冻土

冻土相关概念冻土--温度等于或低于零摄氏度，并含有冰的各类土。冷土--若只是温度等于或低于零摄氏度，但不含冰的土。多年冻土--冻结状态持续三年或三年以上不融的冻土。季节冻土--受季节影响，冬季冻结，夏季全部融化，呈周期性冻结、融化的土。分布多年冻土在世界分布极广，约占陆地面积的2%。我国多年冻土主要分布于青藏高原西部高山地区（祁连山、天山、阿尔泰山等），东北大小兴安岭、以及东部地区一些高山顶部。季节冻土在我国的华北、西北、东北广大地区均有分布。第六节特殊土的工程性质.主要工程地质问题:冻胀融沉性。1、冻胀丘（冰丘）冻胀作用使局部隆起成丘。活动层和永冻层冻结，地下水承压转移，冻结成冰透镜体。春季融化，“水火山”根据水分来源的不同可以把冻胀丘分为两种类型：封闭型冻胀丘：在冻结过程中，没有外来水源补给的，冰层较薄，冻胀率较小。许多封闭型的冻胀丘常形成于干涸湖泊的底部。开放型冻胀丘：在形成过程中，有外来水源补给，冰层厚，冻胀率较大。较为常见，多形成于坡地。（二）多年冻土1.定义：冻结状态持续三年以上，甚致百年不化的冻土。2.成因和分布：西部高山区。高原冻土：青藏高原，由北向南逐渐灭兴安岭）克石－黑河以北（大小高纬度冻土：满洲－牙3.主要特征：（1）组成：岩土颗粒、水。（2）结构：层状结构网状结构整体结构第六节特殊土的工程性质（3）构造:4.主要工程地质问题因冻胀融沉造成非衔接型衔接型冻拨冰丘、冰椎、冰舌上限改变或人工热熔）路基下沉（因多年冻土）（因多年冻土上限改变路堤滑塌、边坡滑塌。冰锥在寒冷季节流出封冻地面的地下水或流出冰面的河水冻结后形成的丘状隆起的冰体。承压地下水或河水春初冲出地面冻结。青藏铁路是目前世界上穿越多年冻土里程最长的高原铁路，冻土也被认为是青藏铁路建设遇到的最大的技术性难题。青藏铁路风火山冻土观测站通过近40年的观测研究，从已经取得的大量科学数据以及高原地质勘探人员通过钻孔提取的岩心表明冻土的结构：地表是薄薄的草皮，往下两米的范围是冻结的砂砾层，再往下便是混杂有泥土的冰块，甚至是纯冰块。青藏铁路冻土攻关借鉴了青藏公路、青藏输油管道、兰－西－拉光缆等大型工程的冻土施工经验，同时，还探讨和借鉴了俄罗斯、加拿大和北欧等国的冻土研究成果。青藏铁路建设中对冻土施工的指导原则为，冷却地基土使冻土保持稳定，不让冻土受到破坏和融化。在工程措施上，我国科学家采取了以桥代路、片石通风路基、通风管路基、碎石和片石护坡、热棒、保温板、综合防排水体系等措施。据统计，在众多的工程措施中，“以桥代路”的效果最好，现在“以桥代路”冻土路基地段没有发生任何变形，此外，增加碎石和片石护坡对冻土路基的稳定性。土的冻胀冻胀率；冻胀起始含水量土的冻胀率决定于土的分散度、矿物成分、冻结温度、土中含水量及其补给来源等，按冻胀率的大小可将土分为下列四类：V≤2%不冻胀土2＜V≤3.5%弱冻胀土3.5＜V≤6%冻胀性土V＞6%强冻胀性土抗剪强度c、φ值随冻土负温度值（－t）、含水量（ω）及上部荷载作用时间（T）而变化。冻土的内摩擦角很小，其抗剪强度几乎完全取决于粘聚力，这是由于土中的冰，一方面胶结土粒，使其粘聚力比融土大得多；另一方面使土粒相互分离，粒间的摩擦力降低。粘聚力随温度降低而增大，随含水量增大而减小。压缩性（冻土的融沉）冻土在短期荷载作用下，其压缩性很低，类似岩石，故一般不计其变形。但长期荷载作用下，冻土的变形量增加，尤其是温度为－0.1～－0.5℃的塑性冻土，其压缩变形相当大，在这种情况下，则需考虑冻土地基的压缩变形。