标题：冻胀土
基本概念
季节性冻土地区寒季被冻胀的土。
冻胀现象：frost heaving
道路冻胀
所谓的道路冻胀，主要是冬季在路基土中沿着温度的降低方向生成了冰晶体形状的霜柱，使路面产生隆起的一种现象。隧道侧墙的破坏主要由于土中霜柱的作用使土体沿冷却方向的横向产生冻胀，从而使隧道的侧壁，向冷空气侵入的隧道中心轴方向推移，因而沿着侧墙部分的水平方向产生了作用力。坡面上的冻胀作用是沿着垂直方向发生的。冻胀作用使道路产生的破坏状态在中央部分冻胀量最大，因而沿路面中心线的纵断方向上产生纵向裂缝。这种冻胀破坏与冬季期间道路除雪情况以及路面施工接缝情况有密切关系。施工时在路面中心如果有接缝，则接缝处水平方向的抗拉强度比路面其他部分要小。
影响
冻胀现象已经成为道路产生破坏的一种形式。在春融期，由于路基土中冰晶体的融解，又成为土基或垫层承载力降低的原因。对砂石路，春融期间在荷载的作用下产生的翻浆现象，将会使道路出现严重病害。
防止道路冻胀
为了防止上述的冻胀现象所引起的道路破坏，首先需要了解冻胀发生的机理，因此对引起道路冻害的一些因素，如土质、气温、土中水等要详细进行调查，特别是对防止道路等土木构造物产生冻胀作用采用的措施研究中，应注意易引起地基冻胀的土是否发生了冻结，因而确定土的冻结深度是非常必要的。另外，对道路附属构造物上部的填土是否会产生冻胀，也有必要进行确定。在那些寒冷地区，对冻结深度的确定及其深度范围土的冻胀可能性的判断都成为冻胀调查的要点。
道路的冻害防止措施，当前主要采用置换法、隔温法及稳定土的处治方法等。一般情况下，所采取的措施从经济性、施工方便及可靠性方面考虑，主要采取非冻胀敏感的粒状材料置换冬季期间最大冻结深度约70%范围的置换法。但是，由于材质良好的置换材料造价较高，因而采用了隔温法等一些特殊的防止措施。  冻胀土地(图1)
预防
在寒冷地区的道路路面设计与施工中，对已有路面的冻害破坏情况及影响因素详细调查的同时，对确定道路路面厚度有直接关系的当地冻深的确定和置换材料质量的评定都是不可缺少的一项工作。
路面冻胀
路面冻胀，是由于冻胀作用造成的路面破坏，主要由于路面产生了冻胀变形，而这种变形在道路横断面方向上是不均匀的。在路面中央冻胀变形量最大，因而在道路中线上出现较大裂缝。道路横断面方向出现不均匀冻胀的原因，主要是由于路肩附近路面有积雪堆积，使这部分路面结构在寒冷时期有隔温作用，而在路面中央部分，由于行驶汽车积雪需要清除，因而这部分路面上失去隔温作用。所以，这部分的冻结深度和冻胀量都要比路肩部分大，使路面产生弯曲拉应力，造成路面的破坏。在沥青混凝土路面中的这种破坏现象，由于和路面中央部分施工接缝一致，所以表现出在道路的纵断方向产生较大裂缝的特征。
另外，对土覆盖较浅的横向涵渠和管道，当回填材料为易引起冻胀的土时，由于涵管内壁受冷空气的作用，因而产生的冻胀变形比外侧的要大。由于涵管的冻胀在道路的横断面上路面出现了凸起产生了裂缝。这种现象，使冬季高速行驶的汽车产生了一定的危险性。
路面冻胀形成原因
道路冻胀现象已成为路面的一种破坏形式，而到了春融期间，路基土中的霜柱融解而导致土基、垫层承载能力的下降。春融期，路基土中由霜柱构成的冰层从上部向下开始融化，其附近的土层处于饱和状态。特别是融解的水被未解冻的土层阻挡停留在保持冻结的土层上，很难向下渗透，尤其是当土中一次形成大量冻层时，土融解后，土的密实度减小，因而这部分土基的承载能力明显降低。如果道路处于这种状态，当大量的重车通过时，沥青混凝土面层或者水泥混凝土板下表面的拉应力增大，土基表面的垂直变形也要增加，当超过其极限值时，在轮迹处产生网状裂缝，随之路面下沉，遭到破坏。
