工程地質(zhì)第4章-3課件

（4）凍土

凍土是指溫度等于或低于零攝氏度，并含有冰的各類土。由季節(jié)性凍土（隨季節(jié)性變化周期性凍結(jié)融化的土）和多年凍土兩類。多年凍土是指溫度等于或低于攝氏零度、含有固態(tài)水且這種狀態(tài)在自然界連續(xù)保持兩年或兩年以上的土。

一、季節(jié)性凍土及其凍融現(xiàn)象：凍脹現(xiàn)象：凍結(jié)時未凍結(jié)深度區(qū)自由水和結(jié)合水會不斷地向凍結(jié)區(qū)遷移、聚集，使晶體擴大，土發(fā)生膨脹、隆起。導致建筑物開裂。融沉現(xiàn)象：土層解凍，含水量增加，土體處于飽和軟化狀態(tài)，承載力降低，建筑下陷，稱融陷。導致建筑物開裂。

季節(jié)凍土的凍脹與融沉與土的粒度成分和含水量有關(guān)，土顆粒粗，凍脹性小或沒有凍脹性，如礫石、卵石、碎石層。砂土稍具凍脹性。土中粉土顆粒含量多，凍脹性強。就含水量而言，含水量大，凍脹嚴重。四.凍土定義：溫度低于0℃，并含有冰的特殊土。（一）季節(jié)性凍土

1.定義：冬季凍結(jié)，夏季全部融化的特殊土。

2.成因和分布：高緯度凍土。——長江以北。

3.主要工程地質(zhì)問題:凍脹融沉性。凍土凍土凍土凍土丘凍土丘凍土丘造成路面隆起凍土丘造成鋼軌彎曲凍土丘溶解后形成的熱融沉陷熱融沖溝二、多年凍土及其工程性質(zhì)1.多年凍土的分布及特征：高原凍土：青藏高原及西部高山地區(qū)。高緯度凍土：大小興安嶺，滿洲里－牙克石－黑河以北。高緯度凍土由北向南逐漸變薄，從連續(xù)的多年凍土區(qū)到島狀多年凍土區(qū)，最后尖滅于非多年凍土區(qū)。(1)組成特征凍土由礦物顆粒、冰、未凍結(jié)的水和空氣組成。

未凍水是負溫條件下凍土中仍未凍結(jié)成冰的液態(tài)水，主要是結(jié)合水及毛細水，強結(jié)合水在-78℃時才開始凍結(jié)，弱結(jié)合水在-20—-30℃時凍結(jié)，毛細水的冰點稍低于零度。

(2)結(jié)構(gòu)特征整體結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)三種。整體結(jié)構(gòu)是冰與土成整體狀態(tài)。有較高的凍結(jié)強度，融化后土的原有結(jié)構(gòu)未遭破壞，一般不發(fā)生融沉。工程性質(zhì)較好。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是破壞了原有土狀結(jié)構(gòu)．融凍后土呈軟塑和流塑狀態(tài)，工程性質(zhì)變化較大，性質(zhì)不良。層狀結(jié)構(gòu)是原有土結(jié)構(gòu)完全被分割破壞，融化時產(chǎn)生強烈融沉。

(3)構(gòu)造特征

多年凍土的構(gòu)造是指多年凍土層與季節(jié)凍土層之間的接觸關(guān)系。銜接型構(gòu)造是指季節(jié)凍土的下限，達到或超過了多年凍土層的上限的構(gòu)造。這是穩(wěn)定的和發(fā)展的多年凍土區(qū)的構(gòu)造。

非銜接型構(gòu)造是季節(jié)凍土的下限與多年凍土上限之間有一層不凍土。這種構(gòu)造屬退化的多年凍土區(qū)。（2）力學性質(zhì)

