风积沙工程特性及实践研究

冻土是一种温度低于0℃且含有冰的土，它是一种特殊土类。其特殊性主要表现在它的性质与温度密切相关。常规土类的性质主要受其颗粒的矿物成分、密度和含水量的控制，只要这些因素确定，土的性质就基本稳定，因此多半表现为静态特性。而冻土是一种对温度十分敏感且性质不稳定的土体，它的特性除与上述因素有关外，还受含冰量的控制，含冰量直接与温度挂钩，温度升高含冰量减少，温度降低含冰量增加。在人类生产活动的深度范围内，由于气候季节的变化，引起土温的变化是不可避免的，因此冻土的性质随时都在变化，表现为动态特性。我国多年冻土的分布面积约占世界多年冻土分布面积的10%，占我国国土面积的21.5%，季节性冻土分布面积占国土面积的53.5%，是世界第三冻土大国。冻土对道路、桥梁的危害主要表现在：不均匀的冻胀使路面隆起，当气温升高时路基强度显著降低，产生融化下沉，使路面破坏；对于埋置于冻土中的桩基础，由于冻土对桩基不均匀的切向冻胀力，可能使桩基础产生过大的纵向挠曲变形，甚至拔起破坏。

冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀。孔隙水原位冻结，造成体积增大9%，而由外界水分补给并在土中迁移至某个位置冻结，则体积增大1.09倍。所以开放系统饱和土中分凝冻胀是构成土体冻胀的主要分量。分凝冻胀的机理应包括两个物理过程：土中水分迁移和成冰作用。一般条件下，土体的冻胀程度主要取决于水分迁移通量q。假设达西定律仍然适用于冻土中水分迁移流，则一维条件下水分迁移通量q可用式（5-7）表示：

式中　kw——冻土的导湿系数；

　　　——土水势梯度。

在不同的初试和边界条件下，土水势梯度可分别由重力势、压力势、渗压势、温度势、电力势和磁力势梯度中某一项或几项之和组成。

地基的冻胀性取决于土、水、温、压四个要素，其中地基土质是决定地基冻胀敏感性的内部因素，而水分、温度和压力则是地基冻胀敏感性的外部因素。土质不同，对于冻结时的水分迁移量及冻胀的影响是不同的。在黏土中特别是极细碎的黏土中，仅有轻微的水分迁移和冰析出，几乎不发生冻胀；而在粉质成分的黏土中（粒径从0.05～0.002mm的颗粒大于60%）可发生最强烈的迁移和冻胀，因此这种土被划分为最具冻害的冻胀性土；砾石土一般认为不具冻胀，但当有更细的充填物或由于长时间灌入泥浆的结果，在冻结时会发生剧烈的冻胀变形。因此土的冻胀与否在很大程度上是有条件的。在自然条件下，当土中水分、冻结条件相同时，各类土的冻胀性大致有如下顺序：粉质黏土＞重黏土＞砂土＞砂砾石。粉性土具有最强的冻胀性，最容易形成翻浆，这种土的毛细水上升较高且快，在负温度作用下水分易于迁移，如果水源供给充足可形成特别严重的冻胀，在春融时路基承载能力急剧下降，易形成翻浆。黏性土的毛细水上升虽高，但速度较慢，只有在水源供给充足且冻结速度缓慢的情况下才能形成比较严重的冻胀和翻浆，当填筑材料粒径较大时，一般情况下不易引起冻胀与翻浆，且在饱水情况下也能保持较高的强度，只有当粉黏性土含量超过一定量以后，冻胀明显增加，才能形成冻胀和翻浆。

土的粒径与土的冻胀性关系为，土颗粒粒径d＞0.1mm时，即使是饱和土，冻结时也不发生水分迁移和冻胀。国外研究资料认为，在粗粒土中，当存在d＜0.074mm的细粒土时会发生水分迁移和冻胀；d=0.1～0.05mm的纯净砂属于弱冻胀性土。国内实际研究资料表明，d＜0.05mm的粉黏粒含量大于12%的粗粒土被认为是产生水分迁移和冻胀的临界值。d=0.05～0.002mm时，土中水分迁移剧烈，土具有强冻胀性。当d＜0.002mm时土冻结时的水分迁移和冻胀现象反而减弱。

土的分散性也是反映土冻胀性的重要指标。它表示土颗粒成分、尺寸、形状结构特性以及它们之间的组合关系，同时与水分的迁移密切相关。一般来说，粗粒土的冻胀性小于细粒土，但并不是绝对的，当粒径大于0.1mm，在无粉、黏颗粒充填的情况下，表面能很低，表面吸附作用几乎没有，很难形成薄膜机构或毛细机构，冻胀性很小；当粒径尺寸为0.1～0.05mm的细砂时，就是饱和水状态下冻结，冻胀性也很小；但当粒径处于0.05～0.005mm时，土具有最大的冻胀性；当粒径小于0.005mm或更小时，因为颗粒的分散性极大，表面能相当高，土中水多为土粒强烈束缚，强吸附水量增大。如果这种粒径的含量超过50%，因土中孔隙过小，造成了水流通路的阻塞，形成不透水的隔离层使水迁移困难，则冻胀性急剧减小，故土的分散性对冻胀影响最严重。

冻胀与翻浆的过程实质上就是水在路基中迁移、相变的过程。路基附近的地表水及浅地下水提供充足的水源，是形成冻胀与翻浆的重要条件。(www.xing528.com)

试验采用的两种沙样的粒径绝大部分处于0.025～0.074mm（南疆占89.5%，北疆占96.4%），因此可确定风积沙为弱冻胀性土。

1）冻胀试验

（1）仪器及试验方法、试验方案。该试验采用的仪器及试验方法与盐胀试验一致。试样的干密度为重型击实条件下的最大干密度，含水量为重型击实条件下的最佳含水量增加2%。

（2）试验结果见表5-7及图5-13。

表5-7　冻胀试验结果表

图5-13　冻胀量与温度的关系曲线

2）试验结果分析

从试验结果可看到，两种沙样的冻胀量都很小。这是因为外界水分的补给是造成土体严重冻胀的重要因素，在封闭系统的冻胀试验条件下，由于没有外界水源的供给，所测得的冻胀量是原位冻胀量，与有水源供给条件下的分凝冻胀相比很小。另外，在未冻状态下，土水势相同时，土的持水能力为黏粒＞粉粒＞砂粒；冻结状态下，负温相同时，未冻水含量为黏粒＞粉粒＞砂粒，而导热系数为粉粒＞黏粒＞砂粒。从而导致其他条件相同的情况下，粉粒含量低的土冻胀量小。已有的研究表明，当粉黏粒的含量小于12%时，即使在充分饱和的条件下，冻胀率也不大于2%，当粉黏粒的含量大于12%后，冻胀率明显增大。因此对于粉黏粒含量很小的塔克拉玛干沙漠腹地风积沙及古尔班通古特沙漠腹地风积沙来说，其冻胀量也较小；塔克拉玛干沙漠腹地风积沙的粉黏粒含量较古尔班通古特沙漠腹地风积沙大，因而塔克拉玛干沙漠腹地风积沙的冻胀量也较大。