多年凍土的名詞解釋

多年凍土(permafrost)，又稱(chēng)永久凍土，指的是持續(xù)三年或三年以上的凍結(jié)不融的土層。其表層冬凍夏融，稱(chēng)季節(jié)融化層。多年凍土層頂面距地表的深度，稱(chēng)凍土上限，是多年凍土地區(qū)道路設(shè)計(jì)的重要數(shù)據(jù)。多年凍土分為兩層：上部是夏融冬凍的活動(dòng)層；下部是終年不融的多年凍結(jié)層。多年凍土是寒冷氣候(年均氣溫＜—2°C)區(qū)的產(chǎn)物。多年凍土分布面積約占地球陸地面積的25%，包括蘇聯(lián)和加拿大近一半的領(lǐng)土，中國(guó)22%的領(lǐng)土，美國(guó)阿拉斯加85%的土地；在南極和格陵蘭的無(wú)冰蓋地段和被冰蓋邊緣覆蓋的地下；南美和中亞的高山地區(qū)也有分布。除澳大利亞大陸外，地球上所有的大陸均有多年凍土分布，甚至地處赤道附近的非洲乞力馬扎羅峰頂也發(fā)現(xiàn)有多年凍土。圍繞極地的多年凍土為高緯度多年凍土。其分布有明顯的緯度地帶性，在北半球自北而南多年凍土分布的連

續(xù)性逐漸減小。北部為連續(xù)多年凍土帶，通常以-5°C年平均地溫等值線作為分布的南界。往南形成斷續(xù)或廣布多年凍土帶，其南界大致與-4C年平均氣溫等值線相符。再往南為高緯度多年凍土區(qū)的南部邊緣地區(qū)，形成島狀或散布多年凍土帶，其南部界線即為多年凍土南界。多年凍土南界以南、一定海拔高度上出現(xiàn)的多年凍土稱(chēng)為高海拔多年凍土。分布有明顯的垂直帶性，其厚度一般自多年凍土出現(xiàn)的最低界線（即多年凍土下界）往上，隨高度的遞增而增加。多年凍土南界以南還分布有島狀多年凍土。它們是更新世寒冷期形成的多年凍土退化殘存的結(jié)果。如在西西伯利亞，多年凍土南界為北緯66°,而在63°N地下200米深處發(fā)現(xiàn)島狀多年凍土。島狀多年凍土有時(shí)出現(xiàn)在多年凍土區(qū)南緣的地下深處，與現(xiàn)代多年凍土一起構(gòu)成雙層多年凍土。

如在西西伯利亞南部第一層多年凍土厚30?80米，其下有厚度為20?150米的融化層，該融化層下埋藏著殘余多年凍土。冰川下是否存在多年凍土取決于冰川冰溫度和厚度，一般講暖冰川底部溫度接近0°C,其下無(wú)多年凍土；冷冰川底部溫度低于0C,其下往往有多年凍土。在極地大陸架地區(qū)海底，有從過(guò)去寒冷期殘留下來(lái)的海底多年冷土。其溫度接近0C,其中很大部分因被海水所飽和，所以具有負(fù)溫卻不含冰，屬多年寒土；另一部分則為多年凍土，但含冰量通常不大。除地球上存在多年凍土外，一些學(xué)者推測(cè)月球巖石圈深處可能具有一定數(shù)量的地下冰。一些學(xué)者利用遙感技術(shù)發(fā)現(xiàn)火星表面上存在類(lèi)似于熱喀斯特、多邊形裂縫、石冰川等的冰緣地貌，推測(cè)火星上多年凍土的平均厚度在赤道為1500米，在兩極為5000米。

