土的冻胀性工程分类

第4期(总第140期) 　　　　　　　　　　　山西水利科技　　　　　　　　　　No. 4(Total No. 140) 　　2001年11月　　　　　　　　　　　SHANXI HY DRO TECHN ICS 　　　　　　　　　　　Nov. 2001　　　

1006-8139(2001) 04-70-4

土的冻胀性工程分类

荣志军　李荣峰

(山西省水利科学研究所)

文摘:对国内外土的冻胀性分类进行了综述, , 结为以土颗粒成分为主划分, 以土质、粒径、, 个方面。

关键词:冻土; 　冻胀; 　分类; 　1　引言

要原因、闸底板、护坦、渡槽及倒虹吸进出口底板、抽水站前池等, 均受到不同程度的地基土冻胀作用而遭到损坏。为避免冻胀破坏, 水工建筑物一般要求基础埋深在冻深线以下, 因而基础工程量约占整个工程量的1/3以上, 但对于面广量大的渠道衬砌体或河道护坡等, 为防止冻胀而加大基础埋深从经济上考虑几乎是不可能的。为此, 为减少工程量及投资, 需要正确估计土的冻胀性, 便于采取相应的经济合理的防冻胀措施。为确切反映建筑物地基土冻胀对工程可能造成的危害程度, 国内外进行了大量的试验研究, 试图划分土的冻胀性类别。对土的冻胀性研究, 国外一般称之为“土的冻结敏感性评价”, 国内则称为“土的冻胀性分类”。综合国内外在这方面的研究成果, 可以看出, 划定土的冻胀性分类标准有三个方面, 其一是以土颗粒成分为主划分冻胀性级别; 其二是以土质、粒径、水分条件等多因素作为判定指标; 其三是通过土质、水分、温度、外荷载等系统环境因素综合作用的表现———冻胀量的大小作为划分冻胀性级别的依据。上述不同的三个方面, 同时反映了对土的冻胀性分类的研究历程以及认识的发展趋向。2　以土颗粒成分为主的冻胀性分类211　土质对冻胀的影响

土质不同, 对于冻结时的水分迁移量及冻胀的影响是不同的。在粘土中特别是极细碎的粘土中, 仅有轻微的水分迁移和冰析出, 几乎不发生冻胀; 而

在粉质成分的粘土中(粒径从0105～01002mm 的颗粒大于60%) 可发生最强烈的迁移和冻胀, 因此这种土壤被划分为最具冻害的冻胀性土; 砾石土壤一般认为不具冻胀, 但当有更细的充填物或由于长时间灌入泥浆的结果, 在冻结时会发生剧烈的冻胀变形。因此, 土壤的冻胀与否, 在很大程度上是有条件的。在自然条件下, 当土中水分、冻结条件相同时, 各类土的冻胀性大致有如下顺序:粉质粘土>壤土>砂壤土>重粘土>砂土>砂砾石。212　土的粒径与冻胀性关系

许多试验结果表明, 土的粒径与土的冻胀性关系为:

土颗粒粒径d >011mm 时, 即使是饱和土, 冻结时也不发生水分迁移和冻胀。国外研究资料认为, 在粗粒土中, 当存在d

国外以土的细颗粒含量为主判定冻胀性类别者占绝大多数, 其中尤以01074mm 为粒径的界限者为多。各种分类方法中, 最主要的区别是对粒径含量要求不一。表1摘录了部分国外以土的粒径含量为主的分类法。

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第4期(总第140期) No. 4(Total No. 140)

