冻胀知识

冻胀知识

水变成冰后，体积约增大9%，同时产生约2500千克每平方厘米的冰胀应力。这个应力值常常大于水泥石内部形成的初期强度值，使混凝土受到不同程度的破坏（即旱期受冻破坏）而降低强度。此外，当水变成冰后，还会在骨料和钢筋表面上产生颗粒较大的冰凌，减弱水泥浆与骨料和钢筋的粘结力，从而影响混凝土的抗压强度。当冰凌融化后，又会在混凝土内部形成各种各样的空隙，而降低混凝土的密实性及耐久性。

在寒冷地区，铺筑高级路面的道路或砂石路面及其附属构造物、隧道、挡土墙、人行道和坡面等。由于土或岩石中产生的冻胀作用，常常使这些构造遭受较大的破坏。土所产生的冻胀引起道路的冻害。造成道路破损，因而影响车辆的通行，降低道路的使用寿命。

所谓的道路冻胀，主要是冬季在路基土中沿着温度的降低方向生成了冰晶体形状的霜柱，使路面产生隆起的一种现象。隧道侧墙的破坏主要由于土中霜柱的作用使土体沿冷却方向的横向产生冻胀，从而使隧道的侧壁，向冷空气侵入的隧道中心轴方向推移，因而沿着侧墙部分的水平方向产生了作用力。坡面上的冻胀作用是沿着垂直方向发生的。冻胀作用使道路产生的破坏状态在中央部分冻胀量最大，因而沿路面中心线的纵断方向上产生纵向裂缝。这种冻胀破坏与冬季期间道路除雪情况以及路面施工接缝情况有密切关系。施工时在路面中心如果

有接缝，则接缝处水平方向的抗拉强度比路面其他部分要小。

冻胀现象已经成为道路产生破坏的一种形式。在春融期，由于路基土中冰晶体的融解，又成为土基或垫层承载力降低的原因。对砂石路，春融期间在荷载的作用下产生的翻浆现象，将会使道路出现严重病害。

为了防止上述的冻胀现象所引起的道路破坏，首先需要了解冻胀发生的机理，因此对引起道路冻害的一些因素，如土质、气温、土中水等要详细进行调查，特别是对防止道路等土木构造物产生冻胀作用采用的措施研究中，应注意易引起地基冻胀的土是否发生了冻结，因而确定土的冻结深度是非常必要的。另外，对道路附属构造物上部的填土是否会产生冻胀，也有必要进行确定。在那些寒冷地区，对冻结深度

的确定及其深度范围土的冻胀可能性的判断都成为冻胀调查的要点。

道路的冻害防止措施，当前主要采用置换法、隔温法及稳定土的处治方法等。一般情况下，所采取的措施从经济性、施工方便及可靠性方面考虑，主要采取非冻胀敏感的粒状材料置换冬季期间最大冻结深度约70%范围的置换法。但是，由于材质良好的置换材料造价较高，因

而采用了隔温法等一些特殊的防止措施。

冰冻季节因为大气负温的影响，土粒中水分冻结后就形成为冻土。在冻土地区,随着冻土的产生和融冻的发生而出现的一些现象就成为冻土现象。在冻土产生过程中，某些细粒土层在冻结过程中往往会发生土层体积的膨胀，膨胀使地面隆起成小丘，产生的这一现象就是所谓的

冻胀现象。

在道路中经常出现以下情况，如：天然地下水位较高；城市道路地下供水、排水管道的泄漏没有及时维修；路表水向路基中的渗透等。它们为冻胀提供了充足的水源，在形成毛细通道时就构成毛细水的上升，这是构成冰冻季节冻害的主要原因。当冰冻季节冻结时，土中水分向冻结区迁移并积聚，大气温度降到负温度的时候，道路土层温度也跟随降低到负温度，土颗粒孔隙中的自由水在0℃以下时，自由水首先冻结成冰晶体。随着气温的继续下降，周围未冻结区土中的水分会向表层冻结冰晶体迁移积聚，使冻结区土层中水分逐渐增大，冻结后的冰晶体也不断增大，只要冻结区周围还存在着水源(如：地下水距离冻结区很近、排水和供水管道泄漏未修复等)，并且还存在适当的水源补给通道(即：毛细通道)，能够源源不断地补充给冰冻体所需的水分，在这一不平衡的引力不间断地作用下，未冰冻区的水分不断地向冰冻区迁移积聚，使冰晶体不断扩大，在土层中形成冰夹层，由于水在由液态冻结后变成固态时体积会增大9%，因此，土层在冰夹层作用下

