阴冷的冬天没有北方冷（寒冷让大地也会起）

当人体感到寒冷或者害怕时，身上就会起一层鸡皮疙瘩。那如果我说，大地也会起鸡皮疙瘩，你信么？看下面变形的公路、石环等等，都是大地的“鸡皮疙瘩”。其实，它们都是由“冻胀”作用引起的特殊地貌。

图1.大地的鸡皮疙瘩——冻胀引起的特殊地貌

我国是一个冻土大国

土地里总是含有一定量水分，在冬季气温降低到0℃以下时，地表下一定范围内的土地会冻结，冻结后的土体称为冻土。当气温回暖后，冻结后的土体又会重新融化，这种随着季节变化而发生冻融循环的土称为季节性冻土；在某些寒冷地区，地层温度长年保持在0℃以下，即使在夏天也只有距离地表很浅的一层土融化，而更深的地层仍然为冻结状态，这类长年保持冻结的土体被称为多年冻土（有时也被称为永久冻土）。我国是一个冻土大国，多年冻土主要分布在东北大小兴安岭和青藏高原，占国土面积21.5%；季节性冻土几乎在北方地区都存在，占国土面积53.5%。

图2. 我国冻土类型分布图

在冻土地区常常发生地面隆起的现象，即冻胀。在多数情况下，冻胀对人类生存活动是不利的，可能引起路面、管道、地基发生变形或破坏；有时候冻胀也会造就一些奇特的冻土景观，如冻胀丘、冻胀草丘、石环等。

冻胀，就是别处的水流进冻土，然后撑开大地

我们知道冰的密度小于水的密度，水变成冰体积会增大。所以最初科学家们认为：土中的水分冻结后体积增大了，所以会发生冻胀。这种说法虽然不能算错误，但是对于大变形的冻胀现象，这种水变冰导致的体积膨胀对冻胀的贡献非常小。

事实上，引起冻胀的主要原因是“水分迁移”——地层中其它部位的水分向冻土迁移，冻土内增加的这部分水冻结后要占据一定空间，因此土体被“撑开”导致体积增大发生冻胀。

最早通过实验阐明了冻胀与水分迁移关系的人是美国科学家 Stephen Taber，他在1929-1930年进行了一系列冻结实验（图3）。实验现象说明冻结过程中，水杯里面的水被某种力“吸”入到了土试样中，试样里增加的这部分水变成冰导致体积增大产生冻胀。

Taber还在另外的实验中将水换成苯，与水冻结后体积增大不同，苯冻结后体积是收缩的。用苯做的实验同样发生了冻胀，因此排除了冻胀是因为“土中原有的水变成冰体积增大”这一原因。

图3. Stephen Taber 的实验示意图与实物图

Taber 的试验，同样可以用来解释由于冬季气温降低地面发生冻胀的情况，如图4所示。在多年冻土地区，年复一年的水分迁移导致地层内形成很厚的冰层（图5），这些冰层向上推动土体形成了奇特的冻胀地貌（图1）。

图4. 冬季地面发生冻胀的过程

图5. 冻土中的冰层

水分迁移的驱动力是什么？可能是被“吸”上来的，也可能是“热水”和“冷水”在拔河

虽然人们已经知道冻胀与水分迁移的关系，但由于冻胀过程涉及到温度、水分、盐分、应力和变形等诸多因素的影响，要想进一步准确认识水分迁移机理并不容易，至今仍未得到完美解答，在此仅简述两种接受程度较广的理论。

1.毛细理论（第一冻胀理论）

毛细现象是生活中常见的一种现象，如将一条干毛巾一半放入水中一半提在水面上（图6），毛巾进水后变湿，湿毛巾中的水位高于水面，说明毛巾中有一种“力”可以把水吸到更高的位置。

对于冻结过程中的土体，土颗粒之间的冰水界面也是弯曲的，如同无数根毛细管，在这种毛细吸力作用下水分向上运动到冻土内，最后产生冻胀。

图6. 毛细理论示意图

2.冻结缘理论（第二冻胀理论）

大量试验表明，即使土体温度降低到0℃以下时，土中的水也不是完全冻结的，仍然还有一部分液态水存在，这部分水以水膜的形式被吸附在土颗粒表面，如图7所示。

图7.冻土组成示意图

当土中温度分布不均匀时，在冰层（冰透镜体）与未冻土之间有一个冰、水共存的区域称为冻结缘，如图8所示。冻结缘内的水膜联通时，“热水”和“冷水”就在进行一场拔河比赛，温度低处（上部）水膜薄，土对水的吸附能力强；温度高处（下部）水膜厚，土对水吸附能力弱；因此温度高处的水分向温度低处迁移，最终引起冻胀。

图8.冻结缘理论示意图

研究透了冻胀，我们就能预测到在寒冷地区开展工程可能遭到的破坏

近年来，中国科学院武汉岩土力学研究所研究员韦昌富带领科研团队围绕冻胀问题开展了一系列理论、实验和数值模拟方面的研究，取得的主要成果有：1）建立了孔隙介质化学力学耦合理论框架；2）推广了冻土相平衡的 Clapeyron 方程；3）分析测试了冻土中未冻水状态、土冻结温度和过冷温度、冻土热参数变化规律；3）研究了冰透镜体界面水力阻抗和非平衡效应对冻胀的影响规律；4）提出了移动泵模型模拟土冻结过程中的水分迁移和冰透镜体的生长过程。

从实际应用的角度来看，冻胀研究有助于人们预测寒区工程可能遭受的冻胀破坏并据此采取防治措施。近年来，冻胀研究出现越来越明显的学科交叉现象，一些地球科学、材料科学、食品科学、岩土工程、环境工程、表面物理领域内的学者们在各自领域内都发现了与冻胀相似的现象，研究者们互相借鉴彼此的研究方法和思路，不断地推动着冻胀研究的发展。