中國(guó)的多年凍土面積約215萬(wàn)平方公里，占世界第三位，主要分布在青藏高原，東北大、小興安嶺和天山、阿爾泰山。中國(guó)東北的多年凍土區(qū)位于歐亞大陸高緯度多年凍土區(qū)的南緣，其南端可達(dá)46.6°N。在北美,多年凍土分布的最南端為51°N。青藏高原的多年凍土區(qū)屬于高海拔多年凍土，是世界上中低緯度地帶海拔最高、面積最大的多年凍土區(qū)。U1-大半土上宙安主相尊?*fl 父一n3多年凍土多年凍土隨緯度和垂直高度而變化。在北半球，其深度自北向南增大，厚度自北向南減薄以至消失。如西伯利亞北部多年凍土的厚度為200米左右，最厚可達(dá)620米，活動(dòng)層小于0.5米。向南到中國(guó)黑龍江省，多年凍土南界厚

度僅1?2米，活動(dòng)層厚達(dá)1.5?3.0米。多年凍土的厚度由高海拔向低海拔變薄，活動(dòng)層也相應(yīng)增厚。如中國(guó)祁連山北坡4000米處多年凍土厚100米,3500米處僅22米！在青藏高原北部的昆侖山區(qū)，多年凍土厚180?200米，向南厚度變薄。無(wú)論在南北方向或者垂直方向上，多年凍土都存在3個(gè)區(qū)：連續(xù)多年凍土區(qū)；連續(xù)多年凍土內(nèi)出現(xiàn)島狀融區(qū)；島狀多年凍土區(qū)。這些區(qū)域的出現(xiàn)都與溫度條件有關(guān)。年均氣溫低于—5°C，出現(xiàn)連續(xù)多年凍土區(qū)；島狀融區(qū)的多年凍土區(qū)，年均氣溫一般為—1?一5C。按凍土的成因分為：后生凍土層。是土層堆積后形成的，特點(diǎn)是含冰量少，多為整體結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，具裂隙冰；共生凍土層是與堆積土層同時(shí)形成的。特點(diǎn)是含冰量多，多為層狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

確定融凍層（活動(dòng)層）的深度（即凍土上限）對(duì)工程建設(shè)極為重要。最基本的方法是在融化最盛季節(jié)，通過(guò)坑探直接觀測(cè)，或通過(guò)電探確定凍土上限。在銜接的多年凍土區(qū)，可根據(jù)地下冰的特征和位置推斷凍土上限深度。同一地區(qū)、不同地貌部位和不同物質(zhì)組成的多年凍土的上限也是不同的。易凍結(jié)的粘性土的凍土上限高；不易凍結(jié)的沙礫土的凍土上限低；河谷帶的凍土上限低，山坡或埡口地帶的凍土上限高。表明了巖性、水文、氣候、植被等對(duì)多年凍土活動(dòng)層的影響。編輯本段厚度和溫度編輯本段厚度和溫度III多年凍土通常埋藏在地表下不深處，位于季節(jié)融化層（或活動(dòng)層）下。活動(dòng)層的厚度通常為20?30cm至2?3m。一般活動(dòng)層的底板與多年凍土的上限相連，這種多年凍土稱(chēng)為銜接多年凍土。有時(shí)活動(dòng)層在冬季的凍結(jié)深度達(dá)不到多年凍土上限，在季節(jié)凍結(jié)層和多年

凍土上限之間隔著一層融土，便形成不銜接多年凍土。多年凍土上下限之間的距離即為多年凍土厚度。當(dāng)充填在土?？紫逗蛶r石裂隙中的水為淡水時(shí)，凍結(jié)以后形成的多年凍土下限與0°c地溫等溫線一致。當(dāng)充填在土?？紫逗蛶r石裂隙中的水為咸水或鹽水時(shí)，或當(dāng)巖石無(wú)裂隙時(shí)，或不含水的土凍結(jié)時(shí)，多年凍土下限則與0C地溫等溫線不一致。在含有地下冰的多年凍土層下還存在著干寒土層和濕寒土層時(shí)，凍土層、干寒土層和濕寒土層組成多年冷土層。迄今為止，實(shí)測(cè)到的多年凍土最大厚度為1300米，見(jiàn)于蘇聯(lián)外貝加爾的烏達(dá)康山區(qū)56°N處;實(shí)測(cè)到的多年冷土層的最大厚度為1450米，見(jiàn)于雅庫(kù)梯西北、馬爾赫河源頭的北極圈緯度上。推測(cè)天山和帕米爾高山區(qū)的多年冷土層厚度可達(dá)2500?3000米。

