应用技术 Ｉ■ Ｃｈｉｎａ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｖｉｅｗ 多年冻土的力学性质与多年冻土区冻胀危害的分析 耿贽于淼杨飞江苏顾懋祺 徐州２２１ｕ６） （中国矿业大学资源与地球科学学院［摘 要］冻土在我国分布比较的广泛，而且近年来冻土基础出现的问题也越来越多，本文对多年冻土的力学性质进行了分析，对多年冻土基础破坏 问题所造成的危害进行了分析。 ［关键词］多年冻土 抗压强度 抗剪强度 冻胀危害 中图分类号：ＴＵ４４５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—９１４Ｘ（２０１０）０９—０２８２一Ｏ１ １前言 冻土是指含有冰的土，它是一种对温度极为敏感的土体，含有丰富的 地下水。作为建筑物地基的冻土，根据持续时间可以分为三类： １． 瞬间冻土，冻结时间小于一个月，一般为数天或几个小时，冻结 深度从几毫米到几十毫米。 ２．季节冻土，冻结时间大于一个月，冻结深度从几十毫米到１～２米。 ３． 多年冻土，冻结时间连续三年或三年之上。 ２多年冻土的抗压强度与抗剪强度 ２．１抗压强度 多年冻土是由于冰的胶结作用所形成的，其表现出来的力学性质与未冻 结土是不同的。冻土的抗压强度比未冻土大很多倍，且与温度和含水量有关。 一般冻土的抗压强度随温度的降低而增大，这是因为温度降低时不但含水量 增加，而且冰的强度也增大的缘故。在～定的负温度下，冻土的抗压强度随 含水量的增加而增加。因为含水量越大，起胶结作用的冰也越多；但如果含 水量过大时，其抗压强度却逐渐减小趋于某个固定值。如果多年冻土在长期 载荷下，其极限抗压强度比瞬间载荷作用下的抗压强度要小得多。在选用地 基容许承载力时必须考虑到这一点。同时，由于冻土中有冰和未冻结的水存 在，在长期载荷作用下有强烈的流变性。 ２ ２抗剪强度 多年冻土的抗剪强度的性质与抗压强度相类似，在长期载荷下的抗剪强 度要比瞬间载荷下的抗剪强度小得多。此外，由于冻土的内摩擦角较小，可 以把冻土的粘滞力看作为零，即中＝０。 在多年冻土区，由于冻土融化，会使抗剪强度和抗压强度有明显下降。特 别是对于含冰量很大的冻土，融化后，其强度降低很大。所以在多年冻土区， 由于修建各种建筑物引起的融化，将会造成严重的事故。 冻土抗剪强度随着土温降低而增高，其实测粘聚力与土温关系曲线可大致 以直线表示。其中粘土、亚粘土对土温的反映不灵敏，曲线比较平缓。 ３冻土的压缩性质 多年冻土，在短期荷载作用下，其压缩性很低，类似岩石，故一般不计其变 形。当在长期荷载作用下，冻土的变形量增加，尤其是温度为０．１～一０． ５℃的塑性冻土，其压缩变形相当大。在这种情况下，必须考虑冻土地基的 压缩变形。 多年冻土融化后，土的固有结构被破坏，这样就能使融化了的冻土变 成高压缩性和稀释的土体，能产生很大的变形。这也是多年冻土地区地基 融陷的原因。在将多年冻土层近似地视为不可压缩层的条件下，从冻土在 承受不同大小的载荷时融化前与融化后的孔隙比的对比中，可以得到冻土地 基的融陷变形由两部分组成，一部分是与压力有关：而另一部分与压力无关。 ４影响冻胀的主要因素 多年冻土区在季节融化层冻结过程中，对埋藏在其中的桥涵基础将产生 冻胀力，在冻胀力的作用下，经常会出现桩基础上拔变形，导致建筑物冻胀上 隆：路基则出现整体或局部抬起和路基两侧的隆起变形。 