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，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。通過對凍土性質(zhì)的研究，對凍土的破壞機(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?？紫端膬鼋Y(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，人類活動相對較頻繁。同時，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)凍土的活動層不斷增厚，形成了融化夾層，同時夾層不凍結(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，同時凍結(jié)和融化過程中水和熱相互作用，溫度升高時地溫升高，土體融化，溫度降低時土體凍結(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。