第3章土的冻胀及冻胀力

3.1 土的冻胀

土的冻胀是指土体冻结时，有足够的水变成冰，其体积增大到足以引起土颗粒产生相对位移，所造成地表隆起的现象。土体冻胀引起的物理-力学变化如下：

（1）水变成冰要放出潜热，延迟了土体冻结锋面向下推移的速度。

（2）冻结前矿物颗粒之间由水联结变成部分被冰晶所胶结，提高了土体抗压强。

（3）水变成冰体积增大约9%，这将引起土颗粒产生相对位移，造成地表隆起现象，即所谓土体发生了冻胀。

3.1.1 与土层冻结厚度有关的指标与概念

1.冻结深度H_f

冻结深度：简称冻深，指冬季地层中0℃等温面与冻结前原地表面的垂直距离，如图3.1所示。

图3.1 冻土层厚度与冻深的区别示意图

2.冻土层厚度H_m

冻土层厚度是指冻结后的地面高程与地层0℃等温面的高程差。如图3.1所示的H_m，实际上冻土层厚度包含冻结深度与冻胀量，即

3.工程地点天然设计冻深Z_d

工程设计冻深是指天然地表或设计地面高程算起的冻结深度，是工程抗冻技术的重要计算指标之一，可按式（3.2）～式（3.4）计算。

式中 Z_d——工程设计深度，m；

H_m——历年最大水深，m；

ψw——地下水修正系数；

ψ _d——日照及遮阴程度的影响系数。

地下水对冻深的影响系数ψ_w可按下式计算：

式中 Z_ω₀——当地或邻近气象台（站）的冻前地下水位深度，m。当黏土Z_ω₀＞3.0m、粉土Z_ω₀＞2.5m、砂（细粒含量不大于15%）Z_ω₀＞2.0m时，可取黏土Z_ω₀=

3.0m、粉土Z_ω₀=2.5m、砂Z_ω₀=2.0m；

Z_ω_i——计算点的地下水位深度，m，可取计算点地面（开挖面）至当地冻结前地下水位距离；

β——系数，可按表3.1取值。

考虑日照及遮阳程度的冻深修正系数ψ_d，可根据工程地点所在的纬度及建筑物轴线走向，按下式计算：

式中 ψ_i——典型断面（建筑物或渠道走向N-S，底宽与深度之比B/H=1.0，坡比m=

1.0）某部位的日照及遮阴程度修正系数，阴（或阳）面中部的ψ_i值的地理位置可由《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL 23—2006）图3.1.4-1查得，底面中部的ψ_i值可由图3.1.4-2查得；

α——系数，根据建筑物所在的气候区［由《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL 23—

2006）图3.1.1-3查得］、建筑物计算断面的轴线走向、断面形状及计算点位置可分别由《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL 23—2006）表3.1.4查取。若渠坡较高或建筑物上部有遮阴作用，应考虑额外的遮阴影响。

表3.1 β值

4.基础设计冻深Z_f

基础设计冻深系指计算点自底板底面算起的冻深。可按式（3.5）～式（3.7）计算：

式中 R_i——底板热阻，m²·℃/W；

R₀——设计热阻，m²·℃/W；

I₀——工程地点的冻结指数，℃·d；

Z_d——工程地点天然设计冻深；

δ _c——基础板厚度，m；

δ_ω——底板之上冰层厚度，m；

λ _c——底板（墙）的热导率，W/（m·℃）。

当δ_c≤0.5m时，可按式（3.8）计算：

3.1.2 与土体冻胀有关的指标与概念

1.冻胀量Δh

冻胀量系指冻结前土体表面与冻结期内土体表面的最大高度差，如图3.1所示。基础结构下冻土层产生的冻胀量可按式（3.9）计算：

式中 Δh——基础结构下冻土层产生的冻胀量，cm；

h——工程地点天然冻土层产生的冻胀量，cm，根据第2章2.2节式（2.23）或

式（2.24）计算。

根据《渠系工程抗冻设计规范》（SL 23—2006），按冻胀量的大小，可将地基土冻胀性分为5级，见表3.2。

表3.2 地基土的冻胀性工程分类

2.冻胀率η

冻胀率系指单位冻结深度的冻胀量，是描述地基土冻胀性大小的指标，可用式（3.10）表示。

式中 η——冻胀率，%；

Δh——冻胀量，cm；

H_f——冻结深度，cm。

土体物理化学特性对冻胀影响研究，从粒径大小和含量开始，逐渐深入到比表面积、孔隙大小和含量及孔隙中水溶液的成分和浓度。试验表明：粗颗粒土中粉黏粒含量对冻胀率有明显的影响。根据《冻土物理学》资料显示：当粉黏粒含量小于12%时，即使在充分饱水条件下，冻胀率不大于2%。当粉黏粒含量大于12%后，冻胀率明显增大。

根据细砂在不同分散度时的室内冻胀试验资料，给出冻胀率与比表面积（S）间的经验表达式：