寒冷下的影响
在寒冷地区的道路，为了防治冻胀破坏的产生，对影响冻胀现象的主要因素，如土质、气温、地下水、荷载等要进行调研，提出相应的防止措施。同时，根据冻胀调查，推算出地基的冻结深度，求出冻胀量。  冻胀土地(图2)1、土质在防止冻胀的措施方面，对土质的调查极其重要。进行土质调查时，在道路路线的适当间隔进行钻探，达到预想的冻深处。土质调查项目要包括各层土的粒度组成、密实度、含水量及比重情况等内容。如果在所修建道路的两侧，已修建了道路和铁路的情况，应了解在修建时的土质状况以及这些道路在使用中有无冻害情况。对有代表性的土质进行冻胀试验。
影响冻胀的主要因素是土质，目前对土的含水量、土颗粒的大小给予冻胀的影响作用也被重视起来了。冻胀破坏的程度大小与颗粒组成中的粉土，粘土含量有一定关系。含粉土、粘土成分少的砂砾、砂、碎石等，通过试验基本上不产生冻胀现象。2、气温气温的调查，对确定道路冻胀现象有否可能发生，是很重要的。特别是计算地基的冻结深度更为必要。影响地基冻结深度的最重要因素是当地的地表温度。但在实际应用中，可以利用附近气象观测站的资料。3、地下水地下水位的调查，大部分是与土质调查工作同时进行。在冻胀现象中，地下水对水分的补给起着重要的作用。初期含水量大的土比含水量小的土，一般来说，冻胀量也大。
地下水位对地基产生的冻胀量有很大的影响。对颗粒较大的透水性较高的土，如果荷载作用力小到可以忽略不计时，冻胀量与距地下水位距离的平方成反比。同时，当地下水位在大于2米时，冻胀现象很小，或基本不发生冻胀现象。另外，接近地下水位的土质条件，对是否产生冻胀也有很大的影响。4、荷载压力路基土中所生成的霜柱，在不断发展的过程中，路面被抬高，产生了较大的冻胀力。当冻胀力超过了路面结构的抗拉强度，路面就会出现裂缝。  强芬法消除土的冻胀性5、冻结深度和冻胀量路基冻结深度，随着土质、土中形成的霜柱情况、日照、积雪量等的不同，而有很大的差异。 除此之外，路面颜色、路面类型、地形及覆盖情况对冻深的大小也有很大的影响。
冻胀量是指冻结前后的地基表面的高低差值，大致等于地基产生霜柱的冰晶体厚度总和。道路的冻胀量的测定，根据在冻结前埋设的水准点作为标准，在路面上标出测定点，测定路面标记点的标高变化。
冻胀现象的产生要同时具备土质、温度、地下水三个因素的作用。因此，为了防止道路冻胀破坏作用的产生，只要消除这三个因素中的一个，就能达到防治的目的。防治道路冻胀的措施可以归纳为以下几类：①采用非冻胀材料换填冻胀土的“置换法”；②在路基中设置隔温层，提高冻胀土的温度，减少冻胀量的“隔温法”；③在冻胀土中掺入石灰和水泥，改变其冻胀性质；④降低冻结温度的“稳定处理法”。上述的这些措施中，目前主要采用置换法和隔温法，或者二者配合使用。1、置换法作为防治道路冻胀的置换法是采用非冻胀材料，换填部分冻胀性土，应用时主要确定采用何种粗颗粒材料，置换到何种深度的问题。
采用置换法，根据实践和经济方面考虑，可以采用廉价的粗颗粒材料，置换深度约为最大冻深的70%左右。