　　　　　　　　　　　　　　荣志军:土的冻胀性工程分类2001年11月　Nov. 2001

表1　　部分国外以土的粒径含量为主的冻胀分类

作者

Gasagrande Ducher

年份

[1**********]7

通过下列孔径(mm ) 的百分含量

0. 2

0. 10

0. 074

0. 06

0. 02

I P >11

0. 002

其它条件

不均匀很均匀

0105至0102mm 间

安大略

Nielson/

1957

Bonard/

1958

加拿大1963停车场Delewdre Idaho Brudal

19631976

50均匀

砂

丹麦国立道路1976实验室日本北海道1980土木试验所

砾石碎石砂火山灰

不冻胀

　　以土的粒径含量划分土的冻胀性类别, 除了用数字说明外, 还有用图表示的方法。3　多因素判别的冻胀性分类

多因素判别主要考虑土质、土壤含水量、地下水位埋深等情况。

Φ・表2为M ・基谢列夫分类法, 被列入前苏联国家建筑标准, 该分类法考虑了土质、地下水范围和

粘性土稠度。

Φ・表2　　前苏联M ・基谢列夫分类法土的冻胜

性分类强冻胀土中等冻胀土不冻胀土

在基础附近, 土的计算冻深以下, 地下水位Z (米) 所处的范围细砂——

粉砂—

Z ≤0150151

我国交通部于1974年颁布的《公路桥涵设计规范》, 按照土的颗粒成分、含水量和地下水位关系, 划分为不冻胀土和冻胀土两类, 如表3。

(公路桥涵设计规范》) 表3　　季节性冻土分类《

土的名称

天然含水量ω(%) 结线的最小距离h (m ) 冻胀分类

不考虑

不冻

h ω>115h ω>210

砂壤土

Z ≤015

粘壤土

Z ≤1

粘土

Z ≤115

粘性土稠度

B >0150125

粉粘粒含量≤15%ω0≤12(或粘径小于011mm 的颗粒≤25%, 下同) 的粗颗粒土(包括碎石类土、砾砂、粗砂、中砂, 下同)

粉粘粒含量小于ω≤1215%的粗粒土、细砂、0粉砂

ω0≤ωP

粘性土

胀

015115

Z>215

弱冻胀土Z ≤015

Z>1

说明:①除上表所列者外, 均为冻胀土。

ω0—②土的天然含水量。ωP —③塑限含水量。

说明:①土的冻胀性分类应使满足二指标B 或Z 其中之一。

②B 值取季节冻结层冻前土的含水量平均值。

③Z 值超出土冻结的计算深度(m ) , 即地下水位埋藏深度与计算冻深之差按公式Z=H 0-H 来确定, 其中H 0为设计防水坡脚到地下水位间距离(m ) ;H 为计算冻深。

　　国家基建委于1974年颁布的《工业与民用建筑地基基础设计规范》T J 7-74中, 也是根据土类(主要是粒径成分) 、土中天然含水量和地下水位关系, 将土按冻胀性强弱分为四级, 如表4。

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(工业与民用建筑地基基础设表4　　地基土冻胀性分类《

) 计规范》

4　以冻胀量大小划分冻胀性类别

以冻胀量大小作为冻胀分类的标准, 是近些年

天然含水量

ω(%) 不考虑ω

冻结期间地下水

位低于冻深的最冻胀类别小距离(m )

不考虑

>115

土的名称岩石、碎石土、砾、砂、粗砂、中砂、细砂

来比较有倾向性的分类方法, 因为以往的冻胀性分

类, 仅是根据影响土冻胀的主要因素定性地划分了某几个等级, 而未使它同野外的冻胀量指标建立起定量的关系。

A (A ・, (见) A ・卡萨格兰德分类法

每日平均冻胀量(mm )

0. 0～0. 50. 5～1. 01. 0～2. 02. 0～4. 04. 0～8. 0>8. 0

不考虑不冻胀弱冻胀冻胀弱冻胀冻胀强冻胀

≤115

>115

粉砂ωωp +9

≤115

>115

冻胀分类不冻胀

极微冻胀微冻胀中等冻胀强冻胀极强冻胀

≤210

>210

粘性土≤210

>210

≤210不考虑

　　在国内水利部门较有影响的是辽宁省水利科学研究所提出的地基土冻胀量分级。水利部《渠系工程抗冻胀设计规范》SL23-91中地基土的冻胀性分

类也以冻胀量绝对值的大小做为划分冻胀性强弱的唯一指标, 并考虑到水利工程的地基土常因水分条件充足形成强烈冻胀, 把冻胀类别划分为五级(如包括大量冻胀土应为六个类别) , 反映了水利工程地基土冻胀量绝对值大和变化幅度大的专业特点。辽宁

注:①表中碎石土仅指充填物为砂土或硬塑、坚硬状态的粘性土, 如充填物为其他状态的粘性土时, 其冻胀性应按粘性土确定。②表中细砂仅指粒径大于011mm 的颗粒超过全重85%的细砂, 其他细砂的冻胀性应按粉砂确定。

　　辽宁省水利科学研究所在研究渠道衬砌的冻胀问题时, 对于混凝土衬砌渠道地基土进行了冻胀分级, 如表5。

表5　　渠道衬砌冻土分类表冻土级别不冻胀

土壤类别砾类土

粗中砂细　砂砂壤土壤粘土砾类土砂类土砂壤土壤粘土砾类土砂类土砂壤土壤粘土砂类土砂壤土壤粘土

渠底土的冻前含水量ω(%) ω≤10ω≤10ω≤12ω≤ωP +2ω≤1510≤ω≤1612≤

ωP +2至ωP +5ω≤1915≤ω≤2519≤

ωp +5至ωP +12ω≥19ω≥25ω≥ωP +12

冻结期间地下水位

低于渠底的冻结面的最小距离(m )

