中天山腹地G218線那拉提至巴侖臺(tái)段凍土分布研究分析

李祥東，韓曉東

(1.新疆交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 烏魯木齊市 830000；2.新疆交通投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司 烏魯木齊市 830000)

1 項(xiàng)目簡介

G218線那拉提至巴侖臺(tái)公路建設(shè)項(xiàng)目位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州和靜縣境內(nèi)，路線勘察起點(diǎn)位于艾肯達(dá)坂南側(cè)，穿越艾肯達(dá)坂后在巴音郭勒高山草原緊鄰G218南側(cè)坡地布設(shè)，地勢(shì)起伏不大，在察汗諾爾達(dá)坂西側(cè)約5km左右到達(dá)勘察終點(diǎn)，全線長92.1km。

項(xiàng)目地處中天山腹地，地勢(shì)北高南低，海拔高度在2630～3260m之間。途經(jīng)地貌單元較多，地表植被發(fā)育，低洼處多見不規(guī)則水洼，地表可見由冰川搬運(yùn)形成的巨型漂石，項(xiàng)目地區(qū)為典型的大陸性氣候，平原區(qū)夏季炎熱、冬季寒冷、少雪；山區(qū)地處逆溫帶，冬季溫暖雪厚，夏季涼爽，與平原區(qū)氣候差異顯著，形成垂直分帶的氣候特征[1]。

2 凍土的巖性及水文地質(zhì)

項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)凍土區(qū)主要分布在山前傾斜平原、洪積扇、山間谷地和河谷地帶[1]。路線表層均為第四系覆蓋，凍土層主要以角礫與碎石為主。山前傾斜平原地下水埋藏局部較淺，含水介質(zhì)主要為砂、卵礫石，孔隙發(fā)育，透水性好，由于受基底起伏影響，含水層厚度變化較大，地下水位及富水性極不穩(wěn)定并隨地勢(shì)起伏運(yùn)動(dòng)。在低中山區(qū)，地形切割深度大，山勢(shì)陡峭，基巖裸露，受構(gòu)造及風(fēng)化作用的影響，巖石破碎，裂隙發(fā)育，分布埋藏基巖裂隙水，其富水程度嚴(yán)格受斷裂構(gòu)造的控制區(qū)內(nèi)地下水的影響，一般由高勢(shì)面向低勢(shì)面作復(fù)雜的三維運(yùn)動(dòng)，最后在河流浸蝕基準(zhǔn)面位置呈線狀出露成泉，匯入溪流。

3 季節(jié)性凍土勘察分析

季節(jié)凍土受季節(jié)性的影響，冬季凍結(jié)，夏季全部融化。因其周期性的凍結(jié)、融化，對(duì)路基的穩(wěn)定性影響較大，因此需要對(duì)季節(jié)融化層中土的凍脹性進(jìn)行分級(jí)。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)鉆探、挖探及地質(zhì)雷達(dá)掃描結(jié)果得出，季節(jié)性凍層的頂層一般在0.5～1.0m，底層一般在2.6～3.0m，凍層土體主要為粗粒土(粒徑小于0.075mm的顆粒含量>15%)，季節(jié)性凍層含水率介于2%～19%之間，項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)季節(jié)性凍土主要分為不凍脹(Ⅰ)、弱凍脹(Ⅱ)、強(qiáng)凍脹(Ⅳ)[2]。一般情況下，季節(jié)性凍土的凍脹等級(jí)越高，其工程地質(zhì)條件越差。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)季節(jié)性凍土詳情如表1。

4 多年凍土分布特征分析

4.1 鉆探

通過對(duì)凍土層取樣進(jìn)行含水率測(cè)試，得到凍土層的含水率，并結(jié)合含冰量對(duì)凍土類型進(jìn)行劃分。通過分析地質(zhì)鉆探結(jié)果，項(xiàng)目區(qū)主要位于洪積扇地貌，以粉土、角礫、卵石、碎石土為主，孔隙中冰晶含量較高，5～15m含較多土冰透鏡體(圖1)，可見一層含土冰層厚度約4cm，凍結(jié)強(qiáng)度較高，凍土融化后體積縮小，有大量水分滲出。碎石土分布于坡腳或破面揭示厚度2.0～6.5m，2.4m見凍土，呈次棱角狀，粗顆粒土呈現(xiàn)凍結(jié)狀態(tài)，粗顆粒土中可見冰透鏡體，凍土融化后體積縮小，有水分滲出，凍結(jié)強(qiáng)度一般。

圖1 巖心照片

4.2 物探分析

凍土與融土的導(dǎo)電性能、介電特性等特征差異明顯，因此可采用地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法等物探方法對(duì)多年凍土區(qū)域進(jìn)行劃分。由于鉆探設(shè)計(jì)孔位于設(shè)計(jì)路線上，對(duì)線路兩側(cè)50m范圍外的凍土分區(qū)不精準(zhǔn)，因此采用物探方式根據(jù)文獻(xiàn)[3]附錄N對(duì)路線范圍的凍土區(qū)進(jìn)行更精確的劃分。