由于冰的存在，使凍土的力學性質(zhì)隨溫度和加載時間而變化的敏感性大大增加。在長期荷載作用下，凍土強度明顯衰減，變形顯著增大。溫度降低時，土中含冰量增加，未凍結(jié)水減少，凍土在短期荷載作用下強度大增，變形可忽略不計。3.分類：按照凍土的凍脹率和融沉情況對其進行的分類。凍脹率n：土在凍結(jié)過程中土體積的相對膨脹量，以百分數(shù)表示：按照n的大小，將多年凍土分為四類：融沉：一是外力作用下的壓縮變形，另一是溫度升高引起的自身融化下沉。分為：不融沉，弱融沉，融沉，強融沉和溶陷。4.工程地質(zhì)問題：

(1)道路邊坡及基底穩(wěn)定問題上限下降：在融沉性多年凍土區(qū)開挖道路路塹，使多年凍土上限下降，由于融沉可能產(chǎn)生基底下沉、邊坡滑塌；上限上升：如果修筑路堤，則多年凍土上限上升，路堤內(nèi)形成凍土結(jié)核，發(fā)生凍脹變形，融化后路堤外部沿凍土上限發(fā)生局部滑塌。熱融湖塘冰錐(2)建筑物地基問題

橋梁、房屋等建筑物地基的主要工程地質(zhì)問題包括凍脹、融沉及長期荷載作用下的流變，以及人為活動引起的熱融下沉等問題。

(3)多年凍土區(qū)主要不良地質(zhì)現(xiàn)象——冰丘和冰錐

多年凍土區(qū)的冰丘、冰錐和季節(jié)凍土區(qū)類似，但規(guī)模更大，時間長（不是每年都凍融一次，有的冰丘、冰錐延續(xù)數(shù)年不融），對工程建筑有嚴重危害，基坑工程和路塹應(yīng)盡量繞避。地表水地下水：盲溝5、凍土防治

⑴

排水

路堤底部鋪設(shè):草皮、苔蘚、爐渣、粘土層

⑵

保溫散熱樁通風管拋石邊坡

⑷

換填土：改為砂、礫、卵石土。

⑸

降低冰點：土中加化學物質(zhì)。

⑹

旱橋擋水埝草皮碎石護坡及片石護道碎石護坡碎石護坡碎石護坡及片石護道遮陽棚遮陽棚熱棒熱棒是一種由碳素無縫鋼管制成的高效熱導裝置，5米埋入地下，地面露出2米。具有獨特的單向傳熱性能：熱量只能從地面下端向地面上端傳輸，反向不能傳熱。熱棒的結(jié)構(gòu)大致為一個密閉空心長棒,內(nèi)裝有一些液氮,液氮沸點較低,在冬季土中熱量使該液體蒸發(fā),到頂部，通過散熱片將熱量傳導給空氣，冷卻后又液化回到下部，保持凍土冷凍狀態(tài)不松軟。在夏季，液體全部變成氣體，氣體對流很小，熱量向底部傳導很慢。熱棒熱棒熱棒通風管改善土的性質(zhì)

(1)換填土

用粗砂、礫石、卵石等不凍脹土代替天然地基的細顆粒凍脹土。是最常采用的防治凍害的措施。(2)物理化學法

在土中加某種化學物質(zhì)，使土粒、水和化學物質(zhì)相互作用，降低土中水的冰點，使水分轉(zhuǎn)移受到影響，從面削弱和防止土的凍脹。換填換填換填旱橋旱橋

各類特殊土的主要特性黃土→濕陷性膨脹土→強烈脹縮性軟土→承載力低，壓縮性高、固結(jié)慢凍土→凍脹融沉性

一.崩塌：

1.崩塌定義：陡峻斜坡上的巨大巖、土體，在重力作用突然脫離坡體，發(fā)生崩落和倒塌的現(xiàn)象。

落石：斜坡上個別巖塊在重力作用下脫離坡體掉落的現(xiàn)象。5.1崩塌與落石崩塌以自由墜落為其主要運動形式，巖塊在斜坡上滑動、滾動并在運動過程中相互碰撞破碎，最終塌落在山腳下形成巖堆。規(guī)模巨大的崩塌稱為山崩，小型崩塌一般被稱為碎落。風化嚴重的巖質(zhì)邊坡常會發(fā)生危石墜落、柱狀或?qū)訝顜r體傾倒以及大量巖土體沿著其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面或裂隙面脫離母體的崩塌現(xiàn)象，黃土高原地區(qū)的高陡土坡也常因人為的掏挖、水的沖刷或浸泡而產(chǎn)生崩塌。高速公路邊坡崩塌汶川地震中崩塌堵塞江湖廣西鳳山山體崩塌

