冻胀的外观表现是土表层不均匀的升高,冻胀变形常常可以形成冻胀丘及隆岗等一些地形外貌。冻胀分为原位冻胀和分凝冻胀,前者由原位水分冻结引起,冻胀量较小,对工程的破坏力较小;后者由于外界水分迁移补给,冻胀量大,对工程的破坏力大。影响冻胀强弱的主要因素是温度、土的颗粒大小、含水量及盐分、冻结边界条件等。世界上对土的冻胀性分类标准主要有3类:①以土颗粒成分为主划分冻胀性级别。②以土质、粒径、水分条件等多因素作为判定指标。③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,即冻胀量的大小作为划分冻胀性级别的依据。一般土颗粒愈粗,含水量愈小,土的冻胀性愈小,反之愈大。
早在17世纪晚期,人们就已经注意到冻胀现象,但是直到20世纪,人们才逐渐认识到水分迁移作用是导致土体冻胀的主要根源。1961年,美国的埃弗雷特[注]首先提出了第一冻胀理论即毛细理论,但毛细理论却不能解释不连续冰透镜体是如何形成的,且低估了细颗粒土中的冻胀压力。1972年,美国的米勒[注]提出了第二冻胀理论即冻结缘理论,认为在冻结锋面和最暖冰透镜体底面存在一个低含水量、低导湿率和无冻胀的带,冻结缘理论克服了毛细理论的不足,获得了较多学者的认可。土体冻胀研究从宏观观察向微观探索水分迁移机理和成冰机制方向发展,并且引入了能量、质量和动量平衡观点。
冻胀对工程产生的不利影响,主要表现在:①使基础抬高,产生位移,引起房屋裂缝,基础的不均匀变形会导致建筑物倾斜、变形等。②造成路基隆起,路面破裂。③使现浇混凝土脱水膨胀,造成混凝土强度减小或粉碎。④破坏房屋的防水层使层面变形渗水。
针对冻胀的防治措施主要有:①换填法,用粗砂、砾石等非冻胀材料置换天然地基的冻胀土,以削弱或消除地基土的冻胀。②人工盐渍法,向土体中加入一定量的可溶性无机盐类,如氯化钠(NaCl)、氯化钙(CaCl)和氯化钾(KCl)等,以抑制土体产生冻胀。③保温法,在建筑基础底部或四周设置隔热层,增大热阻,以推迟地基土的冻结,提高土中温度,减少冻结深度,进而起到防止冻胀的作用。④排水隔水法,通过控制土体的水分条件,来达到削减或消除地基土冻胀的目的,具体措施为降低地下水位及季节冻层范围内土体含水量,隔断外水补给来源和排除地表水防止地基土增湿等。