(1)高密度電法檢測(cè)分析

高密度電阻率法是根據(jù)施加電場(chǎng)作用下的地層傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，推斷地下具有不同電阻率的地質(zhì)體分布情況，并通過電阻率差異對(duì)地層進(jìn)行區(qū)分。

多年凍土是由巖土顆粒、未凍水、冰、未完全風(fēng)化巖體等構(gòu)成的介質(zhì)，且存在凍土層上水、凍土層下水和凍土層中未凍水等。由于水是導(dǎo)體，融化層中的水和凍土中的未凍水仍是導(dǎo)電體，凍土中的冰起阻隔作用，使凍土的導(dǎo)電通道變長變窄。因此，凍土的電阻率要比融化層電阻率大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，凍土的導(dǎo)電性差，融化層的導(dǎo)電性相對(duì)較好，電法解譯圖見圖2。同時(shí)，由于融化層的凍融作用，會(huì)使部分融化層變得疏松，電阻率增大，而凍土層內(nèi)含冰量的變化，都會(huì)使凍土層內(nèi)、凍土與融化層之間產(chǎn)生明顯的電性差異。本標(biāo)段通過高密度電法對(duì)部分凍土區(qū)域地層進(jìn)行分析，得到的解析結(jié)果如下：

圖2 高密度電法解譯圖

該測(cè)點(diǎn)剖面長度48m，檢測(cè)有效深度16m。范圍5～40m內(nèi)，深度2～9m間，電阻值存在突變，且4～6m間的電阻值明顯高于表層與底層電阻值，可初步判斷此區(qū)域范圍深度2～9m內(nèi)存在多年凍土。

(2)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)分析

探地雷達(dá)是通過發(fā)射和接收電磁波對(duì)地下介質(zhì)體進(jìn)行探測(cè)的儀器。發(fā)射天線向地下目標(biāo)體發(fā)射高頻電磁波(一般在1MHz～1000MHz范圍內(nèi))，傳播中的電磁波在電磁阻抗差異界面發(fā)生透射、反射或折射，并通過天線接收,進(jìn)而通過反射或者折射波的傳播時(shí)間、振幅強(qiáng)度、相位特征等計(jì)算出目標(biāo)體的電磁屬性、空間位置及幾何特征。

融土與凍土的雷達(dá)反射特征存在明顯差異，融土雷達(dá)反射波為低頻強(qiáng)寬振幅的稀疏波，波形較雜亂；凍土反射波為高頻低振幅細(xì)密波，波形較為規(guī)則。探地雷達(dá)可較為準(zhǔn)確地劃分地層、識(shí)別多年凍土上限、確定多年凍土分布范圍。本標(biāo)段通過地質(zhì)雷達(dá)對(duì)部分凍土區(qū)域地層進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

該檢測(cè)段落長度30m，檢測(cè)有效深度20m，檢測(cè)深度小于2.5m時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)解析圖像的波形較紊亂(融土層)，當(dāng)檢測(cè)深度大于2.5m時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)解析圖像的波形連續(xù)性好，波形變化幅度小(多年凍土層)。初步判斷此區(qū)域存在多年凍土，凍土上限介于2.0～3.0m間。

4.3 地溫監(jiān)測(cè)

多年凍土的年平均地溫是評(píng)價(jià)多年凍土熱穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，決定了土的熱交換狀態(tài)，以及凍結(jié)過程的特點(diǎn)，并影響凍土的物理力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)。低溫多年凍土(T<-1.5℃)熱狀態(tài)穩(wěn)定，工程性質(zhì)較穩(wěn)定，而高溫多年凍土(Tcp≥-1.5℃)熱狀態(tài)不穩(wěn)定，含有大量未凍水，表現(xiàn)出較為明顯的流變特征，并且在氣溫變暖及工程活動(dòng)影響下極易發(fā)生融化，具有較低的凍土強(qiáng)度和工程性質(zhì)不穩(wěn)定性[3]。

為查明凍土區(qū)地溫變化規(guī)律，在鉆孔中埋設(shè)了地溫管進(jìn)行地溫觀測(cè)，并使用熱敏地溫測(cè)試儀器對(duì)其溫度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，地溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析如圖3。

圖3 地溫與深度變化曲線圖

從圖3中可以看出，不同凍土區(qū)溫度變化有所差異，但整體變化趨勢(shì)基本相同，測(cè)溫深度小于2m時(shí)，地溫大于0℃。測(cè)溫深度為2～3m時(shí)(凍土上限區(qū)間)，地溫介于-0.5～0.5℃間。當(dāng)測(cè)溫深度大于3m時(shí)，地溫介于-1.5～-0.5℃間，且溫度變化較穩(wěn)定。當(dāng)測(cè)溫深度接近凍土下限范圍時(shí)，地溫介于-0.5～0℃間。從本標(biāo)段多年凍土區(qū)域地溫隨深度的變化規(guī)律可知，本標(biāo)段內(nèi)多年凍土上下限范圍內(nèi)地溫介于-0.74～-0.48℃間。

