季節(jié)性凍土對工程的影響及防范措施

1、季節(jié)性凍土對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。一般可分為短時凍 土（數(shù)小時/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) 萬年以上）。地球上多年凍土，季節(jié)凍土和短時凍土區(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，其長期強度遠低于瞬時強度特征。 中國凍土可分為季節(jié)凍土和多年凍土。 季節(jié)凍土占中國領(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，繞四川盆地北緣，到長沙、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

2、部可超過3米,往南隨緯度降低而減少。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，總面積為全國領(lǐng)土面積的1/5強。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，凍融作用則成為凍 土地貌發(fā)育的最活躍因素。隨著凍土區(qū)溫度周期性地發(fā)生正負變化，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)雜過程，稱為凍融作用。它包括融凍 風(fēng)化、融凍擾動和融凍泥流作用。融凍泥流是凍土地區(qū)最重要的物質(zhì)運移和地貌 作用過程之一。一般發(fā)生在數(shù)度至十余度的斜坡上。當凍土層上部解凍時，融水 使主要

3、由細粒土組成的表層物質(zhì)， 達到飽和或過飽和狀態(tài)，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，形成融凍泥流， 年平均流速一般不足1米。由于泥流順坡蠕動時，各層流速不一，表層流速大于 下層，所以有時可把泥炭、草皮等卷進活動層剖面中，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。 自地表面至凍結(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。我國季 節(jié)性凍土區(qū)面積大約513.7萬平方千米，占國土面積的 53.5%,其南界西從云南 章鳳，向東經(jīng)昆明、貴陽，繞四川盆地北緣，至V長沙、安慶、杭州一帶。季節(jié)凍 結(jié)深度在黑龍

4、江省南部、內(nèi)蒙古東北部、吉林省西北部可超過3米，往南隨緯度 降低而減少。季節(jié)性凍土的凍脹性、融沉性等特性對工程影響重大。 所以在季節(jié) 性凍土地區(qū)的工程建筑或項目應(yīng)特別注意考慮季節(jié)性凍土對工程的影響及防范 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，但歸納起來主要有三個方面，即通常所說的土、水、溫三大要素1土中含水量對凍脹的影響國內(nèi)很多資料表明，土中凍前含水量對凍脹有一定影響，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：n = a （W- Wp ）式中：n 凍脹率（%）W 凍土層內(nèi)凍前平均含水量 （%）

5、Wp 起始凍脹（相當塑限）含水量（）a 系數(shù)。關(guān)于系數(shù)a，目前各家取值不一。如中國科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所、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n :n =1.09 丫 d（W- Wp）/2 Y W0.8（W-Wp）式中：丫 d土的干容重（1500kg/m 3）Y W水容重另一些單位和學(xué)者則根據(jù)室內(nèi)實驗提出a值，如大慶油田設(shè)計院取 a為0.67 ,建工部建筑研究院則取 a為0.32地下水對凍脹的影響地下水作用于凍脹的機理，歸根結(jié)底就是凍土中水分遷移的問題。地下水位的高低對凍脹影響可定性描述為： 地下水位越淺，土的

6、凍脹量也越大。 土質(zhì)條件相同時，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)且其他條件保持不變，在凍結(jié)過程中，凍脹量逐漸增大，地下水位呈下降趨勢。季節(jié)性凍土對磚木結(jié)構(gòu)起脊房屋的危害分析寒冷及嚴寒地區(qū)，季節(jié)性凍土凍結(jié)時膨脹強度高 （或承載力大）,解凍時融陷強度低（或承載力小）,對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，如建筑物墻體開裂。為了避免這類事故的發(fā)生，在冬期進行地基基礎(chǔ)施工時，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，隨砌筑基礎(chǔ)，隨回填土方。按采暖設(shè)計的房屋基礎(chǔ)頂面和兩側(cè) 做好覆蓋保溫

7、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，進行歸類總結(jié)，主要形成了凍脹、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)鋒面前進過程和已凍土繼續(xù)降溫過程中，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%;而當土體凍結(jié)以后，由于土顆粒表面能的作用，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的凍結(jié)鋒面后方并凍結(jié)，分凝成冰透鏡體，這一過程稱

8、為分凝凍脹，分凝凍脹過程造成體積增大1. 09倍。通過對發(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 粉質(zhì)黏土、黏土。天然含水量為12. 5%一 33. 5%, 土層凍脹等級及類別為HV級強凍脹。局管內(nèi)發(fā)生的大部分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40mm軌道道釘和扣件難以保持軌距，嚴重影響行車安全。凍脹本身不僅引起基床破壞，還可引起橋梁、涵洞基礎(chǔ)的凍害。2融沉季節(jié)性凍土融化時， 冰晶和冰膜融化成水， 土層在重力和上覆荷載的作用下，路基及基床會產(chǎn)生不同程度的沉降，即融沉。融沉一般有兩個特性_2j

9、:其一，由于自然營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)下沉一段時間，有的路段突發(fā)大量地沉陷，并使周圍部分土體隆起。 這是因為凍路基土融化后處于飽和狀態(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。當基底土層的散熱超過吸熱時，地溫上升，凍土融化，人為上限下降，路堤就會產(chǎn)生融沉病害。路堤越低，意味著在從上界流 向地中

10、的傳熱過程中，熱阻減小。路堤自身的儲熱能力變小，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)獨特的地質(zhì)、 地理環(huán)境，導(dǎo)致在某些路段凍結(jié)時間長， 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。這部分自由水不能及時排出，造成土基軟弱，強度急劇降低，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， 需要不斷進行緊急整修。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。無論冬季的線路凍害或

