季節(jié)性凍土對(duì)工程的影響及防范措施

1、季節(jié)性凍土對(duì)工程的影響及防范措施凍土是指零攝氏度以下，并含有冰的各種巖石和土壤。一般可分為短時(shí)凍土數(shù)小時(shí)/數(shù)日以至半月，季節(jié)凍土半月至數(shù)月以及多年凍土數(shù)年至數(shù)萬(wàn)年以上。地球上多年凍土，季節(jié)凍土和短時(shí)凍土區(qū)的面積約占陸地面積的50%其中，多年凍土面積占陸地面積的25%凍土是一種對(duì)溫度極為敏感的土體介質(zhì)，含有豐富的地下冰。因此，凍土具有流變性，其長(zhǎng)期強(qiáng)度遠(yuǎn)低于瞬時(shí)強(qiáng)度特征。中國(guó)凍土可分為季節(jié)凍土和多年凍土。季節(jié)凍土占中國(guó)領(lǐng)土面積一半以上，其南界西從云南章鳳，向東經(jīng)昆明、貴陽(yáng)，繞四川盆地北緣，到長(zhǎng)沙、安慶、杭州一帶。季節(jié)凍結(jié)深度在黑龍江省南部、內(nèi)蒙古東北部、吉林省西北部可超過(guò)3米，往南隨緯度降低而減

2、少。多年凍土分布在東北大、小興安嶺，西部阿爾泰山、天山、祁連山及青藏高原等地，總面積為全國(guó)領(lǐng)土面積的1/5強(qiáng)。凍土地區(qū)氣溫低，土層凍結(jié)，降水少，流水、風(fēng)力和溶蝕等外力作用都不顯著，凍融作用那么成為凍土地貌發(fā)育的最活潑因素。隨著凍土區(qū)溫度周期性地發(fā)生正負(fù)變化，凍土層中水分相應(yīng)地出現(xiàn)相變與遷移，導(dǎo)致巖石的破壞，沉積物受到分選和干擾，凍土層發(fā)生變形，產(chǎn)生凍脹、融陷和流變等一系列復(fù)雜過(guò)程，稱為凍融作用。它包括融凍風(fēng)化、融凍擾動(dòng)和融凍泥流作用。融凍泥流是凍土地區(qū)最重要的物質(zhì)運(yùn)移和地貌作用過(guò)程之一。一般發(fā)生在數(shù)度至十余度的斜坡上。當(dāng)凍土層上部解凍時(shí)，融水使主要由細(xì)粒土組成的表層物質(zhì)，到達(dá)飽和或過(guò)飽和狀態(tài)，

3、從而使上層土層具有一定的可塑性，在重力的作用下，沿著融凍界面向下緩慢移動(dòng)，形成融凍泥流，年平均流速一般缺乏1米。由于泥流順坡蠕動(dòng)時(shí)，各層流速不一，表層流速大于下層，所以有時(shí)可把泥炭、草皮等卷進(jìn)活動(dòng)層剖面中，產(chǎn)生褶皺和圓柱體等構(gòu)造形態(tài)。季節(jié)性凍土指的是冬季凍結(jié)春季融化的土層。自地外表至凍結(jié)層底面的厚度稱凍結(jié)深度。季節(jié)性凍土是受季節(jié)性的影響，冬季凍結(jié)、夏季全部融化。我國(guó)季節(jié)性凍土區(qū)面積大約513.7萬(wàn)平方千米，占國(guó)土面積的53.5%,其南界西從云南章鳳，向東經(jīng)昆明、貴陽(yáng)，繞四川盆地北緣，到長(zhǎng)沙、安慶、杭州一帶。季節(jié)凍結(jié)深度在黑龍江省南部、內(nèi)蒙古東北部、吉林省西北部可超過(guò)3米，往南隨緯度降低而減少。