体积会发生膨胀，也就是冻胀。冻结区域冰晶体不断增大，不断吸引周围的水分，不断发生体积继续膨胀现象，一直继续到切断冰晶体所

需的补给水源，此时的水分继续迁移积聚、冰晶体继续增大才会停止。

在季节性冻土区，中、小桥的桩基础当桩周为冻胀或强冻胀时，桩常因周围土冻胀而上拔。使上部结构产生不均匀隆起甚至破坏，这是由切向冻胀力造成的因而在季节性冻土区，桩的设计既要满足桩的容许承载力要求，又要满足桩不上拔要求从199年嘟噜河流域近期防洪治涝工程中7排干10+060号桥、5十700号桥的设计可以看出，由于土质含水量大，使桩周为冻胀土或强冻胀土。桩的切向冻胀力值很大，

为满足桩不冻拔必须调整桩长。

水冻结后体积膨胀9%，实际上由于冻结过程中水分向冻结锋面迁移，土体冻结后的体积增加往往会大于原地水分冻结造成的体胀。

土中水冻结引起的土体膨胀现象。在天然情况下，土的不均匀冻胀可形成冻胀丘（见冰缘地貌）。土的冻胀产生极大的冻胀力。冻胀具有不均匀性，使建造物产生不均匀变形，这种不均匀变形一旦超过允许值，建造物就被破坏。

类型有3种：①一次冻胀,指分凝成冰面（见冻融时水分迁移）与冻结面一致时产生的冻胀，在自然界不多见。

②二次冻胀，指分凝成冰面与冻结面之间相隔一个冻结缘时产生的冻胀，在自然界最普遍。③三次冻胀，由冻土中水

分重新分布引起的冻胀，在自然界普遍存在。

影响因素主要取决于土、水、温和力4个因素。

①土的条件。包括土的粒度成分、矿物成分、化学成分和密度等，其中最主要的是土的粒度成分。大的冻胀通常发生在细粒土中，其中粉质亚粘土和粉质亚砂土中的水分迁移最为强烈，因而冻胀性最强。粘土由于土粒间孔隙太小，水分迁移有很大阻力，冻胀性较小。砂砾，特别是粗砂和砾石，由于颗粒粗，表面能小，冻结时一般不产生水分迁移，所以不具冻胀性。细砂冻结时，水产生反向（即向未冻土方向）转移，出现排水现象。也不具冻胀性。在天然情况下，冻土粒度常是粗细混杂的，当粉粘粒（粒径小于0.05毫米）含量高于5％时,便具有冻胀性。冻土的矿物成分对冻胀性也有影响：在常见的粘土矿物中，高岭土的冻胀量最大,水云母次之,蒙脱石最小。冻土中的盐分也影响冻胀：通常在冻土中加入可溶盐可削弱，以致消除土的冻胀。土的密度对冻胀的影响较为复杂。

②水的条件。并非所有含水的土冻结时都会产生冻胀。只有当土中的水分超过某一界限值后，土的冻结才会产生冻胀。这个界限即为该土的起始冻胀含水量。当土体含水量小于其起始冻胀含水量时，土中有足够的孔隙容纳未冻水和冰，冰结时没有冻胀。按有无水分的补给，划分为两种冻胀：封闭系统冻胀，在冻结过程中没有外来水分补给，冻胀形成的冰层较薄,冻胀也较小;开敞系统冻胀，在冻结过程中有外来水分补给，冻胀形成的冰层厚，产生强烈的冻胀。在天然情况下，水分补给主要来源于大气降水和地下水。秋末降水多，冬季土的冻胀量就大；地下水位越浅，土的冻

胀量也越大。

③温度条件。土的冻胀开始于某一温度，称为起始冻胀温度，其值略低于该土的起始冻结温度。当温度低于起始冻胀温度时,由于冻土中未冻水继续冻结成冰,土体仍有冻胀。当温度继续降低至某一值时，在封闭系统中未冻水结成