多年凍土的特征及多年凍土地區(qū)地基的設(shè)計(jì)

【摘要】論述了多年凍土地區(qū)凍土的特性，常見的工程地質(zhì)問題， 介紹了多年凍土地區(qū)建筑物地基設(shè)計(jì)應(yīng)針對(duì)凍土的地溫特點(diǎn)和凍土的工程性質(zhì)采用不同的設(shè)計(jì)原則.

【關(guān)鍵詞】?jī)鐾?；特性分析；地基設(shè)計(jì)

1.多年凍土的特性分析

所謂多年凍土是指數(shù)年（至少三年）甚至更長(zhǎng)時(shí)間，土溫保持等于或低于零度且含有水的土（石）。我國(guó)多年凍土分布的地區(qū)很廣，均占全國(guó)總面積的五分之一，較集中地區(qū)是東北大小興安嶺和青藏高原。在凍土地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)，就必須深入研究?jī)鐾恋奶匦?，以確保凍土地基上工程建筑物的穩(wěn)定性。

凍土區(qū)別于常規(guī)融土的最本質(zhì)的特征是冰的存在，也就是說，通常情況下融土是三相體系，而凍土是四相體系。值得指出的是，即使土在較低的溫度下，仍然有一部分未凍水存在。多年凍土中由于冰和未凍水的存在，它既具有一般土類的共性，又是因冰膠結(jié)具有較大強(qiáng)度而熱力學(xué)又極不穩(wěn)定，在受荷條件下的變形具有強(qiáng)烈的流變特性的特殊性巖土。在特定溫度下，凍土在未受力時(shí)，未凍水與冰之間處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)；而在受力變形過程中，未凍水含量會(huì)增大，因此凍土的力學(xué)性質(zhì)遠(yuǎn)比融土復(fù)雜。

1.1.凍土的抗壓和抗拉強(qiáng)度

凍土的抗壓強(qiáng)度極為明顯地依賴于負(fù)溫，溫度越低其抗壓強(qiáng)度越高。此外，加壓時(shí)間越短，抗壓強(qiáng)度越高。瞬間加壓，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)30～40MPa，若長(zhǎng)期加壓，其抗壓強(qiáng)度要小1/10～1/15。凍土的抗拉強(qiáng)度明顯地小于抗壓強(qiáng)度。此外，凍結(jié)粘性土的長(zhǎng)期抗拉強(qiáng)度大于凍結(jié)砂土的長(zhǎng)期抗拉強(qiáng)度。

1.2.凍脹力和凍脹量

凍脹力和凍脹量的大小取決于水分和負(fù)溫。只有含水量達(dá)到一定程度后，土中孔隙不足以滿足冰晶的生長(zhǎng)，土中水的凍結(jié)才造成土的凍脹。作用于建筑物上的凍脹力，可分為垂直向上作用于基礎(chǔ)底面的法向凍脹力和土層沿基礎(chǔ)側(cè)面向上作用的切向凍脹力。法向凍脹力受很多因素的影響，包括建筑所產(chǎn)生的外壓力，但這一數(shù)值一般很大。因此位于凍脹土中的建筑物基礎(chǔ)必須置于人為上限以下，避免基底產(chǎn)生法向凍脹力

1.3 土的抗剪強(qiáng)度

多年凍土的粘聚力在大多數(shù)情況下決定著抗剪強(qiáng)度的數(shù)值。因?yàn)樗诳偟目辜魪?qiáng)度中占有重要的地位。

2.多年凍土地區(qū)不良地質(zhì)現(xiàn)象

2.1厚層地下冰

當(dāng)凍結(jié)層上部地下水較發(fā)育， 其上季節(jié)融化層達(dá)到最大融化深度時(shí)， 下部多呈飽和狀態(tài)。在凍結(jié)過程中， 水分向凍土上限附近聚流， 伴隨著上限位置逐漸上升， 在土層中就會(huì)形成厚度很大的地下析出冰， 稱為厚層地下冰。厚層地下冰多分布在含水量較大的粘土地段。

2.2凍脹丘與冰堆

在冬季凍結(jié)層上的地下水， 由于土層自上而下凍結(jié)， 使其過水?dāng)嗝鏈p小， 形成承壓水。當(dāng)承壓水壓力增加到大于上覆土層的強(qiáng)度時(shí)， 地表便發(fā)生隆起，形成圓錐形丘狀隆起的土丘， 稱為凍脹丘， 有時(shí)也稱為冰丘。凍脹丘突破上覆土層， 冰結(jié)堆積于地表， 則為冰堆。建筑物附近凍脹丘、冰堆多半是由于工程建筑攔截了地下水的通路， 使該處排水不暢所引起的。

2.3熱融沉陷

由于自然營(yíng)力或人為活動(dòng)， 改變了地面的溫度狀況， 破壞了有厚層地下冰分布的多年凍土的熱平衡狀態(tài)引起融化深度加大， 使多年冰土層發(fā)生局部融化， 導(dǎo)致融化土層在土體自重和外壓力作用產(chǎn)生沉陷， 所形成的洼地或積水洼地， 稱為熱融沉陷或熱融湖塘。熱融沉陷與人類活動(dòng)有著十分密切的關(guān)系。在多年凍土地區(qū)幾乎每一項(xiàng)工程都可能因有關(guān)問題處理不當(dāng)而引起熱融沉陷。