呂梁市離石黃土崩塌

高速公路邊坡崩塌高速公路邊坡崩塌鐵路邊坡崩塌鐵路邊坡崩塌鐵路邊坡崩塌鐵路邊坡崩塌公路邊坡崩塌公路邊坡崩塌公路邊坡崩塌公路邊坡崩塌公路邊坡崩塌公路邊坡崩塌公路邊坡崩塌公路邊坡崩塌礦山邊坡崩塌礦山邊坡崩塌山坡崩塌摧毀民房山坡崩塌摧毀民房山坡崩塌摧毀民房黃土邊坡崩塌掩埋學校學生宿舍山坡崩塌山坡崩塌山坡崩塌河岸崩塌河岸崩塌土質(zhì)邊坡崩塌土質(zhì)邊坡崩塌山坡落石落石造成公路斷道山坡危巖體山坡危巖體山坡危巖體錯落山坡上方有崩落和滑動危險的巨石

二、形成條件和影響因素

地形地貌巖性條件地質(zhì)構(gòu)造條件降雨和地下水地震巖體風化及人類工程活動2.1地形地貌條件（1）地形>450產(chǎn)生崩塌現(xiàn)象的區(qū)域有兩個基本的地形特點：其一是斜坡高峭陡峻，其二是斜坡表面凹凸不平。一般情況下崩塌多發(fā)生在大于45度的斜坡上，其中尤其以55～75度的斜坡居多，其規(guī)模亦相對較大。有人通過鷹廈線漳平工務(wù)段內(nèi)崩塌與坡度和坡高的統(tǒng)計關(guān)系得出，該路段90%的崩塌都發(fā)生在55度以上的斜坡上，所以，高峻陡峭的地形最有可能發(fā)生邊坡巖土體或巖土塊體的崩塌墜落現(xiàn)象。邊坡的表面形態(tài)對崩塌的形成也有一定影響，崩塌一般較易發(fā)生在上陡下緩、表面凹凸不平的斜坡上。（2）峽谷陡坡，卸荷裂隙發(fā)育。（見圖）（3）山區(qū)河谷凹岸：遭受侵蝕。（4）沖溝岸坡和山坡陡崖：巖石不穩(wěn)定。長江西陵峽鏈子崖卸荷裂隙

2.2巖性條件：堅硬巖形成的高陡邊坡

硬質(zhì)巖石往往可形成直立陡壁的自然斜坡，軟質(zhì)巖石由于強度低、抗風化能力、抗地表水沖蝕能力弱，邊坡坡度也相應(yīng)較緩。由硬、軟巖相間構(gòu)成的邊坡，因差異風化使硬巖突出、軟巖內(nèi)凹，突出懸空的硬巖也易于發(fā)生崩塌3.地質(zhì)構(gòu)造條件：褶皺核部及構(gòu)造節(jié)理發(fā)育處(1)若有兩組主要結(jié)構(gòu)構(gòu)造面傾向坡面，其中一組傾角大于斜坡坡度或大于45，另一組傾角小于斜坡坡度[如圖（a）所示]，斜坡上的巖石塊體最易沿低傾角產(chǎn)生崩塌。(2)若有兩組主要結(jié)構(gòu)構(gòu)造面都傾向坡面，且傾角較低(在25o～45o之間)時，是對斜坡穩(wěn)定的最為不利條件[見圖（b）]。(3)若兩組結(jié)構(gòu)面中有一組傾向與斜坡相反，另一組雖傾向坡面，但傾角陡于斜坡坡度時，斜坡一般較為穩(wěn)定，如另一組的傾角小于斜坡坡度時，則也易造成崩塌。(4)若兩組主要結(jié)構(gòu)面的傾向均為背向坡面或一組背向坡面一組接近水平時，斜坡亦可保持較好的穩(wěn)定性。