0≥0. 2≥0. 5≥1. 0≥1. 50. 2～00～0. 50. 5～115110～1150～-0. 2-0. 2～00～0. 50. 5～1. 0

其它条件砂类以上土粉粘粒含量小于12%, 有排水出路。

省水利科学研究所冻胀分类和《渠系工程抗冻胀设计规范》中的冻胀分类列于表7。

表7　　以冻胀量划分的冻胀性类别辽宁规范

冻胀性类别不冻胀微冻胀弱冻胀冻胀性类别非冻胀性冻胀量h (cm )

h =0

冻胀Ⅲ

强冻胀Ⅳ

特强冻胀

>20. 0

冻胀量h (cm ) 0～0. 50. 5～2. 02. 0～5. 05. 0～10. 010. 0～20. 0

Ⅰ

h ≤2

Ⅱ

Ⅴ

h >22

微冻胀

　　对于冻胀量的确定《渠系工程抗冻胀设计规, 范》规定, 对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级建筑物, 其冻胀量应量尽在现场按照工程建成后的土质、水分、温度及运行条件, 进行原型模拟试验测定; 野外冻胀量的观测方法可参照《土工试验规程》SD501-79中土—066—79项执行; 当各种条件下的冻胀量全部实测存在困难时, 可按规范中提供的方法计算。

类似于冻胀量分级, 也有以冻胀率(或称冻胀系数) 进行分级的方法。冻胀率是指冻胀量与冻结深度之比, 考虑分层时的冻胀率称分层冻胀率, 不考虑

冻胀

强冻胀

≤-0. 2≤0≤0. 5

注:①含水量和地下水位指标有一项达到高一级的冻土级别按高一级冻土计。②冬灌和渠底积水(冰) 渠道按地下水位指标判定后再加一级。

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第4期(总第140期) No. 4(Total No. 140)

　　　　　　　　　　　　　　荣志军:土的冻胀性工程分类2001年11月　Nov. 2001分层时的冻胀率称平均冻胀率。以冻胀率分类的方

法如大庆地区天然地基冻胀分级(表8) 和黑龙江水利科学研究所天然地基冻胀分类(表9) 。

表8　　大庆地区天然地基冻胀分级级别ⅠⅡⅢⅣⅤ

名称不冻胀地基弱冻胀地基中等冻胀地基冻胀地基强烈冻胀地基

平均冻胀率η(%)

5　结语

(1) 对土进行冻胀性分类, 目的在于对土的冻胀

给工程建筑物可能造成的破坏程度做出合理评价,

是工程建设中急待解决的重要指标。多样化的分类方法, 说明了冻胀分类研究的重要性和在冻土区和(2) , 表明了其影响, () , 反映了土的冻胀。

(4) 把自身水分条件以及外水补给条件、有无排水出路做为判定土的冻胀性指标, 说明了已超越单一土质学观点来进行分类而对土体本身以外的环境条件加以肯定, 但对于温度、荷载等影响因素如何定量计入分类中, 目前尚不多见。

作者简介:荣志军, 男, 清华大学毕业, 高级工程师。

[收稿日期:2001204215]

表9　　冻胀分类

细砂以上粗颗粒(包中、粗砂、卵砾石等, 其中0105～01005m m 颗粒含量

系数(%) (cm ) 下位然

冻1～22～4水

备　注

微

冻胀性土

非承压地水, 地下水始冻期虽较高, 但在结期有排出路。

一般中小型水工建筑物可不考虑地基冻胀影响。

中等冻胀性土

粉砂亚粘土粘土等

在整期间位低冻深115m 个冻结地下水于最大1. 0～以上。

510

可能存在强冻胀区和冻而不胀区。

各种粉质土, 其中强性

0. 05～0. 005mm 冻胀

颗粒含量>30%土　

以上。

土质饱和; 地下水位始终接近冷锋面。

>5>10

不存在冻而不胀区。

Classif ication of Frozen H eaving of Soil

Rong Zhijun 　Li Rongfeng

Abstract :The classification of the frozen heaving of soil at home and abroad is introduced , which reflects the re 2search progress and the development direction for the classification of the frozen heaving of the soil. The classifi 2cation of frozen heaving of soil is divided into three kinds , one mainly according to the composition of the soil particle , one mainly according to soil quality , particle size , and moisture in soil , and one according to the heav 2ing amount which reflects the comprehensive action of the internal and external factors. K ey Words :Soil 　Frozen Heaving 　Classificaton

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