科研進展
粗粒土冰分凝機理及凍脹敏感性評價研究獲新進展
傳統(tǒng)凍脹理論認為，粗粒土在凍結過程中水分遷移積聚和分凝成冰有限，因此常被視為弱凍脹甚至不凍脹材料，并廣泛用于寒區(qū)工程的防凍脹換填材料。然而，大量工程凍害調查表明，在寒區(qū)列車循環(huán)荷載誘發(fā)地基超孔隙水壓力持續(xù)發(fā)育區(qū)域，以及承壓水分布的凍結環(huán)境中，粗粒土填料和地層也可以出現(xiàn)顯著的凍脹現(xiàn)象。
針對這一問題，中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學與凍土工程全國重點實驗室馬巍研究團隊，聯(lián)合青海北麓河高原凍土工程安全國家野外科學觀測研究站，通過將傳統(tǒng)單向凍脹試驗升級改造為可模擬有壓補水下凍脹的技術創(chuàng)新，利用新裝置系統(tǒng)研究了不同水壓與不同細粒含量下飽和粗粒土的凍脹試驗特性，并基于預融膜理論，揭示了水壓誘發(fā)粗粒土冰晶分凝機理。在此基礎上，研究評估了現(xiàn)行規(guī)范在評價粗粒土凍脹敏感性方面的可靠度，厘清了基于顆粒級配的評價方法失效機制，并提出了一種綜合考慮水壓與細粒含量的粗粒土凍脹敏感性評價方法。
室內試驗結果顯示，粗粒土凍脹與細粒含量和水壓有關。在相同細粒含量下，粗粒土凍脹隨水壓增大而增大，但當細粒含量為0%時，甚至20 kPa水壓也難以誘發(fā)飽和粗粒土冰分凝；在相同水壓作用下，粗粒土凍脹隨細粒含量增大而增大，若在無壓補水條件下，即使細粒含量達到15%，飽和粗粒土的凍脹也可忽略不計。
理論分析揭示，凍結后的粗粒土中仍存在部分未凍水，這為外界水分向分凝冰處遷移提供了通道。隨著補水壓力增大，未凍水膜兩側壓力梯度增大，從而促進了水分遷移與冰分凝；隨著細粒含量增大，未凍水含量升高、凍融交界面處的界面阻力降低，也會有利于水分遷移與冰晶分凝。
研究指出，現(xiàn)行粗粒土凍脹敏感性評價方法主要基于土體的持水性與吸水能力進行判別，未考慮水壓對正凍土水分遷移能力的影響。因此，現(xiàn)行規(guī)范在評價受水壓影響的粗粒土凍脹敏感性時可靠度較低，且隨著凍脹時間的延長，可靠度進一步降低。為此，研究團隊考慮到補水壓力的影響，提出了一種粗粒土凍脹敏感性評價新方法（細粒含量0-15%、水壓0-20 kPa）。
研究深化了粗粒土凍脹特征與冰晶分凝機制認識，為寒區(qū)工程凍害治理、土工規(guī)范修訂提供了科學依據(jù)。
相關成果分別以Confined water aggravates frost heave in sands: Implications for assessing frost heave susceptibility of coarse-grained soils 與 Hydraulic pressure initiates ice lens formation and growth in freezing coarse-grained soil為題，發(fā)表于Cold Regions Science and Technology和Acta Geotechnica期刊，西北研究院博士后郝小云為論文第一作者，馬巍和溫智研究員分別為兩篇論文的通訊作者。以上研究得到了國家自然科學基金、甘肅省科技計劃等項目的聯(lián)合資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2026.104912
https://doi.org/10.1007/s11440-026-03084-5
水壓作用下粗粒土凍脹試驗結果
基于預融膜理論的粗粒土冰晶分凝機理
現(xiàn)行規(guī)范評價粗粒土凍脹敏感性的可靠度、考慮水壓與細粒含量的凍脹敏感性評價方法，以及新模型驗證