对置换法所采用的粗颗粒材料，要符合质量和规格方面的要求，同时，要求这种材料本身不能产生冻胀，这是必须保证的条件，什么样的材料是非冻胀性的材料？主要是根据室内冻胀试验来判断。一般来说，包括砂、砂砾、碎石等材料。2、隔温法为了防止道路的冻胀破坏，在采用隔温材料时，要选择传导率小的材料，才能有好的隔温性能。材料的隔温性能要持久，承载能力要高，耐水性好，并且应该经济廉价。比如聚苯乙烯薄板。
在道路路面中采用的隔温法，目的主要是控制冻结作用侵入到冻胀性路基土的深度。采用这种方法，要非常注意在隔温层上垫层的施工工艺问题。避免垫层材料和在机械压实过程中，对隔温材料造成破坏。
关于寒冷地区，对道路路面防冻的调查研究，在此仅提出一点浅见，道路冻胀对我国北方的公路已经造成了一定的影响。因此，我们应该对道路冻胀进行深入的研究，提高其抗冻胀性能，延长公路的使用寿命和年限。
渠道冻胀处理方式的选择
1、渠道冻胀机理渠道冻胀破坏是由于渠基土受冻体积膨胀顶托衬砌而形成，渠基土受冻体积膨胀必须具备以下条件：
⑴寒冷气候区持续的负温条件；
⑵土壤中自由水和毛细水的存在，并且有通畅的水分补给通道；
⑶土壤本身的物理力学性质，包括土的颗粒组成，矿物质成份等。  寒冻风化的土表　　在以上三个条件中，土壤中自由水和毛细水的存在是冻胀发生的的先决条件，也是必备条件。在整个浆胀破坏过程中，水是最活跃的因素。
从目前受冻胀破坏的渠道来看，基本上位于灌区内，且处于灌区中、下游的居多。这是因为在灌区中下游地区，地下水埋深浅，土壤颗粒细，土体中自由水和毛细水的补给十分充足。一旦气温下降至零度以下，土体中的自由水和毛细水的体积受冻膨胀，引起土体膨胀，顶托衬砌，破坏渠道。
在河区下部，冻胀破坏不但发生在挖方渠道中，在半挖半填渠道中也普遍存在。由此可以看出，毛细水的冻胀性也不容忽视。
综上所述，冻胀破坏是寒冷地区渠道建设中的一大难题，由土壤中的水、土体颗粒物理性质和负温所致，大多发生在灌区的中下部。2、渠道防冻胀处理形式及比较2.1渠道防冻胀处理形式
渠道防冻胀处理可通过改变渠道结构形式来实现，即用“Ｕ”形或矩形断面来代替梯形断面。但这种处理形式只适用于小渠道，流量小于1m3/s的渠道。对于大渠道来说，若采用这种处理方式，难免造成造价和施工难度的加大，加大的幅度还较大。
从上述导致土体冻胀的的三个基本因素中，只有三个因素同时具备，才发生冻胀破坏。只要消除其中一个因素，就能防止和减轻冻胀危害。从目前新疆地区的气候条件来看，外部温度不达负温是不可能的，因此只有采取保温措施达到内部不负温。切断冻土地基在冻结前、后的水分补给是过去防冻胀处理常用的法，此外改变渠基土体的基本结构也是保证土体非冻胀性的一种方法。
要切断冻土地基在冻结前后的水分补给，通常是采用高填或排水措施来减少水分的补给。但是由于土体颗粒及物理力学性质的决定，毛细水的作用不可忽视。毛细水往往上升至地下水面以上2～3m的平面上，同样会对渠产生冻胀破坏。例如库尔勒市哈拉苏农场的一个小渠道，流量1.5m3/s，旁边平行有一条深1.5～2m的排水沟，渠道为半挖半填渠道，在施工中就发生了冻胀破坏。因此对于细颗粒土体，要完全切断水分的补给是不现实的，毛细水的冻胀破坏不容忽视。
改变基土的基本结构的办法是进行渠基土的换填，就是用大颗粒的土体填入渠基，将原来的细颗粒土体挖走。这种换填工程量较大，换填厚度一般要大于等于冻土深度。如果在冻土深小的地区使用尚可，若在冻土深较大的地区使用，往往工程量是巨大的。
