多年凍土的特征及多年凍土地區地基的設計

【摘要】論述了多年凍土地區凍土的特性，常見的工程地質問題， 介紹了多年凍土地區建筑物地基設計應針對凍土的地溫特點和凍土的工程性質采用不同的設計原則.

【關鍵詞】凍土；特性分析；地基設計

1.多年凍土的特性分析

所謂多年凍土是指數年（至少三年）甚至更長時間，土溫保持等于或低于零度且含有水的土（石）。我國多年凍土分布的地區很廣，均占全國總面積的五分之一，較集中地區是東北大小興安嶺和青藏高原。在凍土地區進行工程建設，就必須深入研究凍土的特性，以確保凍土地基上工程建筑物的穩定性。

凍土區別于常規融土的最本質的特征是冰的存在，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，又是因冰膠結具有較大強度而熱力學又極不穩定，在受荷條件下的變形具有強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，未凍水與冰之間處于動態平衡狀態；而在受力變形過程中，未凍水含量會增大，因此凍土的力學性質遠比融土復雜。

1.1.凍土的抗壓和抗拉強度

凍土的抗壓強度極為明顯地依賴于負溫，溫度越低其抗壓強度越高。此外，加壓時間越短，抗壓強度越高。瞬間加壓，其抗壓強度可達30～40MPa，若長期加壓，其抗壓強度要小1/10～1/15。凍土的抗拉強度明顯地小于抗壓強度。此外，凍結粘性土的長期抗拉強度大于凍結砂土的長期抗拉強度。

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溫。只有含水量達到一定程度后，土中孔隙不足以滿足冰晶的生長，土中水的凍結才造成土的凍脹。作用于建筑物上的凍脹力，可分為垂直向上作用于基礎底面的法向凍脹力和土層沿基礎側面向上作用的切向凍脹力。法向凍脹力受很多因素的影響，包括建筑所產生的外壓力，但這一數值一般很大。因此位于凍脹土中的建筑物基礎必須置于人為上限以下，避免基底產生法向凍脹力

1.3 土的抗剪強度

多年凍土的粘聚力在大多數情況下決定著抗剪強度的數值。因為它在總的抗剪強度中占有重要的地位。

2.多年凍土地區不良地質現象

2.1厚層地下冰

當凍結層上部地下水較發育， 其上季節融化層達到最大融化深度時， 下部多呈飽和狀態。在凍結過程中， 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

在冬季凍結層上的地下水， 由于土層自上而下凍結， 使其過水斷面減小， 形成承壓水。當承壓水壓力增加到大于上覆土層的強度時， 地表便發生隆起，形成圓錐形丘狀隆起的土丘， 稱為凍脹丘， 有時也稱為冰丘。凍脹丘突破上覆土層， 冰結堆積于地表， 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

由于自然營力或人為活動， 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引起融化深度加大， 使多年冰土層發生局部融化， 導致融化土層在土體自重和外壓力作用產生沉陷， 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有著十分密切的關系。在多年凍土地區幾乎每一項工程都可能因有關問題處理不當而引起熱融沉陷。

2.4熱融滑坍

由于自然因素或人為活動， 破壞了斜坡的熱平衡狀態， 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， 又產生新的坍落。如此反復進行， 一直向上發展， 直到地下冰分布范圍的邊緣。

2.5凍脹

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

圍未凍結區土中的水分會向凍結區迂移集聚， 使凍結區土層中水分增加， 凍結后的冰晶體不斷增大， 土體積也隨之發生膨脹隆起。

3.多年凍土地區地基的設計

一般而言， 多年凍土區建筑物地基設計原則有： 保護凍土原則——多年凍土地基在建設過程和建筑物營運的整個時期保持凍結狀態； 允許融化原則—— 控制多年凍土地基在營運過程中按允許的速率融化； 預先融化原則——預先融化凍土或挖除換填。保護多年凍土原則是寒區工程中應用最為廣泛的一個方法。依照此原則， 不但可以克服凍土的融化下沉， 還可利用凍土強度高于融土的特性修建多年凍土區建筑物。

3.1多年凍土地區的路基路面設計， 需根據凍土溫度， 凍土類型、道路等級、路面要求以及施工期限等情況， 要區別對待， 采用不同的設計原則：

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

（2） 富冰凍土地區， 當含水量較大， 或公路等級較高時， 宜采取保護多年凍土的原則； 當含水量較小， 或公路等級較低時， 也可按破壞多年凍土的原則設計。

（3）在厚層地下冰地段， 一般應采取保護多年凍土的原則； 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 多年凍土地區的路基高度， 應滿足防止翻漿和凍脹的要求。在采取保護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， 應同時滿足防止熱融及控制熱融沉陷的要求。

3.3 為保護多年凍土不致融化， 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， 由于地下冰發育， 融化后呈流塑狀態者， 基底土應進行全部或部分挖除換填， 邊坡應做好保溫， 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，應根據具體情況， 進行個別設計。

總之在進行多年凍土地區路基時，應針對凍土的地溫特點和凍土的工程性質采用不同的設計原則，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。取土坑應遵循遠離路基主體、集中取土的原則，盡量移挖作填，充分利用棄土和保護地表植被；不適當的人為活動引起凍土環境的局部影響是劇烈的。

參考文獻

[1] 馬東濤，張金山，王蒙，趙杰，高巍.新藏公路新疆段多年凍土特征及其災害初探[J]. 山地學報. 2004（05）

[2] 李永強，韓利民.青藏鐵路多年凍土工程地質特征及其評價[J].工程地質學報. 2008（02）

[3] 章金釗，李祝龍，武憼民，喻文學.青藏公路凍土路基設計研究[J]. 公路. 2000（02）

[4] 黃璟，黃晶，徐飛飛.淺析多年凍土地區地基[J]. 中國科技信息. 2008（09）

[5] 李玉生，趙永輝.淺析多年凍土地區地基的設計[J].民營科技. 2009（02）

[6] 王凌云.青藏高原多年凍土特征及處理措施[J]. 赤峰學院學報（自然科學版）. 2008（02）