季节性冻土对工程的影响及防范措施

季节性冻土对工程的影响及防范措施

冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土（数小时/数日以至半月），季节冻土（半月至数月）以及多年冻土（数年至数万年以上）。地球上多年冻土，季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50%，其中，多年冻土面积占陆地面积的25%。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。中国冻土可分为季节冻土和多年冻土。季节冻土占中国领土面积一半以上，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。多年冻土分布在东北大、小兴安岭，西部阿尔泰山、天山、祁连山及青藏高原等地，总面积为全国领土面积的1/5 强。冻土地区气温低，土层冻结，降水少，流水、风力和溶蚀等外力作用都不显著，冻融作用则成为冻土地貌发育的最活跃因素。随着冻土区温度周期性地发生正负变化，冻土层中水分相应地出现相变与迁移，导致岩石的破坏，沉积物受到分选和干扰，冻土层发生变形，产生冻胀、融陷和流变等一系列复杂过程，称为冻融作用。它包括融冻风化、融冻扰动和融冻泥流作用。融冻泥流是冻土地区最重要的物质运移和地貌作用过程之一。一般发生在数度至十余度的斜坡上。当冻土层上部解冻时，融水使主要由细粒土组成的表层物质，达到饱和或过饱和状态，从而使上层土层具有一定的可塑性，在重力的作用下，沿着融冻界面向下缓慢移动，形成融冻泥流，年平均流速一般不足1米。由于泥流顺坡蠕动时，各层流速不一，表层流速大于下层，所以有时可把泥炭、草皮等卷进活动层剖面中，产生褶皱和圆柱体等构造形态。

季节性冻土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。

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。

季节性冻土地区路基冻害及其防治措施

路基冻害的分类

根据沿线季节性冻土地区所出现的路基冻害现象，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。局管内发生的大部分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