从目前情况看，任何工程要根本回避和解决冻胀三因素之一，从考虑经济和投资省的情况下，都是非常困难和把握不住的。因此在实际工作中，往往将几种工程措施结合起来使用。即以回避一种因素为主，辅之以回避另一种因素的综合措施进行防冻胀处理。如在汇要两面三刀侧开挖排水沟降供销水分补给的同时，对基土进行一定厚度的换填。用砂或戈壁层加塑膜进行保温，以减少冻胀破坏。
近来随着新型建筑材料的问世，苯板越来越多地应用于渠道的防冻胀处理。苯板防冻胀的主要机理是它具有保温的功效，保证了渠基土不受负温的影响，同上述砂或戈壁层加塑膜保温的原理是一样的。根据现有对苯板的搞冻试验资料，10cm厚的苯板可起到100cm厚砂或戈壁层的保温效果。远大于相当于5～10cm厚戈壁、砂的塑膜的保温效果。
2.2渠道防冻胀处理形式比较
在高地下水位区，即使采取了断绝土壤中水分补给的措施，仍难以保证阻止毛细水的上升，因此还必须采取其它防冻胀处理形式。
对渠基土进行换填是一种防冻胀的处理形式，它即改变了渠基土的结构，又具有一定的保温作用。它的优点是：①当渠道附近有大量换填材料时，造价可能便宜；②由于对渠基进行了彻底换填，当质量达到要求时，可保证渠道永久不受冻胀危害。同时也具有以下缺点：①由于换填厚度大，土方工程量较大，当换填材料运距较远时，造价较高；②施工难度大，清除了渠基原土，换填后的砂、戈壁难以进行夯实，要达到施工规范要求，难度较大；③换填料的质量难以把握，要求回填含土量小于5%的料。采用天然材料，很难寻找料源。若采用人工加工料，则不经济。
若不采用基土回填，只铺设苯板保温，防止渠基土冻胀也是近年来渐渐采用的一种防冻胀处理形式。它只有保温作用，不对基土进行回填。具有以下优点：①抗冻效果好，采用10cm的苯板即达到了换填100cm砂或戈壁的保温效果；②施工方便，渠道开挖断在小。不对基土进行拢动，直接将苯板置于基土上，在苯板上直接进行衬砌材料的施工；③在一定条件下造价便宜，使用的施工机械少，人工省。采用苯板，不进行基土换填，避免了大量土石方机械的使用。当基土换填材料运距大于一定距离时，其造价低的优势立即显现。苯板防
冻胀材料的缺点是：在一定条件下，同换填相比，造价较高。当基土换填材料运距小于一定距离时，其造价明显高于换填处理。
拿开都河第一分水枢纽北岸干渠为例。该渠道为开都河第一分水枢纽配套输水渠，长km，输水流量m3/s。3、苯板防冻胀成功几例3.1库塔干渠西干渠  库塔干渠断流　　库塔干渠是开~孔河流域灌区的一条主要的灌溉渠道，主要承担向孔雀河下游灌区的输水任务。干渠由总干渠、东干渠、西干渠组成，目前建设完成了总干渠和西干渠，东干渠即将建设。总干渠长17.8km，上段设计流量为35m3/s，加大流量40 m3/s；下段设计流量30m3/s，加大流量35 m3/s。西干渠长38km，设计流量20~10m3/s，加大流量23~10 m3/s。库塔干渠灌溉着库尔勒市、尉犁县37.52×104亩的土地面积。
西干渠为梯形断面，渠深3.3m，底宽2.15m，边坡为1:1.5，水深为2.59m。两边渠堤宽度为2.5m，渠道外边坡也为1:1.5。渠道衬砌采用70mm厚的C20预制砼板，砼板下部为60mm厚的苯板用于防冻胀。
