凍脹

凍脹是由於土中水的凍結和冰體（特別是凸鏡狀冰體）的增長引起土體膨脹、地表不均勻隆起的作用。凍脹一般會導致地面發生變形，形成凍脹壟崗。凍脹的原因包括土中原有的水結冰體積膨脹；同時也包括土凍結過程中下部未凍結土中的水分遷移並向凍結面富集，水分相對集中，水與土粒分異形成冰透鏡體或凍夾層，使土體積膨脹。

基本介紹

• 中文名：凍脹
• 外文名：frost heaving
• 所在學科：工程地質學
• 基本原理：熱脹冷縮
• 表象：土體膨脹、地表不均勻隆起
• 危害對象：路面、牆體等

原理與計算

原理

自然界的物質中，唯獨水在攝氏零度結凍的過程中，體積增大，產生占位空間，擠動了其它物體，作用在其它物體上的力就是凍脹力 。

細顆粒土的凍脹不只是孔隙水9%體積膨脹造成，還有水分向凍結鋒面凍結成冰而造成。水分遷移後凍結往往形成冰透鏡體。

計算

水凍結成冰，水質不同，凍結的溫度不同，凍結成凍的體積也不同，一般的飲用水結冰，體積比原體積大十、

之一。

不同的物質含水後，凍脹體積增大值也不一樣。有的物質浸水後，質量和體積都發生變化，但是經過凍結，體積都會增大，增大多少，這要看物體大小、質量、密度、可壓縮性、含水量、溫度等條件，經過試塊試驗，每立方厘米破損強度是多少，作用在其它物體上的力就是凍脹力值。

（1）凍脹力作用在物體或建築物的底部，地基面積和體積的脹力及側面摩擦力可以計算得出。

（2）凍切力作用在物體側面或建築物側面，接觸面積可以計算，但土地地基太大，水平方向的凍切力是不容易計算的。

存在的危害

凍脹，尤其差異性凍脹是造成工程建築變形以致破壞的主要原因，屬工程凍土學研究的重點課題。

建築物、構築物都建在土地上，土含有不同的水量，經過低溫凍結，體積增大，產生不同程度的脹力，作用在建築物、構築物和道路上，對我們勞動的成果造成很大的破壞和嚴重的經濟損失。

（1） 凍脹對建築物構築基礎的破壞。
凍脹使基礎整體抬高或者局部抬高。經過冬夏多次凍 融、緩衝，基礎斷裂破碎，基礎局部凍脹使建築物產生裂紋，嚴重的出現裂縫，呈現上寬下窄，也可能產生多條裂縫，呈現出現倒八字形狀。凍切力對基礎產生側向推力，使基礎側向位移。條形基礎局部斷裂，基礎側向產生垂直裂紋。由於基礎的抬高和位移，支撐其他牆體產生裂縫，裂縫的部位和形狀因構造和結構而異，有垂直的、斜向的、水平的。必須觀察裂縫進行綜合分析，是凍脹還是沉降，才能確定。凍脹對獨立的石砌基礎，可能產生局部抬高斷裂和側向推斷。可以使混凝土地梁斷裂，牆體倒塌。

（2） 凍脹對牆體的影響
由於牆體含水率高，溫度達到零點以下，使牆體變形，牆面裝修脫落，經過多次凍融，使牆體碎裂倒塌。

（3） 凍脹使防水層破裂。

（4） 浸泡反覆。

（5） 凍融。

（6） 使排水口堵塞建築荷載增大。

（7） 使房屋倒塌。
（8） 凍脹使道路結構斷裂。

（9） 面層裂縫變形、滲水。

（10） 循環產生凍融。

（11） 道路不能正常使用。

（13） 凍脹對現澆混凝土的破壞，當混凝土初凝含水時，溫度低於零度，水結成晶體，使混凝土脫水，膨脹。造成混凝土強度減小或者粉碎。

應對措施

我們國家地域廣闊，地理位置跨度越大，根據氣候將各個地區劃分為熱帶、亞熱帶、溫帶、寒帶四個區，北緯38度以北為寒帶地區，由於有些海拔高度影響，部分地區也劃為寒帶。工程設計根據不同地區，抗凍脹凍切設防也不盡一致，工程設計首先要考慮，當地最低氣溫持續時間，又要考慮地質條件、使用工能以及當地的建築材料、經濟效益等諸多因素進行設計。

