凍土的破壞機(jī)理

劉宏杰 高 藝

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 741000）

凍土指溫度在零度以下時(shí)，土體中便有了冰的存在，凍土是含有冰的巖石，凍土根據(jù)含冰量的不同分為少冰凍土、多冰凍土、富冰凍土、飽冰凍土以及含土冰層。通過對(duì)凍土性質(zhì)的研究，對(duì)凍土的破壞機(jī)理進(jìn)行分析，從而采取相應(yīng)措施提高凍土路基的穩(wěn)定性。

1 凍土性質(zhì)的研究

凍土是指當(dāng)溫度在零度以下時(shí)含水的松散巖石和土體中開始有冰的存在。土體凍結(jié)的主要標(biāo)志時(shí)土體中冰的存在，即含冰的巖土稱為凍土，不寒冰的土稱為寒土。因此可以認(rèn)為，含冰的“巖石”即為凍土，在零度以下時(shí)具有特定的巖石的工程特性，其強(qiáng)度類似于混凝土強(qiáng)度。未凍水的數(shù)量與凍土的溫度、分散度以及礦物顆粒的成分有關(guān)。多年凍土具有特殊的性質(zhì)是冰與水的共存所賦予的。

土體凍結(jié)的過程就是土體空隙中的水凍結(jié)為冰的過程。孔隙水的凍結(jié)伴隨著物理和化學(xué)的反映過程，如水分遷移、例如礦物顆粒間的水膠變成冰膠同時(shí)伴隨著水分遷移和體積膨脹等變化。凍土的基本成分主要包括氣體、水、冰和顆粒，即凍土是由礦物顆粒（有機(jī)物顆粒）、氣體（水蒸氣和空氣）、冰（冰包裹體和膠結(jié)冰）、未凍冰（強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水） 組成的四相體系。這些基本的組成結(jié)構(gòu)決定了凍土的性質(zhì)以及多年凍土的一些特殊性質(zhì)。

2 凍土的分類

自上世紀(jì)70 年代以來，全球變暖氣溫回升，人類活動(dòng)相對(duì)較頻繁。同時(shí)，多年凍土受到地表植物、水分及日照的影響，使得全球大部分多年凍土地溫升高，凍土環(huán)境發(fā)生變化，地溫的變化使得高原多年凍土出現(xiàn)了持續(xù)退化的現(xiàn)象，凍土上限持續(xù)下降，季節(jié)凍土的活動(dòng)層不斷增厚，形成了融化夾層，同時(shí)夾層不凍結(jié)，路基的天然蒸發(fā)通道阻斷，使得凍土路基上限持續(xù)下降的速率增大。同時(shí)隨著地溫的升高，多年凍土路基病害更是雪上加霜，如翻漿、不均勻沉降、凍融裂縫等現(xiàn)象常有發(fā)生。因此，在升溫的背景下，展開對(duì)多年凍土路基變形規(guī)律的研究具有重要的意義。

表1 凍土的含冰量分類表

3 凍土的破壞機(jī)理

多年凍土地區(qū)，溫度的變化引起土體中溫度的變化，同時(shí)凍結(jié)和融化過程中水和熱相互作用，溫度升高時(shí)地溫升高，土體融化，溫度降低時(shí)土體凍結(jié)，熱融和凍脹相互轉(zhuǎn)化，寒冷的氣候條件和多年凍土的存在，以及凍結(jié)和融化過程中的水、熱相互作用，因此凍土破壞分為熱融沉陷和凍脹破壞。

1） 凍土融沉機(jī)理，夏季氣候變暖氣溫升高，土體中的冰開始融化，由于外界溫度的升高，土體中的冰開始融化，由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)體積減小，融化的水滲入土體，地基發(fā)生沉降。在凍結(jié)狀態(tài)下，土體主要受到凍脹力和重力的作用，并在各種力的作用下土顆粒處于平衡狀態(tài)，隨著溫度升高，土體中的冰融化為水，土體中的凍脹力消失而土顆粒只受到重力作用而發(fā)生壓密變形，土體沉降量增大。2） 凍土膨脹機(jī)理， 凍脹即多年凍土上的活動(dòng)層，每年寒冬季節(jié)，由于溫度的降低，土中水分凍結(jié)，水由液體變?yōu)楣腆w產(chǎn)生體積膨脹，使土體體積增大膨脹。凍脹是凍土區(qū)普遍存在的現(xiàn)象，冬季氣溫降低，溫度一般在零攝氏度以下，土體中的水由上而下逐漸結(jié)冰，通水土中水受溫度梯度和毛細(xì)管理論的作用，土體中的水逐漸向結(jié)冰面遷移，冰的體積不斷增大，直到冰的體積大于土顆粒之間的空隙時(shí)凍脹力產(chǎn)生，土體發(fā)生凍脹變形是由于凍脹力大于土體內(nèi)聚力和重力土導(dǎo)產(chǎn)生的。