土体的冻胀机理
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