不利結(jié)構(gòu)面不利結(jié)構(gòu)面的作用不利結(jié)構(gòu)面的作用節(jié)理形成的不利結(jié)構(gòu)面據(jù)統(tǒng)計絕大多數(shù)崩塌都發(fā)生在雨季以及暴雨天氣或暴雨之后，據(jù)統(tǒng)計在寶成、成昆、鷹廈等鐵路線路上，崩塌發(fā)生的時間有70%以上是在雨季。5．地震等其他因素的影響

地震、爆破、人工開挖邊坡土石體甚至列車的震動等都有可能增大邊坡或邊坡巖土塊體不穩(wěn)定性，導致崩塌的發(fā)生。強烈的地震作用首先會使巖土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，并在地震力的反復震動、沖擊下，使邊坡土石體沿原有結(jié)構(gòu)面或沿地震新生結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生崩塌。強烈地震觸發(fā)的崩塌，一般速度均較快，且多集中在極震區(qū)和地面震動烈度較高的區(qū)域，發(fā)生崩塌的規(guī)模一般也較大。爆破施工，人工開挖也是造成崩塌的常見原因。正在行使的列車產(chǎn)生的振動也能引發(fā)崩塌或墜石，京廣線永濟橋至樂昌間的一處大崩塌，就是在1973年4月20日某次列車通過后二、三分鐘發(fā)生后的，具事后分析認為是行使列車產(chǎn)生的振動效應(yīng)所致。4.降雨和地下水三、崩塌形成機理傾倒——崩塌湖北遠安鹽池河磷礦崩塌傾倒式崩塌拉裂——崩塌滑移——崩塌鼓脹——崩塌滑移式崩塌拉裂式崩塌拉裂式崩塌拉裂式崩塌鼓脹式崩塌錯斷——崩塌（剪應(yīng)力）

陡坡上的長柱狀和板狀的不穩(wěn)定巖體，因不穩(wěn)定巖體的重量增加，或因其下部斷面減小，都可能使長柱狀或板狀不穩(wěn)定巖體的下部被剪斷，從而發(fā)生錯斷式崩塌。增加的途徑：1由于地殼上升，河流下切作用加強，使垂直節(jié)理裂隙不斷加深，因此，長柱狀和板狀巖體自重不斷增加。2．在沖刷和其他風化剝蝕營力的作用下，巖體下部的斷面不斷減小，從而導致巖體被剪斷。3．由于人工開挖邊坡過高、過陡，使下面巖體被剪斷，產(chǎn)生崩塌。錯斷式崩塌

崩塌現(xiàn)象一般是急劇、短促、猛烈和突發(fā)性的，因而常具有災難性的后果，規(guī)模小的崩塌崩落的土石方僅有數(shù)立方米到數(shù)十立方米，大者可達數(shù)百、數(shù)千直至數(shù)萬立方米，崩落土石體達到數(shù)十萬、上千萬甚至更多的山體大崩塌多和地震相關(guān)聯(lián)，發(fā)生的次數(shù)也極為有限。大型山崩如果發(fā)生在江河岸坡，有時會堵塞河道，形成堰塞湖，一旦堵塞體潰決便會造成重大災難。1933年8月25日，地震引起四川選溪境內(nèi)岷江岸坡山體大崩塌，崩落體使岷江堵塞，形成三個堰塞湖，致使6800余人死亡，一個多月后，堵塞體被江流沖垮潰決成災，泛濫的江水淹沒了下游的大片農(nóng)田和村莊，又造成2500余人死亡。殘留的崩塌巖堆至今仍保留在岷江河谷中。崩塌對山區(qū)鐵路和公路及道路的安全營運危害很大，也是交通線路上常見的病害之一。在施工中由于崩塌的發(fā)生，可造成嚴重的人身安全事故。在運營線上產(chǎn)生的崩塌、落石，嚴重威脅行車安全，大型的崩塌還會中斷交通運輸，給國民經(jīng)濟造成巨大損失。我國西南、西北和華東地區(qū)，如寶成、寶天、成昆、黔昆、鷹廈等鐵路線歷年均有崩塌、落石的發(fā)生，沿著這些鐵路線常形成崩塌巖堆群。據(jù)不完全統(tǒng)計，崩塌和墜石幾乎占到全部鐵路路基病害工點的50%以上。我國長江三峽區(qū)段，由于川東山地地殼上升，長江垂直侵蝕強烈，河谷深切，岸坡陡峭。在湖北西部西陵峽江段有一處著名的急流險灘叫新灘，該處在北宋天圣4年（公元1026年）發(fā)生了一次大規(guī)模的山體崩塌，數(shù)億立方的土石體落入江中，堵塞江道近15km，嚴重影響通航達25年之久。公元1523年（明嘉靖2年）該處又一次發(fā)生大崩塌，巨量土石方再次落入江中。1985年6月，新灘再度發(fā)生崩塌和滑坡，滑動和崩落的巖土體總量約為3×107m3。船只被迫停航。崩塌的破壞作用：