4、季節(jié)性凍土的凍脹性、融沉性等特性對(duì)工程影響重大。所以在季節(jié)性凍土地區(qū)的工程建筑或工程應(yīng)特別注意考慮季節(jié)性凍土對(duì)工程的影響及防范措施。影響土的凍脹性因素影響土的凍脹性因素很多，如土的顆粒組成、土的礦物成分、含水量、土體密度、土中溫度及梯度等，但歸納起來(lái)主要有三個(gè)方面，即通常所說(shuō)的土、水、溫三大要素1土中含水量對(duì)凍脹的影響國(guó)內(nèi)很多資料說(shuō)明，土中凍前含水量對(duì)凍脹有一定影響，但不是全部水分，而是超出起始凍脹含水量的水分，其關(guān)系式用下式表達(dá)：y=a(W-Wp)式中：刀一凍脹率(%)W一凍土層內(nèi)凍前平均含水量(%)Wp一起始凍脹(相當(dāng)塑限)含水量(%)a一系數(shù)。關(guān)于系數(shù)a，目前各家取值不一。如中國(guó)科學(xué)院蘭

5、州冰川凍土研究所、哈爾濱建筑工程學(xué)院和黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院等是根據(jù)理論計(jì)算給值，即考慮粘土在封閉系統(tǒng)情況下最大可能產(chǎn)生的平均凍脹率Y:刀=1.09丫d(W-Wp)/2丫W(wǎng)0.8(W-Wp)式中：丫d一土的干容重(1500kg/m3)丫w一水容重另一些單位和學(xué)者那么根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)提出a值，如大慶油田設(shè)計(jì)院取a為0.67,建工部建筑研究院那么取a為0.32地下水對(duì)凍脹的影響地下水作用于凍脹的機(jī)理，歸根結(jié)底就是凍土中水分遷移的問(wèn)題。地下水位的上下對(duì)凍脹影響可定性描述為：地下水位越淺，土的凍脹量也越大。土質(zhì)條件一樣時(shí)，地下水埋藏深度與土體凍脹性近于反比關(guān)系。如果地下水位在臨界深度以內(nèi)且其他條件保持

6、不變，在凍結(jié)過(guò)程中，凍脹量逐漸增大，地下水位呈下降趨勢(shì)。季節(jié)性凍土對(duì)磚木構(gòu)造起脊房屋的危害分析寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)，季節(jié)性凍土凍結(jié)時(shí)膨脹強(qiáng)度高(或承載力大)，解凍時(shí)融陷強(qiáng)度低(或承載力小),對(duì)冬期和春融期施工增添了一定的難度和復(fù)雜性。如考慮不周或不加重視，就可能會(huì)導(dǎo)致不同程度的工程質(zhì)量事故的發(fā)生，如建筑物墻體開(kāi)裂。為了防止這類事故的發(fā)生，在冬期進(jìn)展地基根底施工時(shí)，除了在砌筑砂漿或混凝土中摻防凍劑外，還應(yīng)做到隨挖基槽，隨砌筑根底，隨回填土方。按采暖設(shè)計(jì)的房屋根底頂面和兩側(cè)做好覆蓋保溫工作。季節(jié)性凍土地區(qū)路基凍害及其防治措施路基凍害的分類根據(jù)沿線季節(jié)性凍土地區(qū)所出現(xiàn)的路基凍害現(xiàn)象，進(jìn)展歸類總結(jié)，主要形成