多年凍土上層的地溫在一年內(nèi)隨季節(jié)而變化。這種變化隨深度增加而衰減，至某一深度上，多年凍土的溫度在一年內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定不變（一年內(nèi)不超過(guò)±0.1°C）,這一深度為地溫年變化深度或零較差深度。地溫年變化深度一般為10?15米。該深度上的年平均地溫即為多年凍土的年平均地溫，通常為0?-15C。推測(cè)天山和帕米爾高山區(qū)道多年凍土年平均地溫低達(dá)-25C，南極的山地則為-40C。在年變化深度以下，多年凍土的溫度隨深度增加而升高，在多年凍土或多年冷土層的下限處達(dá)到0C。因此在凍土層中存在著地?zé)崽荻?，其值在不同的地區(qū)很不一樣，可由每20米變化1度至每100米變化1度。多年凍土厚度和溫度的變化也受緯度地帶性和垂直地帶性的控制。當(dāng)其他條件相同時(shí)，在中國(guó)東北緯度每增加1度，多年凍土年平均地溫平均降低0.5C；在祁連山區(qū)海拔每升高100米，

多年凍土溫度降低0?6°C，厚度增加14?21米。編輯本段形成和演變當(dāng)巖土的溫度降至0C以下,巖土中水就凍結(jié)形成凍土。如果該處地表一年中的吸熱量大于散熱量，冷季形成的凍土在熱半年全部融化，便為季節(jié)凍土。如果該處地表一年中的吸熱量小于散熱量，冷季形成的凍土在暖季不全部融化，年復(fù)一年，就成為多年凍土。 G-—■■Ct1心FV-dl?多年凍土多數(shù)多年凍土是在物質(zhì)沉積之后自上而下凍結(jié)形成的，稱(chēng)為后生多年凍土。在沼澤、沖積平原和洪積扇等堆積地區(qū)，有時(shí)在沉積過(guò)程中發(fā)生凍結(jié)，產(chǎn)生

自下而上凍結(jié)的多年凍土，稱(chēng)為共生多年凍土。由后生和共生作用混合形成的凍土稱(chēng)為多生凍土。在地球歷史上，多年凍土曾廣泛發(fā)育。迄今為止，有據(jù)可查的最老的多年凍土位于北極北部，自60萬(wàn)年前形成后一直保存到現(xiàn)在。中更新世的多年凍土也有一部分保留到現(xiàn)在，如蘇聯(lián)中雅庫(kù)梯的多年凍土，其年代距今至少10萬(wàn)年。晚更新世時(shí)，蘇聯(lián)多年凍土南界南進(jìn)到48°N處，中國(guó)多年凍土南界達(dá)到北緯39°?40。，北美多年凍土南界至少比現(xiàn)在的位置南推2000公里。全新世時(shí)期，多年凍土逐漸向北退縮。北極地區(qū)一些近海低地的多年凍土開(kāi)始退化，成為現(xiàn)今的海底多年凍土。晚更新世時(shí)在蘇聯(lián)歐洲部分北部和西西伯利亞形成的多年凍土并沒(méi)有全部融化，而以殘余凍土的形式保存下來(lái)。中國(guó)滿(mǎn)歸以北和西部高山高原區(qū)海拔較高處的多年凍土也沒(méi)有全部融化。約2000?3000年前出現(xiàn)了新冰期，多年凍土重

