季节性冻土对工程的影响及防范措施

季节性冻土对工程的影响及防范措施冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土（数小时/数日以至半月），季节冻土（半月至数月）以及多年冻土（数年至数万年以上）。地球上多年冻土，季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50%，其中，多年冻土面积占陆地面积的25%。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。中国冻土可分为季节冻土和多年冻土。季节冻土占中国领土面积一半以上，其南界西从云南章凤，向东经昆明、贵阳，绕四川盆地北缘，到长沙、安庆、杭州一带。季节冻结深度在黑龙江省南部、内蒙古东北部、吉林省西北部可超过3米，往南随纬度降低而减少。多年冻土分布在东北大、小兴安岭，西部阿尔泰山、天山、祁连山及青藏高原等地，总面积为全国领土面积的1/5强。冻土地区气温低，土层冻结，降水少，流水、风力和溶蚀等外力作用都不显著，冻融作用则成为冻土地貌发育的最活跃因素。随着冻土区温度周期性地发生正负变化，冻土层中水分相应地出现相变与迁移，导致岩石的破坏，沉积物受到分选和干扰，冻土层发生变形，产生冻胀、融陷和流变等一系列复杂过程，称为冻融作用。它包括融冻风化、融冻扰动和融冻泥流作用。融冻泥流是冻土地区最重要的物质运移和地貌作用过程之一。一般发生在数度至十余度的斜坡上。当冻土层上部解冻时，融水使主要由细粒土组成的表层物质，达到饱和或过饱和状态，从而使上层土层具有一定的可塑性，在重力的作用下，沿着融冻界面向下缓慢移动，形成融冻泥流，年平均流速一般不足1米。由于泥流顺坡蠕动时，各层流速不一，表层流速大于下层，所以有时可把泥炭、草皮等卷进活动层剖面中，产生褶皱和圆柱体等构造形态。季节性冻土指的是冬季冻结春季融化的土层。自地表面至冻结层底面的厚度称冻结深度。季节性冻土是受季节性的影响，冬季冻结、夏季全部融化。我国季节性冻土区面积大约513.7万平方千米，占国土面积的53.5%,其南界西从云南章凤，向东经昆明、贵阳，绕四川盆地北缘，到长沙、安庆、杭州一带。季节冻结深度在黑龙江省南部、内蒙古东北部、吉林省西北部可超过3米，往南随纬度降低而减少。季节性冻土的冻胀性、融沉性等特性对工程影响重大。所以在季节性冻土地区的工程建筑或项目应特别注意考虑季节性冻土对工程的影响及防范措施。影响土的冻胀性因素影响土的冻胀性因素很多,如土的颗粒组成、土的矿物成分、含水量、土体密度、土中温度及梯度等,但归纳起来主要有三个方面,即通常所说的土、水、温三大要素1土中含水量对冻胀的影响国内很多资料表明,土中冻前含水量对冻胀有一定影响,但不是全部水分,而是超出起始冻胀含水量的水分,其关系式用下式表达:η=α(W-Wp)式中:η—冻胀率(%)W—冻土层内冻前平均含水量(%)Wp—起始冻胀(相当塑限)含水量(%)α—系数。关于系数α,目前各家取值不一。如中国科学院兰州冰川冻土研究所、哈尔滨建筑工程学院和黑龙江省寒地建筑科学研究院等是根据理论计算给值,即考虑粘土在封闭系统情况下最大可能产生的平均冻胀率η:η=1.09γd(W-Wp)/2γW≈0.8(W-Wp)式中:γd—土的干容重(1500kg/m3)γW—水容重另一些单位和学者则根据室内实验提出α值，如大庆油田设计院取α为0.67，建工部建筑研究院则取α为0.32地下水对冻胀的影响地下水作用于冻胀的机理,归根结底就是冻土中水分迁移的问题。地下水位的高低对冻胀影响可定性描述为：地下水位越浅,土的冻胀量也越大。土质条件相同时,地下水埋藏深度与土体冻胀性近于反比关系。如果地下水位在临界深度以内且其他条件保持不变,在冻结过程中,冻胀量逐渐增大,地下水位呈下降趋势。季节性冻土对砖木结构起脊房屋的危害分析寒冷及严寒地区,季节性冻土冻结时膨胀强度高(或承载力大),解冻时融陷强度低(或承载力小),对冬期和春融期施工增添了一定的难度和复杂性。