對季節(jié)性凍土的認(rèn)識

季節(jié)性凍土對工程的影響及防范措施摘要季節(jié)性凍土【seasonalfrozensoil］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，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。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。關(guān)鍵字：季節(jié)性凍土 凍脹因素 凍脹危害 融沉防治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(dá)：n=a(W-Wp)式中:n一凍脹率(%)W一凍土層內(nèi)凍前平均含水量(%)Wp一起始凍脹(相當(dāng)塑限)含水量(％)a一系數(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=1.09Yd(W-Wp)/2yw^0.8(W-Wp)式中:Yd—土的干容重(1500kg/m3)Yw一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(yán)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(jìn)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)做好覆蓋保溫工作。季節(jié)性凍土地區(qū)鐵路路基凍害及其防治措施路基凍害的分類根據(jù)鐵路沿線季節(jié)性凍土地區(qū)所出現(xiàn)的鐵路路基凍害現(xiàn)象，進(jìn)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)常常遇見的鐵路病害。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(jìn)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(dāng)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(jìn)的凍結(jié)鋒面后方并凍結(jié)，分凝成冰透鏡體，這一過程稱為分凝凍脹，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)生凍害處的鐵路路基土質(zhì)以粉土為主，局部為粉質(zhì)黏土、黏土。天然含水量為12.5%—33.5%，土層凍脹等級及類別為II?V級強凍脹。鐵路局管內(nèi)發(fā)生的大部分鐵路路基凍害是該類型凍脹，京包線K614+010?K781+670間尤為突出，出現(xiàn)不均勻脹高，每年冬季凍起高度達(dá)40mm，軌道道釘和扣件難以保持軌距，嚴(yán)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tt_2j: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(dāng)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翻漿冒泥由于鐵路局管內(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(jìn)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(yán)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、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(jìn)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)的影響關(guān)于凍土層對橋墩地震反應(yīng)(墩底應(yīng)力)的影響問題:①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。②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(dá)1倍以上。③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。④在一般情況下，橋墩的地震反應(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(jìn)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。關(guān)于冬夏季橋墩地震反應(yīng)(墩底應(yīng)力)的差異問題:①對淺基礎(chǔ)，在I、II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(jìn)行設(shè)計是偏于安全的。②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(yán)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)，青藏高原地區(qū)都有廣泛的多年凍土和季節(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,而青藏高原凍土分布主要表現(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(jì)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(dá)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(jìn)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(xiàn)(References)［1］ 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