吉林省凍土區(qū)土壤水移動與水分變化

吉林省凍土區(qū)土壤水移動與水分變化

我省位于青藏高原東北部，是中低緯度較高的地區(qū)。全省屬于冬季凍土和多年凍土。由于冬季凍結時期土壤內部分水分的遷移作用,導致土壤含水量增大形成凍脹,春季融化又形成翻漿。在多年凍土地區(qū)由于地面排水不良和地下隔離阻止水分下滲而形成土壤過濕帶,且多年凍土內往往還埋藏有冰川退化后遺留下的地下冰,這些都對道路建筑或構造物的使用造成很大的危害。1土壤凍結變化機(1)束縛水膜的凍結冬季土內水分的移動積聚過程是由于土壤顆粒表面束縛水膜凍結溫度降低而引起的。當土壤溫度達到零度時土內的自由水首先凍結出現冰凍晶體,土壤表面則為束縛水膜包裹,由于束縛水膜表面張力的作用,它要在更低溫度下才能凍結。當土溫繼續(xù)降低時,冰晶體周圍水膜內的一部分水分子就被冰晶體吸引而加入晶體格子,使晶體朝損失熱量的方向逐漸加大,此時束縛水膜內的游子的濃度增加,使得凍結區(qū)域內的束縛水膜與尚未凍結區(qū)域內的束縛水膜之間產生滲透的差異,由于這個壓力差異的影響,使得束縛水膜朝凍結區(qū)方向移動,直至凍結區(qū)內水膜的連續(xù)性被破壞為止。束縛水的移動過程由-1℃開始,-3℃終止,-3℃之后土壤全部凍結。(2)b凍結穩(wěn)定階段土壤中水的情況,可以用土的濕度隨著所在地區(qū)一年四季中氣象和水文條件改變的周年循環(huán)來表述,有下列六個階段組成:①秋季土壤上層濕度升高階段,由于大氣降水下滲和蒸發(fā)不足而引起的。②水分聚積階段,由于土壤凍結時,水分在負溫作用下發(fā)生移動所造成的。③凍結升華階段,此階段濕度降低,常常是因為地下水位很低而又缺少雪蓋造成的。④飽和階段,即凍結最大深度長期保持在同一高程上,濕度急劇上升的時期,此時土體內含有很多冰晶而致總體積增加,土的表面隆起,可達10～20cm或更多。⑤土壤失去強度階段,此階段大約從融化到凍結深度的一半開始,融化了的土層含水量有時超過液限界限,使土體完全失去穩(wěn)定性。⑥過渡到夏季水的階段,此階段從融化深度增加,日照水分蒸發(fā)加大,下降的時候開始,直至秋季土壤因降雨濕度開始升高時為止。2凍土融沉性的表現多年凍土是一種對溫度敏感和易變的地質體,是低溫的多相體系。在這個多相體系中,水和冰是最易相變的,其工程地質特性的變化是凍土各相隨環(huán)境溫度變化的綜合反映。(1)凍土在融化過程中,再自重壓密作用下會不斷的產生捧水下沉為融沉性。在融沉過程中,不僅凍土中冰轉變?yōu)樗畷r。相變體積會縮小,還會產生空隙水的消散與排泄。凍土的融沉性與凍土的密度成分、含水量、密度、空隙水的消散條件有關,凍土融化后在附加荷載的壓密作用下,土體體積繼續(xù)產生壓縮,并伴隨著空隙水的消散和排泄。凍土路基下的融化夾層,在這種掉水固結條件下,土體壓縮下沉往往非常緩慢,滯后過程很長。(2)隨著多年凍土季節(jié)融化層凍結而發(fā)生土中水分凍結,產生土體體積的膨脹的膨脹性。它取決于土體的粒度成分、礦物成分、含水量、凍結條件等。凍脹的主要表現是土層不均勻升高,當路基土層產生凍脹時會導致路基開裂、路面裂縫及破損。如果公路橋涵基礎修建在凍脹土中,就會受到凍張力的作用,當恒載不能克服凍脹力時,橋涵基礎、樁將被隆起導致結構物破壞。(3)溫度是引起凍土地基融沉、凍脹的主要原因。但若土中無水或含水量很小,雖有溫度的升降,土是不會產生融沉與凍脹的,即融而不沉或凍而不脹,只有土的含水量大于某一數值后,土才明顯地出現融沉與凍脹。3季節(jié)融冰柱內的凍脹多年凍土人工構造物變形的原因主要有:(1)人工構造物地基內多年凍土的解凍。(2)季節(jié)融化層土壤在凍結時的凍脹。(3)在構造物下面以及緊鄰構造物附近形成的冰椎。多年凍土的解凍,本能地改變了土壤的力學性質,使其強度大大降低。即使是冰飽和度較低的土壤,粘聚力也會顯著減小或變成流動狀態(tài),即使是很小的壓力也容易使土壤從基礎下擠出。若土壤內有冰夾層或飽和度很高,解凍土壤的沉陷會造成災害,此時構造物基礎各部分所發(fā)生的沉陷都是不均勻的。假使凍層未解凍的表面具有足夠的傾斜度,則基礎下面土壤的解凍就可形成土壤滑瀉和基礎滑動的原因。季節(jié)融化層土壤在凍結時的凍脹,由于氣候特點,融化層內水溫情況和覆蓋土壤的特征,凍脹現象較一般地區(qū)嚴重,如季節(jié)融化層土壤為粉質土和淤泥時,則具有很厲害的凍脹性。