影響土體凍脹的幾個(gè)因素

李紅衛(wèi)，姜連杰，劉 偉

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江大慶163316)

土在凍結(jié)過程中水分和水分遷移是產(chǎn)生凍脹的直接因素，而水分遷移的強(qiáng)弱又與土體的本身性質(zhì)有關(guān)，如土體顆粒大小、礦物成分、土體密度、滲透性等等，還與凍結(jié)條件有關(guān)、如凍結(jié)指數(shù)大、負(fù)溫變化過程等。改變其中一項(xiàng)主要影響因素則可取得消減或消除土體凍脹的效果。這里提出防治建筑物因地基凍脹發(fā)生破壞的措施的依據(jù)。

1 土的主要物理、化學(xué)性質(zhì)對(duì)土凍脹性的影響

1.1 土的粒徑與土體凍脹性關(guān)系

土顆粒大小對(duì)土體凍脹性影響顯著，土顆粒大小反映土粒比表面積大小，土顆粒愈小比表面積愈大，與水相互作用的能量也愈高，影響水分遷移能力愈強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果表明:土的粒徑與土體凍脹性關(guān)系如下:

土顆粒粒徑d＞0.1 mm時(shí)，既使是飽和土，凍結(jié)時(shí)也不發(fā)生水分遷移，國(guó)外資料認(rèn)為;在粗粒土中，當(dāng)d＜0.074 mm的細(xì)粒土發(fā)生水分遷移;d=0.1－0.5 mm的純凈砂，凍結(jié)系數(shù)η=1.14－1.4%，屬于弱凍脹性土。我國(guó)蘭州冰川凍土研究所的實(shí)驗(yàn)資料表明，d＜0.05 mm的粉黏粒含量＞12%的粗粒土凍結(jié)時(shí)η=1.5% ～1.8%，認(rèn)為是產(chǎn)生水分遷移的臨界尺寸。

實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)d=0.05－0.002 mm時(shí)，土中水分遷移劇烈，土具有強(qiáng)凍脹性，為d＜0.002 mm時(shí)的土凍結(jié)時(shí)的水遷移現(xiàn)象反而減弱。當(dāng)土中水分，凍結(jié)條件相同時(shí)，各類土的凍脹性大致按下列順序排列;亞砂土＞亞黏土＞黏土＞礫石土(＜0.05 mm粒徑的含量不超過12%)＞粗砂＞砂礫石。

1.2 土的礦物成分對(duì)凍脹的影響

一定大小的粒組、反映出一定的礦物成分。礦物不同，表面活化能不同、與水分子的作用能力也不同。單質(zhì)黏土凍脹性依次為，高嶺土＞伊利土＞蒙托土，這些礦物與各種粒徑摻合后，其凍脹性也基本如此。此外土的級(jí)配密度、對(duì)凍脹性的影響也不可忽視。因密度大小直接影響孔隙水含量、影響土的滲透性，影響水分遷移。試驗(yàn)證明，當(dāng)土的密度＞1.6 g/cm3時(shí)地基土不會(huì)產(chǎn)生顯著凍脹。因此，采用提高土體密度的壓實(shí)措施，可以防止地基凍脹。

2 水分對(duì)土凍脹性的影響

土中水分的多少是引起土體凍脹的主要因素之一。地表土層中的水分主要來自地表水的滲入和地下水的補(bǔ)給兩個(gè)方面。地表水源是大氣降水及河道，灌溉和排水渠系中水的滲透補(bǔ)充土體中的水分;地下水是通過土壤的毛細(xì)管作用不斷補(bǔ)充土體中的水分。如果在土體凍結(jié)前能排出土體中水分和隔斷地下水和補(bǔ)給水分，即可達(dá)到防治土體凍脹的效果。

土體在凍結(jié)過程不會(huì)導(dǎo)致地下水遷移補(bǔ)給造成凍脹的最小距離，用土體凍結(jié)鋒面至地下水位間的最小垂直距離來判斷。當(dāng)不同土質(zhì)的凍結(jié)封面與地下水位間的最小距離超過表1的要求時(shí)，一般可以判定土體有輕微的凍脹或不凍脹。

黏 土 壤 土 砂壤土 砂 土2.0 1.8 1.0 0.5

試驗(yàn)與實(shí)踐工程證明，并非所有含水的土體凍結(jié)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生凍脹，只有當(dāng)土中的水分超過一定界限值之后才產(chǎn)生凍脹。通常將這個(gè)界限含水量稱之為起始凍脹含水量。當(dāng)土體凍脹系數(shù)η≤1%，對(duì)建筑物的穩(wěn)定性不會(huì)產(chǎn)生明顯影響的含水量，稱之為安全凍脹含水量。幾種典型土的起始凍脹及安全凍脹含水量見表2。

土名含水量 黏 土 亞黏土 亞砂土 亞砂土塑限含水量W p/%起始凍脹含水量W 0/%安全凍脹含水量W 0/%1 9.0～1 5.7 1 3.0～1 2.0 2 0.5～1 7.0 2 1.0 1 8.0 2 2.0 1 0.5 1 0.0 1 3.0 1 0.2 8.0 1 2.0

3 凍結(jié)條件對(duì)土凍脹性的影響

負(fù)溫度是引起凍脹的必要條件。由于土中水的多種存在形式，在不同土質(zhì)中水的凍結(jié)溫度也不相同。許多研究資料都指出，對(duì)于砂或無細(xì)粒充填物的粗粒徑土，當(dāng)土體溫度達(dá)到起始凍結(jié)溫度時(shí)，土中水就基本結(jié)晶成冰了，而對(duì)分散性大的細(xì)粒土卻遠(yuǎn)非如此。試驗(yàn)資料證實(shí)，在其他條件相同時(shí)，未凍水的數(shù)量是負(fù)溫度的單值函數(shù)。凍土中冰與未凍水的動(dòng)平衡規(guī)律不僅與凍土的力學(xué)特性密切相關(guān)，而且在計(jì)算凍土的析冰膨脹時(shí)，也是不可缺少的重要物理指標(biāo)。

不僅原駐水相變成冰時(shí)溫度對(duì)土體凍脹有影響，而溫度對(duì)引起土體強(qiáng)烈凍脹的水分遷移現(xiàn)象的影響就更加顯著了。許多試驗(yàn)資料指出，如果土的凍結(jié)速率過快，水分來不及遷移，將導(dǎo)致凍脹率降低。如我國(guó)科學(xué)院冰川凍土研究所在不同凍結(jié)速率對(duì)凍脹量的影響試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，凍結(jié)速率緩慢，有利于水分的遷移、其凍脹量加大，但過于緩慢凍脹量將變小。

由此可見，不僅冷凍溫度梯度過小，使水分遷移變緩，而凍結(jié)速率太快，水分來不及遷移時(shí)也會(huì)影響土的凍脹性。

[1]高大釗.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.