新發(fā)展。在西西伯利亞北部，新形成的多年凍土與更新世殘余多年凍土銜接在一起；在南部，新形成的多年凍土覆蓋在融化層上，故與融化層下的殘余多年凍土組成雙層多年凍土。這一時(shí)期凍土的范圍比更新世時(shí)小，所以在新冰期的多年凍土南界以南的地下深處仍有更新世殘余多年凍土存在。中國(guó)東北這一時(shí)期的多年凍土南界已超過(guò)了現(xiàn)今多年凍土南界的位置。距今約700年前開(kāi)始的小冰期，北半球多年凍土南界位置的變化很不一致，有的南進(jìn)，有的北退?，F(xiàn)代多年凍土處在變化之中。從全球范圍看處在退化階段，但不排除局部地區(qū)的多年凍土出現(xiàn)加積的可能。編輯本段高原多年凍土地區(qū)處治結(jié)構(gòu)研究國(guó)內(nèi)外研究概況?用抗拉強(qiáng)度高的材料加固土壤并非新的想法，中國(guó)古代修筑萬(wàn)里長(zhǎng)城的

許多部位就采用蘆葦和竹筋加固。幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，云杉樹(shù)一直被用來(lái)加固軟弱地基上的路堤。二十世紀(jì)中期，土工合成材料以其性質(zhì)均勻、強(qiáng)度高、韌性好、耐腐蝕、與土之間的連鎖作用強(qiáng)等特點(diǎn)在世界各國(guó)迅速推廣。二十世紀(jì)60年代，法國(guó)和美國(guó)修建了第一批用現(xiàn)代土工合成材料加固的土工結(jié)構(gòu)物，當(dāng)時(shí)，聚合材料是用來(lái)加固排水性能良好的回填土。1966年，美國(guó)DuPont公司開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)了Typar型土工織物，應(yīng)用于加固海岸邊坡、防止人造砂灘沉入淤泥質(zhì)湖岸、加固軟弱地基等工程中。英國(guó)的Netlon公司近年來(lái)改進(jìn)了土工格柵的生產(chǎn)工藝，并將土工格柵鋪設(shè)在軟弱地基上，用來(lái)增加路堤土體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。德國(guó)的Huesker合成纖維公司還將其生產(chǎn)的Hatelit土工格柵應(yīng)用到加固路面工程中。據(jù)報(bào)道，這種格柵可增加瀝青層底的抗拉強(qiáng)度，吸收層間的大部分水平拉應(yīng)力，同時(shí)還可將瀝青層

內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力擴(kuò)散到一個(gè)較大的范圍內(nèi)。1991年，蘇格蘭的Sutherland鎮(zhèn)在新建道路路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)增設(shè)一層土工格柵加固層，用于防止車(chē)轍及路面裂縫，并取得了很好的效果。我國(guó)將土工合成材料應(yīng)用到道路工程中在70年代還不太普及，進(jìn)入80年代才迅速推廣。如：在軟弱土基與粒料基層間鋪設(shè)土工格柵夾層用來(lái)改善軟弱土基的承載能力；在路堤填土內(nèi)水平層狀鋪設(shè)格柵，用來(lái)加固路堤；用作基層和面層間的界面層防止基層裂縫的反射；加固臨時(shí)道路；用作路堤和道路工程中的水平排水層；用于巖面防護(hù)等。應(yīng)用土工合成材料處治縱向裂縫，此類(lèi)問(wèn)題屬于連續(xù)介質(zhì)中存在裂縫缺陷的問(wèn)題，在路面力學(xué)分析中常用的彈性層狀體系理論與彈性地基板理論顯然不適合分析這類(lèi)問(wèn)題。斷裂力學(xué)是分析研究裂縫問(wèn)題的學(xué)科，目前發(fā)展得也比較完善，但其計(jì)算參數(shù)的確定很復(fù)