渠基土为粉细沙，颗粒细，保水性好，属冻胀土。经苯板防冻胀处理后，经过8年的运行，未发生冻胀破坏。
3.2开都河第一分水枢纽北岸干渠
是开都河第一分水枢纽的配套输水干渠，开都河第一分枢纽合并了开都河两岸多座无坝引水龙口，使两岸引水得到了统一管理。北岸干渠全长22.9km，设计引水能力32m3/s，灌溉面积47.55×104亩。它连接了第一分水枢纽及北岸的四条引水干渠，使枢纽发挥作用，实现了用渠道输水代替河道输水。渠道为梯形，底部为弧形。渠深为2.4m，圆弧形底深0.4m，梯形深2.0m，渠底宽为3.0m。渠道内边坡为1:1.75，渠堤顶宽为2.0m，其中封枯板宽为0.6m。渠道衬砌采用现浇砼板，板厚10cm。根据各渠段地基土的情况，渠道防冻胀采用了不同的形式。上段8km采用基土换填的处理方式，下段根据需要，有的地方在弧形底板下部布设了10cm厚的苯板，有的地方在边坡上布设了苯板。渠道上段完工后，发现部分渠段出现了断板和冻胀现象。分析原因，基本上可以得出如下结论：断板原因为换填基土密实度未达设计要求，再加之施工单位偷工减料板厚未达设计厚度所致；冻胀原因为换填基土耒达设计要求的级配，内含细颗粒较多而造成。因此渠道防冻胀形式若采用换填的处理方式，则换填土的本身质量及施工质量对渠道能否正常运行关系较大。在施工过程中，应严格控制，但受施工条件的限制，这些要求达到的难度较大。北岸干渠下段采用苯板防冻胀，施工方便，防冻胀效果较好，但缺点是同换填相比较，造价较高。
3.3尉犁县塔里木北干渠
塔里木北干渠位于尉犁县境内，建于20世纪50年代，是尉犁县主要棉区——古勒巴格乡、团结乡、塔里木乡的灌溉渠道，灌溉面积为11×104亩。干渠现为土渠，长24.814km，渠道纵坡1/6000~1/8000，过水流量为5m3/s，过水断面为20m2，流速0.3m/s。渠道渗漏严重，渠道水利用系数为0.85。
计划对该干渠进行防渗改造，采用砼板防渗。由于渠基土为龙四系粉细砂、粉土、粘土，再加之地下水埋深浅，因此渠道受冻胀的威胁较大，防冻胀设计龙其重要。
渠道底宽1~2m，渠深1.86~2.35m，边坡1:1.5~1:1.75，渠堤宽2.5m，封顶板宽0.3m。渠道防渗采用80mm厚的C20预制砼板。防冻胀采用了两种形式比较，一种为砼板下铺60mm厚的苯板保温，一种为渠基换填40~60cm的砂砾垫层防冻胀。
苯板从库尔勒市购进，平均运距67km，砂砾料从尉犁县与库尔勒市交界处的希尼尔地区拉运，平均运距30km。两种方案的渠道断面相同，经比较，苯板方案总投资为2611.67×104元，换填砂砾料方案总投资为3110.41×104元。方案一具有投资省、施工简单的特点，因此塔里木北干渠的防冻胀采用铺苯板保温的设计形式。4、结语对渠道防冻胀处理方式的选择，关系到渠道的造价和施工的难易，必须慎之又慎。苯板作为一种新型的渠道防冻胀处理方式，具有其独特的优点。现阶段巴州对苯板的运用还刚开始，一切还处于试验摸索阶段。虽然已有成功的运用例子，但需在今后的渠道设计与施工中不断地总结经验，进一步完善苯板的防冻理论和实际运用经验，为这一新型防冻材料的大面积推广应用提供条件。
季节性冻土切向冻胀力与冻胀性关系
通过冻胀率与切向冻胀力的测定,建立了季节性冻土切向冻胀力与土的冻胀性关系最佳曲线模型,并依据该模型推荐了不同冻胀土类的胀切向冻胀力值,为防治公路桥涵冻害设计提供了科学依据。