如考虑不周或不加重视,就可能会导致不同程度的工程质量事故的发生，如建筑物墙体开裂。为了避免这类事故的发生,在冬期进行地基基础施工时,除了在砌筑砂浆或混凝土中掺防冻剂外,还应做到随挖基槽,随砌筑基础,随回填土方。按采暖设计的房屋基础顶面和两侧做好覆盖保温工作。季节性冻土地区路基冻害及其防治措施路基冻害的分类根据沿线季节性冻土地区所出现的路基冻害现象，进行归类总结，主要形成了冻胀、融沉、翻浆冒泥等三种路基病害。1冻胀冻胀是指由于土的冻结作用而造成的体积膨胀现象，这是季节性冻土区常常遇见的病害。冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀两类，原位冻胀是指冻结锋面前进过程和已冻土继续降温过程中，正冻土中的孔隙水或已冻土中的未冻水原位冻结，造成体积增9％；而当土体冻结以后，由于土颗粒表面能的作用，土中始终存在未冻结的薄膜水。在温度梯度的诱导下，薄膜水会从温度高处向温度低处迁移，正是由于水的抽吸作用使水分集聚在前进的冻结锋面后方并冻结，分凝成冰透镜体，这一过程称为分凝冻胀，分凝冻胀过程造成体积增大1．09倍。通过对发生病害处路肩挖探、铲探及钎探，发生冻害处的路基土质以粉土为主，局部为粉质黏土、黏土。天然含水量为12．5％一33．5％，土层冻胀等级及类别为Ⅱ～V级强冻胀。局管内发生的大部分路基冻害是该类型冻胀，京包线K614+010～K781+670间尤为突出，出现不均匀胀高，每年冬季冻起高度达40mm，轨道道钉和扣件难以保持轨距，严重影响行车安全。冻胀本身不仅引起基床破坏，还可引起桥梁、涵洞基础的冻害。2融沉季节性冻土融化时，冰晶和冰膜融化成水，土层在重力和上覆荷载的作用下，路基及基床会产生不同程度的沉降，即融沉。融沉一般有两个特性_2j：其一，由于自然营力和人为因素及土体各方面的差异，融沉在空间上具有不连续性，厚度上具有不均匀性。有的路段在以较慢的速度连续下沉一段时间，有的路段突发大量地沉陷，并使周围部分土体隆起。这是因为冻路基土融化后处于饱和状态，其承载力几乎为零，在外部荷载作用下，基床瞬间产生大幅度沉陷并有大量积水冒出。其二，融沉多发生在低路堤地段。由于路堤高度、坡向、填料类别、保温设施，以及施工季节和施工后形成的地表特征、水文特征及冻土介质特征等因素的综合影响，土体中各土层的散热和吸热有极大差异。当基底土层的散热超过吸热时，地温上升，冻土融化，人为上限下降，路堤就会产生融沉病害。路堤越低，意味着在从上界流向地中的传热过程中，热阻减小。路堤自身的储热能力变小，不利于热稳定，从而易导致路基发生融沉。3翻浆冒泥由于局管内独特的地质、地理环境，导致在某些路段冻结时间长，解冻缓慢，加之大量的积雪融化后雪水下渗，这样就在解冻层和未解冻层之间形成自由水。这部分自由水不能及时排出，造成土基软弱，强度急剧降低，在列车荷载作用下，路基面发生鼓包、唧泥现象，即为翻浆。这种冻害主要发生在河漫滩地貌单元、山前冲洪积平原、坡地的下坡部位、冬前路沟积满水的地段。翻浆冒泥导致道床下沉，轨道状态不良，几何尺寸变化频繁，需要不断进行紧急整修。翻浆冒泥引起钢轨水平差较大，导致钢筋混凝土轨枕产生纵横裂纹。无论冬季的线路冻害或是春融期的翻浆冒泥的威胁，致使每年列车通过减速，甚至不得不封锁线路处理。例如，京包线K681+400处翻浆冒泥比较严重，但是路局内路基冻害中翻浆冒泥现象较少见。冻胀病害的整治措施及其原理1换填基床土国内外的工程实践表明，用较纯净的砂砾或中、粗砂换填季节性冻土，是削减地基土冻害的理想方法之一。在平面和纵断面受到限制的情况下，如岔区路基冻害及特大桥、大桥两端的路基冻害主要采用换填整治的方法。换土深度应至冻结深度之下，换土宽度应包括路肩在内的整断面。2修建减少路基基床含水量的排水设施修建减少路基基床含水量的排水设施。如修建具有抗冻防渗能力的地表排水设施，以防治因地表水节而引起的冻胀；修建渗沟、暗沟、截水沟等，截断、疏导地下水或降低地下水位，以防治因地下水补给而引起冻胀。3无机结合料稳定土保温法在基床表层铺设保温层，改善基床温度环境，使表层下的基床土不冻结或减小冻结深度。