季節(jié)融化層土壤在凍脹的影響下向上隆起,構造物基礎側面與土壤凍結一起,就會發(fā)生把基礎向上抬起或出現將基礎圬工拉裂的現象,基礎下出現的空隙將土和冰的混合物全部或部分填充,當四周土壤解凍時,基礎一般不會沉降到原來的設計高程,經過多年的凍脹作用,往往會使基礎變形積累起來使基礎向上凸出。假如構造物四周為條形基礎,土壤凍脹可能成為垂直壓力和水平壓力作用于基礎上,可能是基礎、墻身等受彎矩的作用發(fā)生裂縫斷裂和傾倒等。多年凍土區(qū),一種常見的典型現象是構造物因產生冰錐而受到影響,這種冰錐可能生成與構造物基礎下面或其直接鄰近地方,還可能發(fā)生水流方向地面上升沖破凍丘而溢出復又結冰等。大型的土壤冰錐則可能成為橋梁、涵洞路基、堤壩等嚴重破壞的原因。4路工程地質勘察由于多年凍土的特性,多年凍土區(qū)公路工程地質勘察是多年凍土區(qū)公路建設的基礎工作。其目的是為設計、施工提供詳實的凍土工程資料和必要的設計參數。(1)凍土凍結情況①氣候和氣象數據:a月、年平均氣溫及絕對最低氣溫;b年不凍期的平均日數及最低日數;c年內日平均氣溫大于5℃的日數;d年平均降水日數及降水、降雪量;e雪蓋和風向等。②場地植被及地形特征:a地貌特征,熱融湖塘、熱溶洞和融凍泥流等;b日照情形;c植被覆蓋情況;d地質情況及有無泥炭的存在等。③季節(jié)融化層的厚度(凍土上限)及土壤種類。④多年凍土凍結情形的結構特點:a凍土內溫度在垂直方向的變化情況;b凍結的持久的或退化的)、結構連續(xù)的或分層的)以及凍土的厚度;c土壤的巖石成分;d飽和狀態(tài)的特征;e凍結狀態(tài)(干的、固態(tài)和塑性狀態(tài)的);f解凍土的沉陷性。⑤水文地質情況:a地下水的種類(層上水、層間水或層下水);b地下水和土壤的溫度情況;c水源在平面上的位置;d冰錐冰丘等。⑥施工和使用期間場地凍融和水情可能發(fā)生的變化。(2)線路的選用應符合以下條件①線路盡量選擇在干燥的斜坡上。一般情況下,地面橫向坡度平緩,其覆蓋層和其巖面間坡度亦平緩,因而使路基不會有滑動現象,較為穩(wěn)定。②線路盡量定在向陽的斜坡上。陽坡受日照時間長,因而地面吸熱量大,水分多被蒸發(fā),冬季積雪少,植物覆蓋層薄,地表較為干燥,土壤含水量小。③線路盡量定在良好的土壤上。是指塊石、碎石,卵石、砂石等粗粒土和含水量少的硬塑至干硬的粘土上,地表干燥、土壤凍脹小、力學性質好,有利于基底穩(wěn)定。④線路盡量避免有活動性的熱溶洞和有冰錐冰丘的地帶。路線應遠離冰錐、冰丘10m以外,無法避免時應盡量以填方通過。⑤路線跨越分水嶺時,為降低高度,多選在低矮的埡口通過。這些低矮的埡口往往蘊藏著不同程度的地下水,在地形上兩翼高突,中間低平呈馬鞍狀。(3)石土地段的河口狹窄處①大中橋應盡量選擇在大河融區(qū)地段或分布有多年凍土河床的基巖、卵石土、和礫石土地段的河床狹窄處。②小橋涵的位置一般應服從線路的最合理方案,但如遇較大冰錐冰丘、熱融湖塘,熱融滑坍、融凍泥流等不良地質或病害地段,在不影響路線走向的前提下適當移動線路位置,以改善小橋涵的建筑及營運使用條件。5近年來，冷凍區(qū)域的道路建設應注意一些問題(1)混凝土施工在縫通過對多年凍土地區(qū)橋涵使用情況調查,發(fā)現橋涵損壞的主要有:①基礎下沉、隆起;②下部結構開裂;③鋼筋混凝土構件斷裂,出現裂縫,混凝土脫落、露筋;④導流設施下沉、傾倒、鋪砌凍脹等。就混凝土的施工而言,易在氣溫較高的暖季,安排鋼筋混凝土構件的預制作業(yè)和按照容許地基土融化設計的基礎工程施工,有利于混凝土強度的形成和地基處理。按照保持地基土凍結設計的樁基礎工程,安排在氣溫較低的季節(jié)施工。明挖基礎施工易在相對氣溫較低的季節(jié)施工,但最好避開氣溫最高的月份,通常在7月份以前完成開挖和基礎施工。(2)明挖快速施工①施工季節(jié)宜選擇5月底至10月初最為宜;②開挖基坑宜采用明挖快速施工為宜:一定要防止暴露時間太長;暴露時間一般不宜超過15h;③在施工砂粒墊層前,降雪、降雪融化水或降雨水以及基坑內淤泥和松軟濕土徹底清除,而不受基底標高的限制。(3)施工季節(jié)設計①溫度的控制:適當提高瀝青混合料的拌合溫度10～20℃,出料溫度控制在140～150℃;②最佳施工季節(jié)為每年6～8月;③接