7、了凍脹、融沉、翻漿冒泥等三種路基病害。1凍脹凍脹是指由于土的凍結(jié)作用而造成的體積膨脹現(xiàn)象，這是季節(jié)性凍土區(qū)常常遇見(jiàn)的病害。凍脹可分為原位凍脹和分凝凍脹兩類，原位凍脹是指凍結(jié)鋒面前進(jìn)過(guò)程和已凍土繼續(xù)降溫過(guò)程中，正凍土中的孔隙水或已凍土中的未凍水原位凍結(jié)，造成體積增9%;而當(dāng)土體凍結(jié)以后，由于土顆粒外表能的作用，土中始終存在未凍結(jié)的薄膜水。在溫度梯度的誘導(dǎo)下，薄膜水會(huì)從溫度高處向溫度低處遷移，正是由于水的抽吸作用使水分集聚在前進(jìn)的凍結(jié)鋒面前方并凍結(jié)，分凝成冰透鏡體，這一過(guò)程稱為分凝凍脹，分凝凍脹過(guò)程造成體積增大1.09倍。通過(guò)對(duì)發(fā)生病害處路肩挖探、鏟探及釬探，發(fā)生凍害處的路基土質(zhì)以粉土為主，局部為

8、粉質(zhì)黏土、黏土。天然含水量為12.5%33.5%,土層凍脹等級(jí)及類別為HV級(jí)強(qiáng)凍脹。局管內(nèi)發(fā)生的大局部路基凍害是該類型凍脹，京包線K614+010K781+670間尤為突出，出現(xiàn)不均勻脹高，每年冬季凍起高度達(dá)40mm軌道道釘和扣件難以保持軌距，嚴(yán)重影響行車平安。凍脹本身不僅引起基床破壞，還可引起橋梁、涵洞根底的凍害。2融沉季節(jié)性凍土融化時(shí)，冰晶和冰膜融化成水，土層在重力和上覆荷載的作用下，路基及基床會(huì)產(chǎn)生不同程度的沉降，即融沉。融沉一般有兩個(gè)特性_2j:其一，由于自然營(yíng)力和人為因素及土體各方面的差異，融沉在空間上具有不連續(xù)性，厚度上具有不均勻性。有的路段在以較慢的速度連續(xù)下沉一段時(shí)間，有的路段

9、突發(fā)大量地沉陷，并使周圍局部土體隆起。這是因?yàn)閮雎坊寥诨筇幱陲柡蜖顟B(tài)，其承載力幾乎為零，在外部荷載作用下，基床瞬間產(chǎn)生大幅度沉陷并有大量積水冒出。其二，融沉多發(fā)生在低路堤地段。由于路堤高度、坡向、填料類別、保溫設(shè)施，以及施工季節(jié)和施工后形成的地表特征、水文特征及凍土介質(zhì)特征等因素的綜合影響，土體中各土層的散熱和吸熱有極大差異。當(dāng)基底土層的散熱超過(guò)吸熱時(shí)，地溫上升，凍土融化，人為上限下降，路堤就會(huì)產(chǎn)生融沉病害。路堤越低，意味著在從上界流向地中的傳熱過(guò)程中，熱阻減小。路堤自身的儲(chǔ)熱能力變小，不利于熱穩(wěn)定，從而易導(dǎo)致路基發(fā)生融沉。3翻漿冒泥由于局管內(nèi)獨(dú)特的地質(zhì)、地理環(huán)境，導(dǎo)致在某些路段凍結(jié)時(shí)間長(zhǎng)

10、，解凍緩慢，加之大量的積雪融化后雪水下滲，這樣就在解凍層和未解凍層之間形成自由水。這局部自由水不能及時(shí)排出，造成土基軟弱，強(qiáng)度急劇降低，在列車荷載作用下，路基面發(fā)生鼓包、唧泥現(xiàn)象，即為翻漿。這種凍害主要發(fā)生在河漫灘地貌單元、山前沖洪積平原、坡地的下坡部位、冬前路溝積滿水的地段。翻漿冒泥導(dǎo)致道床下沉，軌道狀態(tài)不良，幾何尺寸變化頻繁，需要不斷進(jìn)展緊急整修。翻漿冒泥引起鋼軌水平差較大，導(dǎo)致鋼筋混凝土軌枕產(chǎn)生縱橫裂紋。無(wú)論冬季的線路凍害或是春融期的翻漿冒泥的威脅，致使每年列車通過(guò)減速，甚至不得不封鎖線路處理。例如，京包線K681+400處翻漿冒泥比擬嚴(yán)重，但是路局內(nèi)路基凍害中翻漿冒泥現(xiàn)象較少見(jiàn)。凍脹病