保温材料一般用炉渣，其导热系数小、，成本低廉，也可用石棉、泡沫聚苯乙烯板等保温材料。国外经验表明，用泥炭或冷压泥炭砖作保温材料，效果良好，使用时间长。湿度大的泥炭在水分冻结时，会释放大量潜热，能防止泥炭进一步冻结。4人工盐化路基土溶于水中的盐类能使水溶液的冰点低于淡水，而且浓度越大，冰点越低。主要有挖轨枕槽铺盐，打孔注盐，稀释注人和土盐拌和等几种施工方法。打孔注盐的深度至冻结深度的80％，盐化处理后的土应夯实，减少盐的流失。盐化处理易于施工，成本较低，但只能减小冻胀，不能根除冻害，应与其他办法结合使用，或在低温极值较高的病害轻微段使用，并要根据线路的具体地质条件综合考虑，以防出现新的路基盐渍化病害。季节性冻土区和多年冻土区桥梁结构地震反应分析冻土层对桥墩地震反应的影响(1)关于冻土层对桥墩地震反应(墩底应力)的影响问题:①在I类场地上,无论是季节性冻土还是多年冻土层,对桥墩地震反应的影响不大。②在II类场地上,冻土层对桥墩地震反应的影响十分显著,不同类型冻土场地上桥墩的最大反应差值可达1倍以上。③在I、II类场地上,墩高在10-22m时,冻土层对桥墩地震反应的影响最为显著。④在一般情况下,桥墩的地震反应与冻土性质、桥墩的动力特性以及地震波的性质均密切相关。按融土状态进行设计往往是不安全的,需要考虑桥墩与冻土层相互作用的影响。(2)关于冬夏季桥墩地震反应(墩底应力)的差异问题:①对浅基础,在I、II类场地上,墩高在4-10m的矮墩,冬季(冻土)时的反应普遍要小于夏季(融土)时的反应。因此,对于矮墩按夏季(融土状态)进行设计是偏于安全的。②在II类场地上,对浅基础,墩高在10m以上的桥墩以及修建在挖孔灌注桩基础和桩基础上的桥墩,其地震反应到底是夏季大还是冬季大没有一致的规律性,但在冬夏两季的桥墩地震反应的最大差值仅为6%-11%,故在抗震设计中可不予考虑。(3)不同类型基础的影响比较。一般情况下,浅基础比深基础(挖孔灌注桩基础、桩基础)桥墩的地震反应要小,但也有少数例外的情况。挖孔灌注桩基础与桩基础桥墩相比,其地震反应的大小无明显规律性,但从统计结果看,挖孔灌注桩基础桥墩的地震反应要略大于桩基础。但这并不表示浅基础桥墩的抗震性能优于深基础,因为在地震引起地基失效后,浅基础桥墩的震害往往比深基础桥墩要严重得多。因此,采用何种基础类型应根据地基的承载力由静力设计确定。结束语中国冻土分布十分广泛,季节性冻土和多年冻土影响的面积约占中国陆地总面积的70%。在我国东部区域,从最北端的大小兴安岭地区到长江流域都有冻土分布,在个别年份冻土的范围扩展到浙江、湖南和福建等省份;在西北地区,青藏高原地区都有广泛的多年冻土和季节性冻土的分布。中国东部地区冻土的分布主要表现为随纬度呈带状分布,而青藏高原冻土分布主要表现为随海拔高度呈垂直地带性分布,西北地区则两者兼而有之。在全球变暖景下,近几十年来,中国地区的冻土总体表现为最大冻土深度减小,冻结时间推迟,融化时间提前,冻结持续日缩短,多年冻土面积萎缩,以及冻土下界上升的总体退化趋势。冻土的主要转型时期发生在20世纪80年代中期。同时,在一些地区的冻土也有不同的变化,例如在东北大兴安岭部分地区、青藏高原的柴达木盆地北部地区、青海东南部部分地区,冻土是总体呈增加的趋势。季节性冻土的冻胀性、融沉性等特性对工程影响重大。本文对季节性冻土的影响因素、分类、各种工程的影响及防范措施作了简要概述。所以在季节性冻土地区的工程建筑或项目应特别注意考虑季节性冻土对工程的影响及防范措施。随着科学的发展技术的进步，会出台越来越成熟、效果越来越显著、成本越来越低的技术或手段。参考文献[1]周幼吾,郭东信,程国栋等.中国冻土.北京:科学出版社,2000[2]张风鹏,西北建工学院,《季节性冻土的危害分析》，2003[3]冯泰,王玉孝.概率统计辅导[M]1北京:中国铁道出版社,1982[4]铁道第一勘察设计院．工程地质手册[M]．北京：中国铁道出版社，2002[5]李治平．多年冻土地区道路病害及其防治对策[J]．东北公路