土冻胀时体积的膨胀作用，除土中原有的水分冻结成冰体积膨胀外， 主要是土冻结过程中，水分向冻结锋面迁移冻胀所致，这种现象称为土的 冻胀作用，简称冻胀。冻胀深度的分布是不均匀的，在多年冻土区，土的最 大冻胀率出现在地表下三分之一处的冻结深度处。 影响冻胀的主要因素是： ４．１土的因素 细粒土在冻结时水分迁移积聚最为强烈，冻胀现象比较的严重。相 反，粗粒土的毛细空隙较小，对水分迁移的阻力很大，没有通畅的水源补给 通道，所以其冻胀性比较小。 ４．２水的因素 土层发生冻胀的原因是水分的迁移和积聚，因此，当冻土区附近的地下 水比较的高，土体中含水量比较大，其冻胀现象比较的严重；而当冻土中的 含水量较小且小于某一值时，土的冻胀率为零。 ２８２ ｌ科技博览 ４．３温度的因素 如果气温骤降且冷却强度很大时，土的冻结迅速向下推移，即冻结速 度很快，这时毛细通道被冰晶体所堵塞，水分的迁移和积聚不会发生，这 样的条件下冻土一般无明显的冻胀现象：相反，如果气温缓慢下降，冷却 强度小，这时的冻土会出现明显的冻胀现象。 ５冻胀力的分类及危害 当建筑物的重量和附加载荷不足以与冻土中的冻胀力相平衡时，建筑物 将在冻胀力的作用下产生冻胀变形，严重时将会引起建筑物的破坏。依据 冻胀力的作用于基础表面的位置和方向，可分为三类：（ａ）水平冻胀力； （ｂ）法向冻胀力；（ｃ）切向冻胀力。如下图所示。 ｒ－ ５．１水平冻胀力的危害 有两种，一种是水平对称冻胀力，它对结构没有直接的影响：另一种是水平 非对称冻胀力，它的作用常常大于冻土主压力的几倍或几十倍，由于它的作用， 使按库仑理论和朗肯理论设计的严寒地区的建筑物产生倾斜、水平位移、断 裂、剪断、基础过大的变形等。 ５．２法向冻胀力和切向冻胀力共同作用下对结构的危害 法向冻胀力是基础底面下的持力层地基土受冻膨胀向上产生的应力：切 向冻胀力是土受冻膨胀，挤压基础侧壁而产生的向上的力。由于这种力的 作用， 使基础上升， 破坏原来的结构。比如桩、墩台上拔或断裂等。无 论是水平冻胀力还是法向和切向冻胀力，力的大小都是由地基土的类别、含 水量、温度和基础的刚度、外形等因素决定的，因此，这些因素也是对结 构产生危害的主要原因。 结语 多年冻土的强度与温度有关，随着温度的降低，冻土的强度逐渐增大，最后 趋于稳定。冻土的强度与含水量有关，随含水量的增加，强度在增大，增大到 一定数值后，随着含水量继续增大强度减小，最后趋于一稳定值，即接近纯冰的 强度。 影响多年冻土冻胀的因素主要有三个方面：土的因素；水的因素； 温度的因素。 冻胀力可以分为：水平冻胀力、法向冻胀力和切向冻胀力。在水平 冻胀力的作用下，可使建筑物产生倾斜、断裂、剪断等破坏；在法向冻 胀力和切向冻胀力共同作用下，会导致基础上拔， 破坏原结构。 参考文献 ［１］Ｈ．Ａ．崔托维奇．冻土力学［Ｍ］．科学出版社，１９８５． ［２］孙亮，祝进兵，卢雪松，汪飞．多年冻土区冻胀的危害与防治措施［Ｊ］． 中国水运，２００７，１． ［３］刘红军，程显春，马介峰．多年冻土的力学性质［Ｊ］．东北林业大学学 报．２００５，３． ［４］高大钊，袁聚云．土力学与土质学（第三版）［Ｍ］．人民交通出版社． ２００７，７．