11、害的整治措施及其原理1換填基床土國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)踐說(shuō)明，用較純潔的砂礫或中、粗砂換填季節(jié)性凍土，是削減地基土凍害的理想方法之一。在平面和縱斷面受到限制的情況下，如岔區(qū)路基凍害及特大橋、大橋兩端的路基凍害主要采用換填整治的方法。換土深度應(yīng)至凍結(jié)深度之下，換土寬度應(yīng)包括路肩在內(nèi)的整斷面。2修建減少路基基床含水量的排水設(shè)施修建減少路基基床含水量的排水設(shè)施。如修建具有抗凍防滲能力的地表排水設(shè)施，以防治因地表水節(jié)而引起的凍脹；修建滲溝、暗溝、截水溝等，截?cái)?、疏?dǎo)地下水或降低地下水位，以防治因地下水補(bǔ)給而引起凍脹。3無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土保溫法在基床表層鋪設(shè)保溫層，改善基床溫度環(huán)境，使表層下的基床土不凍結(jié)或減小凍

12、結(jié)深度。保溫材料一般用爐渣，其導(dǎo)熱系數(shù)小、，本錢低廉，也可用石棉、泡沫聚苯乙烯板等保溫材料。國(guó)外經(jīng)歷說(shuō)明，用泥炭或冷壓泥炭磚作保溫材料，效果良好，使用時(shí)間長(zhǎng)。濕度大的泥炭在水分凍結(jié)時(shí)，會(huì)釋放大量潛熱，能防止泥炭進(jìn)一步凍結(jié)。4人工鹽化路基土溶于水中的鹽類能使水溶液的冰點(diǎn)低于淡水，而且濃度越大，冰點(diǎn)越低。主要有挖軌枕槽鋪鹽，打孔注鹽，稀釋注人和土鹽拌和等幾種施工方法。打孔注鹽的深度至凍結(jié)深度的80%,鹽化處理后的土應(yīng)夯實(shí)，減少鹽的流失。鹽化處理易于施工，本錢較低，但只能減小凍脹，不能鏟除凍害，應(yīng)與其他方法結(jié)合使用，或在低溫極值較高的病害輕微段使用，并要根據(jù)線路的具體地質(zhì)條件綜合考慮，以防出現(xiàn)新的路

13、基鹽漬化病害。季節(jié)性凍土區(qū)和多年凍土區(qū)橋梁構(gòu)造地震反響分析凍土層對(duì)橋墩地震反響的影響（1）關(guān)于凍土層對(duì)橋墩地震反響（墩底應(yīng)力）的影響問(wèn)題：在I類場(chǎng)地上，無(wú)論是季節(jié)性凍土還是多年凍土層，對(duì)橋墩地震反響的影響不大。在II類場(chǎng)地上，凍土層對(duì)橋墩地震反響的影響十分顯著，不同類型凍土場(chǎng)地上橋墩白最大反響差值可達(dá)1倍以上。在I、II類場(chǎng)地上，墩高在10-22m時(shí)，凍土層對(duì)橋墩地震反響的影響最為顯著。在一般情況下，橋墩的地震反響與凍土性質(zhì)、橋墩的動(dòng)力特性以及地震波的性質(zhì)均密切相關(guān)。按融土狀態(tài)進(jìn)展設(shè)計(jì)往往是不平安的，需要考慮橋墩與凍土層相互作用的影響。（2）關(guān)于冬夏季橋墩地震反響（墩底應(yīng)力）的差異問(wèn)題：對(duì)淺根