①建筑物受損②公路和鐵路受損，交通中斷③堵塞河道四、崩塌防治措施：（1）大型崩塌：繞避（2）中型崩塌：明洞、棚洞（3）小型崩塌：（4）排水：天溝、封堵裂縫

1．繞避

對于可能發(fā)生大型崩塌的地段或崩塌嚴重且頻發(fā)地段，在工程建設(shè)選址或線路選擇時應(yīng)盡量避開。（2）遮擋措施當山坡上方的巖石風化破碎嚴重，崩塌、墜石規(guī)模較大且頻發(fā)，采用攔截措施又存在困難時，可采用遮擋措施，線路上常用的遮擋構(gòu)筑物有拱形明洞、板式棚洞、懸臂式棚洞及半明洞等。1)拱形明洞：由拱圈和兩側(cè)邊墻構(gòu)成。結(jié)構(gòu)堅固牢靠，可抵御較大的崩塌推力。

2)板式棚洞：由鋼筋混凝土頂板和兩側(cè)邊墻構(gòu)成。頂部填土，山體側(cè)壓力全部由內(nèi)邊墻承受，外邊墻只承受由頂板傳來的垂直壓力。明洞與棚洞正在修建的明洞正在修建的明洞明洞棚洞棚洞棚橋棚橋3)懸臂式棚洞：由懸臂式頂板和內(nèi)邊墻組成。內(nèi)邊墻承受洞頂填土的壓力和側(cè)壓力等全部壓力。4)半明洞：在山坡上開鑿出的半拱形凹槽，其遮攔原理與懸臂式棚洞完全相同，是讓崩塌物順著山坡滾向線路下方的溝谷中去。懸臂棚洞2．加固山坡和路塹邊坡（臨近建筑物處）支補：是在上部懸空的危巖下設(shè)置漿砌片石支墩或混凝土支頂墻等支撐體。其基本條件是支墩或支頂墻基礎(chǔ)穩(wěn)固，無滑動崩落危險.

插別：插別是用圓鋼或鐵路部門廢棄的鋼軌緊貼危巖體（塊），并將圓鋼或鋼軌垂直插入其下的穩(wěn)定巖體，并用水泥砂漿將其與巖體錨接在一起，用圓鋼或鋼軌的抗彎能力來保證危巖體不發(fā)生崩落。錨固：采用錨桿、錨索等加固。灌漿：使松散巖體變得完整。另有掛網(wǎng)噴漿，鋼索拉牽，托梁加固等。支撐垛支撐垛支撐垛加固措施錨索錨索框架錨索框架錨索（1）攔截措施當山坡上方的巖石風化破碎嚴重，崩塌、落石規(guī)模不大卻頻頻發(fā)生，而且建筑物或線路與坡腳之間有足夠空間或地勢合適時，可修筑攔截構(gòu)筑物以攔截落石。常見的攔截構(gòu)筑物有落石平臺、落石槽、攔石堤(攔石墻)、攔石柵欄等。3．修筑攔擋建筑物擋墻擋墻