2.4熱融滑坍

由于自然因素或人為活動(dòng)， 破壞了斜坡的熱平衡狀態(tài)， 土體在重力作用下沿融凍界面向下滑移， 形成滑坍， 稱為熱融滑坍。熱融滑坍主要分布在山岳和丘陵地區(qū)有厚層地下冰分布的斜坡上。熱融滑坍的形成， 始自切割暴露了地下冰， 在融季地下冰融化， 使其上部的土層坍落， 坍落的物質(zhì)掩蓋了下部暴露冰層， 使上方又有新的地下冰暴露。地下冰再次融化， 又產(chǎn)生新的坍落。如此反復(fù)進(jìn)行， 一直向上發(fā)展， 直到地下冰分布范圍的邊緣。

2.5凍脹

土層凍結(jié)時(shí)， 由于所含水分凍結(jié)成冰， 而造成土層體積膨脹， 使地面隆起成丘， 即所謂凍脹。土層發(fā)生凍脹的原因， 一方面是由于土層中水分凍結(jié)成冰時(shí)其體積增大9%， 另一方面是由于土層冰結(jié)時(shí)，周

圍未凍結(jié)區(qū)土中的水分會(huì)向凍結(jié)區(qū)迂移集聚， 使凍結(jié)區(qū)土層中水分增加， 凍結(jié)后的冰晶體不斷增大， 土體積也隨之發(fā)生膨脹隆起。

3.多年凍土地區(qū)地基的設(shè)計(jì)

一般而言， 多年凍土區(qū)建筑物地基設(shè)計(jì)原則有： 保護(hù)凍土原則——多年凍土地基在建設(shè)過程和建筑物營(yíng)運(yùn)的整個(gè)時(shí)期保持凍結(jié)狀態(tài)； 允許融化原則—— 控制多年凍土地基在營(yíng)運(yùn)過程中按允許的速率融化； 預(yù)先融化原則——預(yù)先融化凍土或挖除換填。保護(hù)多年凍土原則是寒區(qū)工程中應(yīng)用最為廣泛的一個(gè)方法。依照此原則， 不但可以克服凍土的融化下沉， 還可利用凍土強(qiáng)度高于融土的特性修建多年凍土區(qū)建筑物。

3.1多年凍土地區(qū)的路基路面設(shè)計(jì)， 需根據(jù)凍土溫度， 凍土類型、道路等級(jí)、路面要求以及施工期限等情況， 要區(qū)別對(duì)待， 采用不同的設(shè)計(jì)原則：

（1） 凍土溫度低、穩(wěn)定， 宜于采取保護(hù)多年凍土的原則； 凍土溫度高、不穩(wěn)定， 融沉又不大時(shí)， 可考慮采取破壞多年凍土的原則。

（2） 富冰凍土地區(qū)， 當(dāng)含水量較大， 或公路等級(jí)較高時(shí)， 宜采取保護(hù)多年凍土的原則； 當(dāng)含水量較小， 或公路等級(jí)較低時(shí)， 也可按破壞多年凍土的原則設(shè)計(jì)。

（3）在厚層地下冰地段， 一般應(yīng)采取保護(hù)多年凍土的原則； 在少冰凍土和多冰凍土地段， 一般可采取破壞多年凍土的原則。

3.2 多年凍土地區(qū)的路基高度， 應(yīng)滿足防止翻漿和凍脹的要求。在采取保護(hù)多年凍土和限制多年凍土融化深度的地段， 除滿足防止翻漿和凍脹的要求外， 應(yīng)同時(shí)滿足防止熱融及控制熱融沉陷的要求。

3.3 為保護(hù)多年凍土不致融化， 除需滿足路基高度的要求外， 還必須做好 路基排水工程， 并保護(hù)好路基附近的植被。

3.4多年凍土路塹的邊坡或基底， 由于地下冰發(fā)育， 融化后呈流塑狀態(tài)者， 基底土應(yīng)進(jìn)行全部或部分挖除換填， 邊坡應(yīng)做好保溫， 加固及排水等措施。

3.5在富冰凍土、飽冰凍土、熱融滑坍、熱融沉陷、冰丘與冰堆、凍土沼澤及低填， 淺挖、零斷面等地帶，應(yīng)根據(jù)具體情況， 進(jìn)行個(gè)別設(shè)計(jì)。

總之在進(jìn)行多年凍土地區(qū)路基時(shí)，應(yīng)針對(duì)凍土的地溫特點(diǎn)和凍土的工程性質(zhì)采用不同的設(shè)計(jì)原則，采取合理的斷面形式以及有效的防熱融措施和防排水措施。取土坑應(yīng)遵循遠(yuǎn)離路基主體、集中取土的原則，盡量移挖作填，充分利用棄土和保護(hù)地表植被；不適當(dāng)?shù)娜藶榛顒?dòng)引起凍土環(huán)境的局部影響是劇烈的。

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