第2章 冻土及其物理性质
2.1 冻土及其分类
2.1.1 冻土
冻土是指温度在0℃或0℃以下含有冰胶结层的各种岩石和土壤，是一种复杂的多相、多成分的复合体。如果只有负温而没有冰胶结层的土层称为寒土。冻土在结构上呈毛细多孔状，整体上是非均匀和各向异性的。冻土的基本成分是矿物或矿体骨架（固相）、冰、未冻水和气体，它们决定着冻土的结构、物理力学和热物理性质，并影响着土体冻结和解冻过程。
1.骨架（固相）
冻土的骨架（固相）由土颗粒和负温矿物组成，是冻土多成分体系的主体。矿物颗粒大小、形状、矿物成分、比表面积、表面活动性等反映其表面物理化学性质的交换阳离子成分和交换量，极大地影响了土的结构构造特性、水分迁移机制、强度，以及冻结时冰的形成和冻胀量等。
2.冰
冰是冻土存在的基本条件，是冻土的必然组成成分。冻土中的冰一般称为地下冰，其形成和融化致使冻土层的结构发生特殊的变化，使冻土具有特殊的物理力学性质。地下冰形成过程可分为三种类型：构造冰，在岩石冻结时形成，对冻土的结构形成和性质具有重要意义，对冰和骨架的数量关系以及它们在土内的相互位置有影响；穴脉冰，冻结岩石中的孔穴被冰充填而成；埋藏冰，包括各种成因的埋藏的地面冰，其形成分为两个阶段：地面上形成的地面冰，及随后在矿物冲积层形成的埋藏冰。地面冰是由于地面覆盖雪变成冰而形成的，有河川埋藏冰、湖泊埋藏冰、冰锥埋藏冰等，埋藏雪属于第二种埋藏冰。
3.未冻水
冻土中的液相是指其中的未冻水。土体冻结是随时间变化的、复杂的热过程。不同土体起始冻结温度不同，当土的温度降低到起始冻结温度以下时，部分孔隙水开始冻结。随着温度进一步降低，土中未冻水的含量逐渐减少，但不论温度有多低总有一部分水保持未冻状态而与冰共存。未冻水主要是结合水。因结合水受到土粒表面静电引力的作用，要使其冻结，除要克服普通液态水分子引力外，还要克服土粒表面对水分的引力。因此结合水的冰点较低，一般弱结合水在-20～-30℃才开始冻结，强结合水在-78℃才冻结。冻土中未冻水含量对其力学性质影响很大。未冻水含量取决于冷却温度和压力，以及矿物骨架或有机矿物骨架的性质。
4.气体
冻土的气相包括水蒸气、空气、沼气以及其他气体。处于自由和吸附式封闭状态。自由气体的数量取决于土的孔隙度，吸附式封闭气体的数量与冻土颗粒的数量、成分和孔隙大小及冻土中有机质含量有关。
2.1.2 冻土分类
冻土分类有多种形式。冻土可按冻土层存在时间长短、泥炭化程度、体积压缩系数、总含水量及盐渍度、平面分布特征、冻胀率、融化下沉系数、冻结特征和冰层厚度等进行分类。
1.根据在自然条件下冻土层存在时间长短分类
（1）暂时冻土——冻土存在的时间为几个小时或只有几天。
（2）季节冻土——冬季冻结，夏季全部融化的土。
（3）隔年冻土——冬季冻结，一两年内不融化的土。
（4）多年冻土——冬季冻结，冻结时间延续3年及3年以上，甚至长达一个世纪或几千年的土层。
2.根据泥炭化程度分类
泥炭化程度指单位体积中含植物残渣和成泥炭的质量与冻土干密度的比值，工程中用百分数表示。
冻结泥炭化土的泥炭化度ξ按下式计算：
式中 mp——土中含植物残渣和成泥炭的质量，g。
gd——土骨架质量，g。
按冻结泥炭化土的泥炭化程度ξ分为：对粗颗粒冻土，当ξ>3时，为泥炭化冻土；对黏性冻土，当ξ>5时，为泥炭化冻土。
3.按盐渍度分类
盐渍度指单位体积中含易溶盐的质量与冻土干密度的比值，工程中用百分数表示。