11、是春融期的翻漿冒泥的威脅，致使每年列車通過減速，甚至不得不封鎖線路處理。例如，京包線 K681+400處翻漿冒泥比較嚴重，但是路局內(nèi)路基凍害中翻漿冒泥現(xiàn)象 較少見。凍脹病害的整治措施及其原理1換填基床土國內(nèi)外的工程實踐表明， 用較純凈的砂礫或中、 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

12、、暗溝、截水溝等，截斷、疏導(dǎo)地下水或降低地下水 位，以防治因地下水補給而引起凍脹。3無機結(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)或減小凍結(jié)深度。 保溫材料一般用爐渣，其導(dǎo)熱系數(shù)小、，成本低廉，也可用石棉、泡沫聚苯乙烯板等保溫材料。國外經(jīng)驗表明，用泥炭或冷壓泥炭磚作保溫材料，效果良好，使用時間長。濕度大的泥 炭在水分凍結(jié)時，會釋放大量潛熱，能防止泥炭進一步凍結(jié)。4人工鹽化路基土溶于水中的鹽類能使水溶液的冰點低于淡水，而且濃度越大，冰點越低。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

13、實，減少鹽的流失。鹽化處理易于施工，成本較低，但只能減小 凍脹，不能根除凍害，應(yīng)與其他辦法結(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)新的路基鹽漬化病害。季節(jié)性凍土區(qū)和多年凍土區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析凍土層對橋墩地震反應(yīng)的影響（1）關(guān)于凍土層對橋墩地震反應(yīng)（墩底應(yīng)力）的影響問題：在I類場地上，無論是季節(jié)性凍土還是多年凍土層，對橋墩地震反應(yīng)的影響不大。在II類場地上，凍土層對橋墩地震反應(yīng)的影響十分顯著，不同類型凍土場地上橋墩的最大反應(yīng)差值可達1倍以上。在I、II類場地上，墩高在10-22m時,凍土層對橋墩地震反應(yīng)的影響最為顯著。在一般情況下，橋墩的地震反

14、應(yīng)與凍土性質(zhì)、橋墩的動力特性以及地震波的性質(zhì)均密切相關(guān)。按融土狀態(tài)進行設(shè)計往往是不安全的，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應(yīng)（墩底應(yīng)力）的差異問題：對淺基礎(chǔ)，在I、類場地上，墩高在4-10m的矮墩，冬季（凍土）時的反應(yīng)普遍要小于夏季 （融土）時的反應(yīng)。因此，對于矮墩 按夏季（融土狀態(tài)）進行設(shè)計是偏于安全的。在 II類場地上，對淺基礎(chǔ)，墩高在10m以上的 橋墩以及修建在挖孔灌注樁基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)上的橋墩，其地震反應(yīng)到底是夏季大還是冬季大沒有一致的規(guī)律性，但在冬夏兩季的橋墩地震反應(yīng)的最大差值僅為6%-11%，故在抗震設(shè)計中可不予考慮。（3）不同類型基礎(chǔ)的影響比較 。一般情

15、況下，淺基礎(chǔ)比深基礎(chǔ)（挖孔灌注樁基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)）橋墩的地震反應(yīng)要小，但也有少數(shù)例外的情況。挖孔灌注樁基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)橋墩相比，其地震反應(yīng)的大小無明顯規(guī)律性，但從統(tǒng)計結(jié)果看，挖孔灌注樁基礎(chǔ)橋墩的地震反應(yīng)要略大于樁基礎(chǔ)。但這并不表示淺基礎(chǔ)橋墩的抗震性能優(yōu)于深基礎(chǔ)，因為在地震引起地基失效后，淺基礎(chǔ)橋墩的震害往往比深基礎(chǔ)橋墩要嚴重得多。因此，采用何種基礎(chǔ)類型應(yīng)根據(jù)地基的承載力由靜力設(shè)計確定。結(jié)束語中國凍土分布十分廣泛，季節(jié)性凍土和多年凍土影響的面積約占中國陸地總面積的70%在我國東部區(qū)域，從最北端的大小興安嶺地區(qū)到長江流域都有凍土分布，在個別年份凍土的范圍擴展到浙江、湖南和福建等省份；在西北地區(qū)，青藏高原地

16、區(qū)都有廣泛的多年凍土和,而青藏高原凍季節(jié)性凍土的分布。中國東部地區(qū)凍土的分布主要表現(xiàn)為隨緯度呈帶狀分布土分布主要表現(xiàn)為隨海拔高度呈垂直地帶性分布，西北地區(qū)則兩者兼而有之。在全球變暖景下,近幾十年來，中國地區(qū)的凍土總體表現(xiàn)為最大凍土深度減小，凍結(jié)時間推遲，融化時間提前，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。凍土的主要轉(zhuǎn) 型時期發(fā)生在20世紀80年代中期。同時，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部分地區(qū)、青藏高原的柴達木盆地北部地區(qū)、青海東南部部分地區(qū)，凍土是總體呈增加的趨勢。季節(jié)性凍土的凍脹性、融沉性等特性對工程影響重大。本文對季節(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要概述。所以在季節(jié)性凍土地區(qū)的工程建筑或項目應(yīng)特別注意考慮季節(jié)性凍土對工程的影響及防范措施。隨著科學(xué)的發(fā)展技術(shù)的進步， 會出臺越來越成熟、效果越來越顯著、成本越來越低的技術(shù)或手段。參考文獻1 周幼吾，郭東信，程國棟等中國凍土 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)計輔導(dǎo)M1北京：中國鐵道出版社，19824