雜，這些參數(shù)與目前路面設(shè)計(jì)參數(shù)也不匹配，使得計(jì)算結(jié)果不易在設(shè)計(jì)方法中應(yīng)用。相對(duì)而言，有限元法則是簡(jiǎn)單、有效、可行的方法。有限元方法作為一個(gè)強(qiáng)有力的數(shù)值分析的工具在道路結(jié)構(gòu)的分析中起到了越來(lái)越重要的作用。應(yīng)用有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分析主要有以下優(yōu)點(diǎn)：1、 在模型中反映各結(jié)構(gòu)層材料的特性；2、 模擬各結(jié)構(gòu)層之間的聯(lián)結(jié)；3、 在一定程度上模擬邊界條件和荷載；4、 模擬結(jié)構(gòu)的不均勻變形；5、 提供大量的結(jié)構(gòu)反映信息，如應(yīng)力、變形的全過(guò)程；6、 部分代替試驗(yàn)，進(jìn)行大量的參數(shù)分析，為制定設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)問(wèn)題的提出？

地球上的多年凍土面積約為35X10平方公里，而我國(guó)的多年凍土面積約為215萬(wàn)平方公里，位居世界第三，主要分布在東北大小興安嶺，西部高山和青藏高原等地。近年來(lái)，我國(guó)先后組織力量對(duì)青藏公路進(jìn)行了普查，調(diào)查發(fā)現(xiàn)青藏公路存在路面橫裂、網(wǎng)裂、路基沉陷、波浪、縱向裂縫等病害。青藏公路病害的整治一直被視為世界性的難題。為治理多年凍土地區(qū)路基的病害，國(guó)內(nèi)外也采用了多種措施進(jìn)行了探索，淺色路面、聚苯乙烯或聚氯乙烯隔離層、泥炭土墊層、橫向護(hù)坡道、冷管、預(yù)融、冬季施工、地表覆蓋層、斜熱虹吸管、土工織物加筋、輕質(zhì)回填材料、橋基礎(chǔ)及通風(fēng)路堤等。1972年~1984年青藏公路改建為瀝青路面，由于瀝青路面的吸熱作用加上全球氣候變暖造成多年凍土邊緣地帶凍土退化，凍土上限下降，從而加劇了路基不均勻沉降變形等病害。90年代對(duì)病害嚴(yán)重路段進(jìn)行了兩期整治。1992年?1996

年為一期整治，全長(zhǎng)339km,1996年?1999年為二期整治，累計(jì)長(zhǎng)度204km,零星整治路段60km。一期整治對(duì)路面波浪起伏和路基沉陷變形等病害的治理有了一定的效果，但路基路面縱向裂縫較八五改建工程嚴(yán)重，高出約三倍?？v向裂縫的規(guī)模巨大，最大寬度可達(dá)30cm，最大深度可達(dá)2.5m，裂縫斷續(xù)延伸可達(dá)500m?600m。近幾年來(lái)，土工合成材料在我國(guó)公路工程中得到了廣泛的應(yīng)用，以其可以組成各種形式結(jié)構(gòu)、適應(yīng)多種條件等特點(diǎn)受到工程界的歡迎。在舊水泥混凝土路面改造、加筋陡邊坡及處治路基不均勻沉降等方面均有應(yīng)用，并取得了較好的效果。本課題針對(duì)該情況采用土工合成材料處治青藏公路縱向裂縫，通過(guò)采用單層土工格柵、柔性枕梁、柔性枕梁加土工格柵等結(jié)構(gòu)，從深層次解決青藏公路縱向裂縫的危害問(wèn)題。通過(guò)理論分析揭示處治機(jī)理，進(jìn)一步完善處治結(jié)構(gòu)，以達(dá)到減少和延緩路基路面的再次