盐渍化冻土的盐渍度ζ用下式计算：
式中 mg——土中含易溶盐的质量，g。
按盐渍度ζ判定，归属于盐渍化冻土的是：对粗粒土，ζ>0.1；对粉土，ζ>0.15；对粉质黏土，ζ>0.2；对黏土，ζ>0.25。
4.按冻土的平面分布特征分类
多年冻土根据融区的存在与否及融区的大小分为：
（1）零星分布多年冻土。冻土面积仅占5%～30%，绝大部分为融区。
（2）岛状分布多年冻土。冻土面积占40%～60%，冻土以岛状分布在融土区中。
（3）断续分布多年冻土。冻土面积占70%～80%，融区呈岛状分布。
（4）整体分布多年冻土。也称连续分布多年冻土，冻土面积大于90%，仅在大河或大湖底部及地热异常地带（如温泉）无冻土分布。
其中零星分布多年冻土、岛状分布多年冻土、断续分布多年冻土均属于非整体多年冻土。
5.按冻土的压缩变形系数和总含水量分类
（1）坚硬冻土：a≤0.01MPa-1或mv≤0.01MPa-1，可近似看成不可压缩土。土中未冻含水量很少，土粒被冰牢固胶结，土体压缩性很小，在荷载作用下表现为脆性破坏，与岩石相似。当土的温度低于下列数值时，呈坚硬冻土：粉砂-0.30℃；粉土-0.60℃；粉质黏土-1.0℃；黏土-1.5℃。
（2）塑性冻土：a>0.01MPa-1或mv>0.01MPa-1，为塑性冻土。土中含大量未动水，土的强度不高，压缩性较大，当土体温度低于0℃以下至坚硬冻土温度是上限之间，饱和度Sr<80%时，冻土呈塑性，受力计算变形时应计入压缩变形量。
（3）松散冻土：冻土中总含水量不大于3%，土粒为被冰所胶结，粒间互不连续仍保持结冰前散体状态。其力学性质与未冻土体无太大差别，所以称为松散冻土。砂土和碎石土常呈松散冻土。
6.按冻土的冻胀率分类
根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）中根据土类（主要是粒径成分）、土中天然含水量和与地下水关系，把土按冻胀性强弱分为5级，见表2.1。
表2.1 季节冻土的冻胀分类
续表
注 1.ωp为塑限含水率，%。
2.盐渍化冻土不在表列。
3.塑性指数大于22时，冻胀性降低一级。
4.粒径小于0.005mm颗粒含量大于60%，为非冻胀土。
5.碎石类土当充填物大于全部质量的40%时，其冻胀性按充填物土的类别判断。
6.碎石土、砾砂、粗砂、中砂 （粒径小于0.075mm颗粒含量不大于15%）、细砂 （粒径小于0.075mm颗粒含量不大于10%）均按不冻胀考虑。
冻土层平均冻胀率η按下式计算：
式中 Δh——地表冻胀量，mm；
Hf——冻结深度，mm；
Hm——冻土层厚度，mm。
土的冻胀率与土的颗粒组成、孔隙度、含盐量、含水量关系密切。土在稳定负气温条件下，土中含水量达到一定界限值时，就表现出冻胀，该界限值称为土的起始冻胀含水量。对细粒土，起始冻胀含水量大致等于塑限含水量。
土层冻胀率可在现场用单层或分层冻胀仪做原始观测，或由室内试验测定，若有丰富经验时也可用经验公式计算确定。
7.按冻土的融化下沉系数分类
在没有外荷载的作用条件下，冻土在融化过程中，由于土体中冰融化，所产生的沉降称为融化下沉。融化下沉通常是不均匀的，具有突陷性。融沉性可由试验测定，常以平均融化下沉系数δ0表示，用下式计算。
式中 h1、h2——冻土试样融化前、后的高度，mm；
e1、e2——冻土试样融化前、后的孔隙比。