14、底，在I、II類場(chǎng)地上，墩高在4-10m的矮墩，冬季（凍土）時(shí)的反響普遍要小于夏季（融土）時(shí)的反響。因此，對(duì)于矮墩按夏季（融土狀態(tài)）進(jìn)展設(shè)計(jì)是偏于平安的。在II類場(chǎng)地上，對(duì)淺卞底，墩高在10m以上的橋墩以及修建在挖孔灌注樁根底和樁根底上的橋墩，其地震反響到底是夏季大還是冬季大沒(méi)有一致的規(guī)律性，但在冬夏兩季的橋墩地震反響的最大差值僅為6%-11%,故在抗震設(shè)計(jì)中可不予考慮。（3）不同類型根底的影響比擬。一般情況下，淺根底比深根底（挖孔灌注樁根底、樁根底）橋墩的地震反響要小，但也有少數(shù)例外的情況。挖孔灌注樁根底與樁根底橋墩相比，其地震反響的大小無(wú)明顯規(guī)律性，但從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，挖孔灌注樁根底橋墩的地震

15、反響要略大于樁根底。但這并不表示淺根底橋墩的抗震性能優(yōu)于深根底，因?yàn)樵诘卣鹨鸬鼗Ш?，淺根底橋墩的震害往往比深根底橋墩要嚴(yán)重得多。因此，采用何種根底類型應(yīng)根據(jù)地基的承載力由靜力設(shè)計(jì)確定。完畢語(yǔ)中國(guó)凍土分布十分廣泛，季節(jié)性凍土和多年凍土影響的面積約占中國(guó)陸地總面積的70%在我國(guó)東部區(qū)域，從最北端的大小興安嶺地區(qū)到長(zhǎng)江流域都有凍土分布，在個(gè)別年份凍土的范圍擴(kuò)展到浙江、湖南和福建等省份；在西北地區(qū)，青藏高原地區(qū)都有廣泛的多年凍土和季節(jié)性凍土的分布。中國(guó)東部地區(qū)凍土的分布主要表現(xiàn)為隨緯度呈帶狀分布，而青藏高原凍士分布主要表現(xiàn)為隨海拔高度呈垂直地帶性分布，西北地區(qū)那么兩者兼而有之。在全球變暖景下，近

16、幾十年來(lái)，中國(guó)地區(qū)的凍土總體表現(xiàn)為最大凍土深度減小，凍結(jié)時(shí)間推遲，融化時(shí)間提前，凍結(jié)持續(xù)日縮短，多年凍土面積萎縮，以及凍土下界上升的總體退化趨勢(shì)。凍土的主要轉(zhuǎn)型時(shí)期發(fā)生在20世紀(jì)80年代中期。同時(shí)，在一些地區(qū)的凍土也有不同的變化，例如在東北大興安嶺局部地區(qū)、青藏高原的柴達(dá)木盆地北部地區(qū)、青海東南部局部地區(qū)，凍土是總體呈增加的趨勢(shì)。季節(jié)性凍土的凍脹性、融沉性等特性對(duì)工程影響重大。本文對(duì)季節(jié)性凍土的影響因素、分類、各種工程的影響及防范措施作了簡(jiǎn)要概述。所以在季節(jié)性凍土地區(qū)的工程建筑或工程應(yīng)特別注意考慮季節(jié)性凍土對(duì)工程的影響及防范措施。隨著科學(xué)的開(kāi)展技術(shù)的進(jìn)步，會(huì)出臺(tái)越來(lái)越成熟、效果越來(lái)越顯著、本錢越來(lái)越低的技術(shù)或手段。參考文獻(xiàn)1 周幼吾，郭東信，程國(guó)棟等.中國(guó)凍土.北京：科學(xué)出版社，20002 張風(fēng)鵬，西北建工學(xué)院，？季節(jié)性凍土的危害分析？，20033 馮泰，王玉孝.概率統(tǒng)計(jì)輔導(dǎo)M1北京：中國(guó)鐵道出版社，19824 鐵