粗粒土冰分凝机理及冻胀敏感性评价研究获新进展
发表日期:2026-06-23来源：冰冻圈科学与冻土工程全国重点实验室
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传统冻胀理论认为，粗粒土在冻结过程中水分迁移积聚和分凝成冰有限，因此常被视为弱冻胀甚至不冻胀材料，并广泛用于寒区工程的防冻胀换填材料。然而，大量工程冻害调查表明，在寒区列车循环荷载诱发地基超孔隙水压力持续发育区域，以及承压水分布的冻结环境中，粗粒土填料和地层也可以出现显著的冻胀现象。
针对这一问题，中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学与冻土工程全国重点实验室马巍研究团队，联合青海北麓河高原冻土工程安全国家野外科学观测研究站，通过将传统单向冻胀试验升级改造为可模拟有压补水下冻胀的技术创新，利用新装置系统研究了不同水压与不同细粒含量下饱和粗粒土的冻胀试验特性，并基于预融膜理论，揭示了水压诱发粗粒土冰晶分凝机理。在此基础上，研究评估了现行规范在评价粗粒土冻胀敏感性方面的可靠度，厘清了基于颗粒级配的评价方法失效机制，并提出了一种综合考虑水压与细粒含量的粗粒土冻胀敏感性评价方法。
室内试验结果显示，粗粒土冻胀与细粒含量和水压有关。在相同细粒含量下，粗粒土冻胀随水压增大而增大，但当细粒含量为0%时，甚至20 kPa水压也难以诱发饱和粗粒土冰分凝；在相同水压作用下，粗粒土冻胀随细粒含量增大而增大，若在无压补水条件下，即使细粒含量达到15%，饱和粗粒土的冻胀也可忽略不计。
理论分析揭示，冻结后的粗粒土中仍存在部分未冻水，这为外界水分向分凝冰处迁移提供了通道。随着补水压力增大，未冻水膜两侧压力梯度增大，从而促进了水分迁移与冰分凝；随着细粒含量增大，未冻水含量升高、冻融交界面处的界面阻力降低，也会有利于水分迁移与冰晶分凝。
研究指出，现行粗粒土冻胀敏感性评价方法主要基于土体的持水性与吸水能力进行判别，未考虑水压对正冻土水分迁移能力的影响。因此，现行规范在评价受水压影响的粗粒土冻胀敏感性时可靠度较低，且随着冻胀时间的延长，可靠度进一步降低。为此，研究团队考虑到补水压力的影响，提出了一种粗粒土冻胀敏感性评价新方法（细粒含量0-15%、水压0-20 kPa）。
研究深化了粗粒土冻胀特征与冰晶分凝机制认识，为寒区工程冻害治理、土工规范修订提供了科学依据。
相关成果分别以Confined water aggravates frost heave in sands: Implications for assessing frost heave susceptibility of coarse-grained soils 与 Hydraulic pressure initiates ice lens formation and growth in freezing coarse-grained soil为题，发表于Cold Regions Science and Technology和Acta Geotechnica期刊，西北研究院博士后郝小云为论文第一作者，马巍和温智研究员分别为两篇论文的通讯作者。以上研究得到了国家自然科学基金、甘肃省科技计划等项目的联合资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2026.104912
https://doi.org/10.1007/s11440-026-03084-5
水压作用下粗粒土冻胀试验结果
基于预融膜理论的粗粒土冰晶分凝机理
现行规范评价粗粒土冻胀敏感性的可靠度、考虑水压与细粒含量的冻胀敏感性评价方法，以及新模型验证
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