比如：大慶地區屬寒帶地區，隨著自然環境和氣候變暖，油田的開發建設，人員增加，生產、生活的活動，氣溫也不斷的升高，因此，工程建設防凍脹凍切的方法也在不斷變化。大慶油田開發建設初期，凍土層最深可達3米，主要的建築工程，基礎防凍脹設防2.2米深。而最近幾年來凍土層深僅2米，建築工程防凍脹設防是2.2米或1.8米。

由於新的建築材料開發、生產、套用和人們對抗凍切力的逐步認識，抗凍脹的方法多種多樣，例如：

（1）大型的、重要的、高層建築依然採取地基設在凍層以下，防止凍脹。
（2）一般的單層建築物和構築物設在凍層上，採取適當的措施，墊砂、鋼渣、爐渣 、基礎加大、增設地梁等。
（3）基礎周圍添砂、爐渣或者不含水的緩衝材料，防止凍切力。
（4）基礎周圍回填土要求夯實，密實度、乾容重符規範標準，避免水浸泡。
（5）施工中不使用含水率超標的材料，即使有些建築物構、築物含水也要在氣候降到零度之前，使水分蒸發達到合格標準，避免凍脹破壞。
（6）混凝土在零下施工時，將骨料和水加溫，在混凝土終凝前使水分吸收和蒸發，在溫度達到零下不結晶。
（7）建築物、構築物進行防水，使各部位不受浸襲和加熱、保溫、採暖等。

被曝路基凍脹

2012年12月，哈爾濱至大連客運正式運營。哈大客專造價超千億元，設計時速350公里，實際運行時速卻不到200公里。原定於2013年4月1日提速計畫延遲，疑與工程偷工減料問題有關。據媒體報導，2012年下半年，哈大客專路基出現大面積凍脹 。

哈爾濱至大連的客運專線

一位鐵路工程領域資深人士表示，哈大高鐵與京滬相比，處於高緯度的寒帶，最低氣溫能達零下40度左右，氣溫的巨變對路基、鋼軌、接觸網等都有更高的材料和施工要求。東北地區由於冬夏季溫差巨大，容易出現路基凍脹。在這種區域，設計、建設高鐵時，要控制路基中水的含量，讓水分冬天一凍，剛好把路基中的縫隙填滿，不會過度膨脹，這樣路基就不會隨著天氣變化出現凍脹循環。如果未在設計和施工中有效防止高寒地帶的路基凍脹，則會使鐵軌不平順，這對使用無砟軌道高速度運行的客專來說將是致命：一、無砟軌道一旦鋪好，則無法再通過填埋道砟來平順軌面。二、哈大客專設計時速350公里，平均運行時速300公里，一旦路基沉降超過高鐵施工標準要求，則會出現列車顛簸甚至傾覆的危險。

原鐵道部副部長盧春房在2012年8月份舉行的鐵路工程質量會議上點名批評了哈大客專路基大面積凍脹問題，並指出這些質量問題根子在於施工單位只重視企業效益和工程進度，而忽略了工程質量。

根據一份《哈大客專沈哈段路基凍脹變形地段軌道分析及處理意見》由鐵一院軌道所出具，意見得出結論：路基變形引起軌道面高程發生變化不僅造成偏差超限，而且對軌道平順性也有影響，在路橋、路涵過渡段存在沉降及變形差，較大的變形差值在短距離內不能平順過渡，容易引起較大的軌道不平順。

在上述問題被發現並受到鐵道部的批評之後，哈大客專進行了大範圍整改。一位客運專線專家表示，主要補救措施是路基注漿和表面封閉的方式。所謂路基注漿，就是在路基上鑽孔，然後向路基注入水泥灰漿，提高路基的密實度，然後用瀝青作為防水層，對路基表面進行封閉處理。