冻胀力与冻结力多年冻土以上的季节冻层，每年冻结时，由于土中水分由非冻结层向冻结面迁移和积聚，水分逐渐冻结成冰，使土体积膨胀。随着体积膨胀，土体内产生内应力。设置在季节冻层里的基础，受到冻胀内应力的作用，引起建筑物的位移、变形。根据冻胀内应力与基础表面间的相互作用关系，可分为切向冻胀力σ、法向冻胀力σ和水平冻胀力σ。冻结力为土与基础材料间的冻结强度。土体在冻结过程中，水冻结成冰产生的胶结作用，将土与基础胶结在一起，这种胶结强度称为冻结（着）力。冻土地区的不良地质现象（1）冻胀及冻胀丘冻胀是指土在冻结过程中，土中水分冻结成冰，并形成冰层、冰透镜体、及多晶体冰晶等形式的冰浸入体，引起土粒间的相对位移，使土体体积膨胀的现象。冻胀的外观表现是土表层不均匀地升高，常形成冻胀丘及隆岗等。（2）冰锥冒出地表和冰面的水，被冻结成丘状的冰体称为冰椎。冰椎分为泉冰椎和河冰椎两种。冻土地区的不良地质现象（3）热融滑坍由于自然营力作用（如河流冲刷坡脚）或人为活动形响（挖方取土）破坏了斜坡上地下冰层的热平衡状态，使冰层融化，融化后的土体在重力作用下沿着融冻界面而滑坍的现象。（4）融冻泥流缓坡上的细粒土，由于冻融作用，土结构破坏，土中水分受下伏冻土层的阻隔不能下渗，致使土体饱和甚至成为泥浆，在重力作用下，沿冻土层面顺坡向下蠕动的现象称为融冻泥流。冻土地区的不良地质现象（5）热融沉陷和热融湖因气候转暖或人为因素，改变了地面的温度状况，引起季节融化深度加大，导致地下冰或多年冻土层发生局部融化，上部土层在自重和外部压力作用下产生沉陷，这一现象称为热融沉陷。当沉陷面积较大，且有积水时，称为热融湖。多年冻土上限冻土上限就是多年冻土区年最大的融化深度，也就是多年冻土区季节融冻层的厚度。确定冻土上限深度最可靠的方法是在最大融化季节（大约8月中旬至9月底），通过坑探直接观测确定。在衔接的多年冻土区，没有达到最大融化深度的季节，可根据地下冰（特别是厚层地下冰）的冰面位置判断上限深度。一般处于上限深度值附近的地下冰层的顶面，即为多年冻土的上限。一、地基冻害地表冻胀和融陷——地基变形。二、道路翻浆聚冰作用冻害及其防治第六节特殊土的工程性质地表水地下水：盲沟5.冻土防治⑴排水路堤底部铺设:草皮、泥炭、苔藓、炉渣、粘土层⑵保温散热桩通风管抛石边坡⑷换填土：改为砂、砾、卵石土。⑸降低冰点：土中加化学物质。冻胀防治措施（一）换填法在防治冻害的措施中，换填法是采用最广泛的一种。用粗砂、砾砂、砂卵石等非冻胀性土置换天然地基的冻胀性土，是防治建筑物基础遭受冻害的可靠措施。一般基底砂垫层厚度为0.8～1.5m，基侧为0.2～0.5m。在铁路建设中常用砂砾石垫层进行换填，在换填土层表面，夯填0.2～0.3m厚的隔水层，以防止地表水渗入基底。(二）排水隔水法水是产生冻胀的决定因素。因此，只要能控制水分条件，就能达到削弱或消除地基土冻胀的目的。排水隔水法的具体措施为降低地下水位和减少季节融冻层范围内土体的含水量，隔断水的补给来源和排除地表水等方法。在工业及民用建筑物附近不应有积水坑存在。同时还应设置排水系统，以便及时排除地表水及生产、生活污水。在房屋周围地表要设置散水坡以防雨水渗入基础。为降低地下水位和排除基础周围的水分，可在基础两侧（或底部）铺填砂砾石料并用排水管与基础外的排水沟相连。