開(kāi)裂的目的，并滿(mǎn)足耐久性的要求。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)路的觀察測(cè)試與分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并選擇出既能延緩和減輕路基病害，又便于施工的結(jié)構(gòu)形式，以便為凍土地區(qū)病害的整治與施工提供依據(jù)。主要研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線？本文使用三維有限元法對(duì)單層土工格柵處治結(jié)構(gòu)、柔性枕梁處治結(jié)構(gòu)、土工格柵加柔性枕梁處治結(jié)構(gòu)及土工格柵加筋路堤邊坡處治結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)計(jì)算，對(duì)基層應(yīng)力、面層最大彎沉及土工合成材料應(yīng)力作了深入分析。首先建立處治結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，然后考慮汽車(chē)荷載在路面上的各種可能作用位置，分析了荷載位置、計(jì)算參數(shù)及路基變形的影響規(guī)律，還將各處治結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行了對(duì)比分析及結(jié)構(gòu)破壞分析，以便能夠采取措施防止結(jié)構(gòu)的破壞。在對(duì)凍土地區(qū)的病害進(jìn)行大范圍的整治之前，修筑一定長(zhǎng)度的試驗(yàn)路段

是非常必要的。通過(guò)修筑試驗(yàn)路，進(jìn)行施工優(yōu)化組合，以便發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，加以解決，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)以指導(dǎo)大面積的施工。本課題的試驗(yàn)路主要針對(duì)直線型及邊坡圓弧型兩種縱向裂縫，試驗(yàn)路總長(zhǎng)度287m，主要集中在安多、雁石坪、五道梁地區(qū)。邊界條件及計(jì)算參數(shù)？模型邊界條件為土基底面為完全固定面；x軸方向和y軸方向的邊界節(jié)點(diǎn)水平方向位移為零；模型的上表面是自由的。計(jì)算參數(shù)主要根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》選用材料設(shè)計(jì)參數(shù)。土基回彈模量根據(jù)二級(jí)自然區(qū)劃確定。青藏公路主要集中在訓(xùn)3區(qū)，土基回彈模量為20Mpa?80Mpa。面層為瀝青碎石混合料，彈性模量為1200Mpa?1600Mpa?；鶎訛樗喾€(wěn)定碎石，彈性模量為1300Mpa?1700Mpa。

土工格柵層為了計(jì)算方便，將其簡(jiǎn)化為2mm厚的各向同性的彈性層。處治結(jié)構(gòu)用的土工格柵為ss20聚丙烯，應(yīng)變2%時(shí)的抗拉強(qiáng)度為7KN/m，其割線模量為175Mpa，應(yīng)變5%時(shí)的抗拉強(qiáng)度為14KN/m，其割線模量為140Mpa，因此將土工格柵層的彈性模量定為160Mpa。一最后選用的計(jì)算參數(shù)如表2-1所示。有限元計(jì)算用材料參數(shù)表2-1結(jié)構(gòu)層彈性模量E/XIOMPa泊松比u面層1.2?1.60.25基層1.3?1.70.25土工格柵層0.160.25土基0.02?0.080.3模型尺寸及單元?jiǎng)澐?

模型尺寸：在計(jì)算時(shí)模型尺寸主要以工程實(shí)際尺寸為依據(jù)。圖2-5模型尺寸示意圖（cm）土基尺寸的確定：在實(shí)際的路面結(jié)構(gòu)中，地基為彈性半空間體，在確定土基長(zhǎng)度、寬度及深度之前對(duì)基層的最大應(yīng)力Ox、oy、Tyz進(jìn)行了收斂性試算分析，其中不同土基寬度（12）對(duì)基層應(yīng)力的影響如表2-4所示，不同土基長(zhǎng)度（L3）對(duì)基層應(yīng)力的影響如表2-5所示，不同土基深度（h4）對(duì)基層應(yīng)力的影響如表2-6所示。土基尺寸收斂性試算分析選用計(jì)算參數(shù)如表2-3所示。有限元計(jì)算用基本參數(shù)表2-3結(jié)構(gòu)層彈性模量E/XIOMPa泊松比u面層1.40.25基層1.50.25土工格柵0.160.25

層土基0.060.3h1=5cmh2=20cmh3=0.1.2m裂縫