土的凍脹

土的凍脹

水凍結後體積膨脹9%,實際上由於凍結過程中水分向凍結鋒面遷移,土體凍結後的體積增加往往會大於原地水分凍結造成的體脹。

土的凍脹

正文

土中水凍結引起的土體膨脹現象。在天然情況下,土的不均勻凍脹可形成凍脹丘(見冰緣地貌)。土的凍脹產生極大的凍脹力。凍脹具有不均勻性,使建造物產生不均勻變形,這種不均勻變形一旦超過允許值,建造物就被破壞。
類型 有3種:①一次凍脹,指分凝成冰面(見凍融時水分遷移)與凍結面一致時產生的凍脹,在自然界不多見。②二次凍脹,指分凝成冰面與凍結面之間相隔一個凍結緣時產生的凍脹,在自然界最普遍。③三次凍脹,由凍土中水分重新分布引起的凍脹,在自然界普遍存在。
影響因素 主要取決於土、水、溫和力 4個因素。
①土的條件。包括土的粒度成分、礦物成分、化學成分和密度等,其中最主要的是土的粒度成分。大的凍脹通常發生在細粒土中,其中粉質亞粘土和粉質亞砂土中的水分遷移最為強烈,因而凍脹性最強。粘土由於土粒間孔隙太小,水分遷移有很大阻力,凍脹性較小。砂礫,特別是粗砂和礫石,由於顆粒粗,表面能小,凍結時一般不產生水分遷移,所以不具凍脹性。細砂凍結時,水產生反向(即向未凍土方向)轉移,出現排水現象。也不具凍脹性。在天然情況下,凍土粒度常是粗細混雜的,當粉粘粒(粒徑小於0.05毫米)含量高於5%時,便具有凍脹性。凍土的礦物成分對凍脹性也有影響:在常見的粘土礦物中,高嶺土的凍脹量最大,水雲母次之,蒙脫石最小。凍土中的鹽分也影響凍脹:通常在凍土中加入可溶鹽可削弱,以致消除土的凍脹。土的密度對凍脹的影響較為複雜。
②水的條件。並非所有含水的土凍結時都會產生凍脹。只有當土中的水分超過某一界限值後,土的凍結才會產生凍脹。這個界限即為該土的起始凍脹含水量。當土體含水量小於其起始凍脹含水量時,土中有足夠的孔隙容納未凍水和冰,冰結時沒有凍脹。按有無水分的補給,劃分為兩種凍脹:封閉系統凍脹,在凍結過程中沒有外來水分補給,凍脹形成的冰層較薄,凍脹也較小;開敞系統凍脹,在凍結過程中有外來水分補給,凍脹形成的冰層厚,產生強烈的凍脹。在天然情況下,水分補給主要來源於大氣降水和地下水。秋末降水多,冬季土的凍脹量就大;地下水位越淺,土的凍脹量也越大。
③溫度條件。土的凍脹開始於某一溫度,稱為起始凍脹溫度,其值略低於該土的起始凍結溫度。當溫度低於起始凍脹溫度時,由於凍土中未凍水繼續凍結成冰,土體仍有凍脹。當溫度繼續降低至某一值時,在封閉系統中未凍水結成凍的數量已可忽略不計,土體不再凍脹,該溫度值稱為停止凍脹溫度。粘土的停止凍脹溫度為-8~-10℃,亞粘土為-5~-7℃,亞砂土為-3~-5℃,砂土為-2℃左右。凍結速度對凍脹也有影響:冷卻強度大時,凍結面迅速向未凍部分推移,未凍部分的水來不及向凍結面遷移就在原地凍結成冰,無明顯凍脹;冷卻強度小時,凍結面推移慢,未凍水克服沿途阻力後到分凝成冰面結冰,在外部水源補給下,凍結面向未凍部分推移越慢,形成的冰層越厚,凍脹也越大。
④壓力條件。增加外部荷載能降低土中水的起始凍結溫度,增加凍土中的未凍水含量,同時影響引起凍結時水分遷移的抽吸力,減少向凍結面的水分遷移量,從而減小凍脹。中止粘性土的凍脹需要極大的壓力,在實踐中目前很難做到。
參考書目
 童長江、管楓年:《土的凍脹與建築物凍害防治》,水利電力出版社,北京,1985。

配圖

土的凍脹土的凍脹

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