在路基工程中，为防排地表水，可设置截水天沟、侧沟或挡水埝；为截断地下水，可设置截水暗沟，排除路基中融化期的水分，降低路基中的地下水位或截断和排除地下水流向路基，在路基中可设置盲沟。为了防止地下水通过毛细作用进入路基上部，通常在路基中设置隔离层。隔离层分透水性和隔水性两种。透水性隔离层用砂砾、碎石、炉渣等做成，厚度一般为10～15cm，隔离层孔隙较大，可降低毛细上升高度，防止地下水通过毛细作用进入路基上部。隔水性隔离层、可用各种不透水材料做成，常用沥青制品填料，厚3～5cm。（三）保温法在建筑物基础底部或周围设置隔热层，增大热阻，防止冷流进入地基，减少水分迁移，以减轻冻害。在路基工程中常用草皮、泥炭、炉渣等作为隔热材料。近年来在加拿大和美国北部采用聚苯乙烯泡沫塑料做隔热层。据加拿大工程部门的经验，1cm厚的泡沫塑料保温层相当于14cm厚填土的保温效果。物理化学法物理化学法是在土体中加入某些物质，以改变土粒与水之间的相互作用，使土体中的水分迁移强度及其冰点发生变化，从而削弱土冻胀的一种方法。1．人工盐渍化法改良地基土这种方法是在土中加入一定量的可溶性无机盐类，如氯化钠（Nacl）、氯化钙（Cacl）等。使之成为人工盐渍土，从而可使土中水分迁移，强度和冻结温度降低。例如北方一火车站区，由于排水不良出现冻胀，为了保持线路正常运行，在地基中采用灌入氯化钠的方法，降低了冰点，从而将冻胀变形限制在允许的范围内。2．用憎水性物质改良土用在土中掺入少量憎水性物质（石油产品或副产品）和表面活性剂的方法来改良土的性质。由于表面活性剂使憎水的油类物质被土粒牢固吸附，起到削弱土粒与水的相互作用，减弱或消除地表水下渗和阻止地下水上升，使土体含水量减少，从而可削弱土体冻胀及地基与基础间的冻结强度。融化下沉的防治措施工程建筑物的修建和运营，对多年冻土地基将产生热变迁的重要作用，使得原有热平衡条件发生变化，导致多年冻土上限下降，因而产生融化下沉。在多年冻土上限附近分布着一层地下冰层，冰层中浮有部分粘土块或碎石，厚度从十几厘米到四、五米。当不破坏其埋藏条件和热平衡状态的情况下，地下冰将保持其稳定状态。由于建筑物兴建，破坏了原有的热平衡状态，地下冰融化将导致相当大的融化下沉和边坡坍塌。防治融化下沉的方法有许多种，但广泛采用的是隔热保温法。即用保温性能较好的材料或土将热源隔开，保持地基的冻结状态。多年冻土地区的铁路建设中，防止路基热融下沉多采用保温路堤断面（图12一16）。路堤高度大于2m，基底反扣塔头草，两侧做保温护道。保温材料，如塔头草、苔薪、草皮、泥炭及粘土等可就地取材。实践证明，凡采用保温路堤形式通过多冰地段，只要处理好地表水，避免在线路上方积水，路堤附近地表不遭破坏，且选择好施工季节，路堤下多年冻土上限虽有所提高，但线路运营仍比较正常。对在饱冰冻土及含土冰层地段的路堤，选用保温、隔水性能好的土，部分或全部换填基底的饱冰土或含上冰层，也收到良好的效果。堑坡滑坍防治措施防治堑坡滑坍往往采用换填土、保温、支档、排水等措施。换填厚度应足以保持堑坡处于冻结状态。防护高度小于3m时，可采用保温措施，将泥炭或草皮夯实，并在夯实的坡面上满铺活草皮或将活草皮块水平迭砌，铺砌的厚度应满足保温要求。当防护高度为3～6m时，可采用轻型挡墙护坡。防护高度大于6m时，则采用挡墙与保温相给合的方法。在堑顶外一定距离设挡水埝，埝外设排水沟，可以改变多年冻土的上限。由于挡水埝下的多年冻土上限上升形成冻土核，埝外排水沟下的冻土上限下降，多年冻土层上的地下水可被冻土核挡住，而顺下降上限处排除堑外。