对季节性冻土的认识

季节性冻土对工程的影响及防范措施

摘要

季节性冻土【seasonal frozen soil】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。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。

关键字：季节性冻土冻胀因素冻胀危害融沉防治

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 - W p )

式中:η—冻胀率( %)

W —冻土层内冻前平均含水量( %)

W p—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- W p)/2γW≈0.8(W-W p)

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0.3

2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。

季节性冻土地区铁路路基冻害及其防治措施

路基冻害的分类

根据铁路沿线季节性冻土地区所出现的铁路路基冻害现象，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铁路病害。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，发生冻害处的铁路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。铁路局管内发生的大部分铁路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

由于铁路局管内独特的地质、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