冻土的破坏机理

刘宏杰 高 艺

（陕西铁路工程职业技术学院， 陕西 渭南 741000）

冻土指温度在零度以下时，土体中便有了冰的存在，冻土是含有冰的岩石，冻土根据含冰量的不同分为少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土以及含土冰层。通过对冻土性质的研究，对冻土的破坏机理进行分析，从而采取相应措施提高冻土路基的稳定性。

1 冻土性质的研究

冻土是指当温度在零度以下时含水的松散岩石和土体中开始有冰的存在。土体冻结的主要标志时土体中冰的存在，即含冰的岩土称为冻土，不寒冰的土称为寒土。因此可以认为，含冰的“岩石”即为冻土，在零度以下时具有特定的岩石的工程特性，其强度类似于混凝土强度。未冻水的数量与冻土的温度、分散度以及矿物颗粒的成分有关。多年冻土具有特殊的性质是冰与水的共存所赋予的。

土体冻结的过程就是土体空隙中的水冻结为冰的过程。孔隙水的冻结伴随着物理和化学的反映过程，如水分迁移、例如矿物颗粒间的水胶变成冰胶同时伴随着水分迁移和体积膨胀等变化。冻土的基本成分主要包括气体、水、冰和颗粒，即冻土是由矿物颗粒（有机物颗粒）、气体（水蒸气和空气）、冰（冰包裹体和胶结冰）、未冻冰（强结合水、弱结合水） 组成的四相体系。这些基本的组成结构决定了冻土的性质以及多年冻土的一些特殊性质。

2 冻土的分类

自上世纪70 年代以来，全球变暖气温回升，人类活动相对较频繁。同时，多年冻土受到地表植物、水分及日照的影响，使得全球大部分多年冻土地温升高，冻土环境发生变化，地温的变化使得高原多年冻土出现了持续退化的现象，冻土上限持续下降，季节冻土的活动层不断增厚，形成了融化夹层，同时夹层不冻结，路基的天然蒸发通道阻断，使得冻土路基上限持续下降的速率增大。同时随着地温的升高，多年冻土路基病害更是雪上加霜，如翻浆、不均匀沉降、冻融裂缝等现象常有发生。因此，在升温的背景下，展开对多年冻土路基变形规律的研究具有重要的意义。

表1 冻土的含冰量分类表

3 冻土的破坏机理

多年冻土地区，温度的变化引起土体中温度的变化，同时冻结和融化过程中水和热相互作用，温度升高时地温升高，土体融化，温度降低时土体冻结，热融和冻胀相互转化，寒冷的气候条件和多年冻土的存在，以及冻结和融化过程中的水、热相互作用，因此冻土破坏分为热融沉陷和冻胀破坏。

1） 冻土融沉机理，夏季气候变暖气温升高，土体中的冰开始融化，由于外界温度的升高，土体中的冰开始融化，由固态变为液态体积减小，融化的水渗入土体，地基发生沉降。在冻结状态下，土体主要受到冻胀力和重力的作用，并在各种力的作用下土颗粒处于平衡状态，随着温度升高，土体中的冰融化为水，土体中的冻胀力消失而土颗粒只受到重力作用而发生压密变形，土体沉降量增大。2） 冻土膨胀机理， 冻胀即多年冻土上的活动层，每年寒冬季节，由于温度的降低，土中水分冻结，水由液体变为固体产生体积膨胀，使土体体积增大膨胀。冻胀是冻土区普遍存在的现象，冬季气温降低，温度一般在零摄氏度以下，土体中的水由上而下逐渐结冰，通水土中水受温度梯度和毛细管理论的作用，土体中的水逐渐向结冰面迁移，冰的体积不断增大，直到冰的体积大于土颗粒之间的空隙时冻胀力产生，土体发生冻胀变形是由于冻胀力大于土体内聚力和重力土导产生的。