工程上依据平均融化下沉系数δ0的大小，将多年冻土又可分为五级，具体分类情况见表2.2。
（1）δ0≤1%，Ⅰ级，不融沉。
（2）1%＜δ0≤3%，Ⅱ级，弱融沉。
（3）3%＜δ0≤10%，Ⅲ级，融沉。
（4）10%＜δ0≤25%，Ⅳ级，强融沉。
（5）δ0＞25%，Ⅴ级，融陷。
表2.2 多年冻土按融沉性分类
注 1.总含水量ω，包括冰和未冻水。
2.盐渍化冻土、冻结泥岩化土、腐殖质、高塑性黏土不在表列。
当土的含水量小于起始融沉含水量时，δ0=0。对于大型建筑物，要求尽可能在现场原位试验确定δ0值，但在一般工程地质评价及基础沉降验算中，可依据冻结地基土的土质及物理力学性质按以下经验公式进行计算。
（1）按含水量确定δ0。
1）按表2.2确定的融沉等级为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类土，按下式计算δ0。
式中 α1——修正系数，按表2.3确定；
ω 0——冻土起始融沉含水量，%，可按表2.3确定。
对于黏性土，冻土起始融沉含水量可按下式计算：
式中 ωp——土体的塑限含水量，%。
表2.3
α 1、ω0值表
注 1.对于粉黏土 （粒径小于0.074mm）含量小于15%的土，α1取0.4。
2.黏性土起始融沉含水量ω0按式 （2.7）计算的值与表2.3所列数值不同时取小值。
2）按表2.2确定的融沉等级为Ⅴ类土，按下式计算δ0。
对于粗颗粒土可用ω0代替ωp。缺乏试验资料时，ωc可按表2.4取值。δ′0对应于ω=ωc值，可按式（2.6）计算。缺乏试验资料时，可按表2.4取值。
表2.4 ωc、δ′0值
注 对于粉黏土（粒径小于0.074mm）含量小于15%的土，ωc取44%，δ′0取14%。
（2）按土体干密度ρd确定δ0。
1）按表2.2确定的融沉等级为I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类土，按下式计算δ0。
式中 α2——修正系数，按表2.5确定；
ρ d0——冻土起始融沉干密度，t/m3，可按表2.5取值。
表2.5 α2、ρd0值
注 对于粉黏土（粒径小于0.074mm）含量小于15%的土，α2取20，ρd0取2.0t/m3。
2）按表2.2确定的融沉等级为Ⅴ类土，按下式计算δ0。
式中 ρdc——对应于ω=ωc时冻土的干密度，无试验资料时，可查表2.6；
其他符号意义同前。
表2.6 ρdc值
注 对于粉黏土（粒径小于0.074mm）含量小于15%的土，α2取20，ρdc取1.2t/m3。
8.按冻结特征分类
少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土和饱冰冻土。
多年冻土按冻结特征的分级与土的颗粒和冻土总含水量ωn界限的关系及其融陷性等级见表2.7。
表2.7 多年冻土与土的颗粒和总含水量界限的关系及其融陷性分级
注 1.ωp为塑限含水率，%。
2.碎石土及砂土的总含水量界限为该两类土的中间值。含粉黏粒少的粗颗粒土比表列数值小；细砂、粉砂比表列数值大。
3.黏性土、粉土总含水量界限中+7、+15、+35为不同类别黏性土的中间值。粉土比该值小；黏性土比该值大。
9.按冰层厚度分类
（1）冰层厚度小于2.5cm，含冰土层。
（2）冰层厚度不小于2.5cm，含土冰层或纯冰层。