5 多年凍土凍脹及融沉等級(jí)判別

多年凍土地區(qū)最為突出的問題為多年凍土融化或上限下移引起的融沉破壞，造成道路(不均勻)沉降、縱向裂縫等病害。其融沉特性與多年凍土含冰類型關(guān)系密切，因此多年凍土的含冰類型對(duì)公路穩(wěn)定性影響極為顯著。通過多年凍土含冰類型、總含水量與融沉系數(shù)，項(xiàng)目區(qū)域凍土融沉等級(jí)及類別劃分結(jié)果如表2所示。

6 凍土分布特征

通過分析得出，多年凍土是氣候和地質(zhì)地理因素綜合作用的產(chǎn)物，氣候是控制凍土形成發(fā)展的主要因素，各種地質(zhì)地理因素不同程度對(duì)局地格局產(chǎn)生影響。項(xiàng)目區(qū)凍土分布主要與下列因素有關(guān)。

(1)海拔

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)K382+600～K450+000段海拔介于2660～2910m間，該段落內(nèi)多年凍土不發(fā)育，K455+000～K474+690段海拔介于3040～3230m間，該段落內(nèi)多年凍土較發(fā)育。由此可見隨著海拔升高，多年凍土的溫度降低，凍土越發(fā)育[4]。

(2)地形地貌

地形對(duì)多年凍土分布最為顯著的影響往往通過坡向和坡度表現(xiàn)出來，分水嶺、斜坡和各地的換熱條件也必然不一致，相應(yīng)的，其多年凍土厚度也存在差異；坡洪積扇地貌坡腳處多年凍土較發(fā)育，而該段坡頂處凍土不發(fā)育，是因?yàn)樯巾敳课坏責(zé)崽荻戎底钚。诠鹊鬃畲螅虼硕嗄陜鐾林械牡責(zé)崽荻扰c地形部位有密切的關(guān)系。同時(shí)，地形地貌也決定了多年凍土含冰量情況，河谷侵蝕堆積地貌地段水分補(bǔ)給條件良好且地形較平緩，往往分布有含冰量較高的多年凍土，而地形較陡的地段多年凍土含冰量較低。

(3)水體

水體的影響通常表現(xiàn)為對(duì)多年凍土的熱侵蝕，造成多年凍土分布格局的改變。項(xiàng)目凍土區(qū)段分布在河谷侵蝕堆積地貌單元內(nèi)，離河流較近的形成了貫通融區(qū)，而離河流較遠(yuǎn)的區(qū)段則一般形成非貫通融區(qū)，但影響多年凍土上限的深度和多年凍土地溫。項(xiàng)目多年凍土段由于多年凍土的隔水作用，在低洼和山前的平緩地帶往往形成了凍土沼澤濕地，這些區(qū)域植被相對(duì)發(fā)育，腐殖層厚度較大，其良好的保溫作用使得其下部多年凍土十分發(fā)育，多年凍土厚度較大，含冰量較高。

(4)植被

項(xiàng)目凍土區(qū)多分布于植被生長茂盛、植被覆蓋率高的區(qū)域，這是因?yàn)橹脖辉谙募灸軌蛴行У卣趽鹾头瓷涮柕妮椛浼由掀涓党炙褪杷傻目紫督Y(jié)構(gòu)具有良好的保溫性能，能顯著減小融化深度。而冬季植物枯萎和凍結(jié)的土體結(jié)構(gòu)則有利于土中熱量的釋放，因此，植被能夠起到顯著的降溫作用。若地表形成沼澤化則蓄積大量水分，有利于形成高含冰量凍土，該類地區(qū)往往地下冰發(fā)育，并且季節(jié)融化深度小，多年凍土的年平均地溫也較非沼澤化地段低[4]。

(5)巖性

不同巖性的巖土體其熱物理性質(zhì)不同，表面熱交換條件、保水能力、滲透性均存在差異，因而凍土的發(fā)育程度也不一樣。同時(shí)各類巖體的導(dǎo)熱性能差異也造成地中熱流值差別，影響到多年凍土下限的位置。凍土含冰量的高低與巖層中土的粒度成分關(guān)系密切，尤其對(duì)于細(xì)粒土其含冰量則與分凝成冰作用有關(guān)。分凝冰的形成在不同粒度成分的土中具有顯著的差異，粒徑0.002～0.075mm為分凝冰形成最佳粒度范圍，對(duì)細(xì)粒土而言，其分凝析冰能力的高低可按如下順序排列：粉質(zhì)粘土、粉土、粘土、粉砂。而對(duì)粗粒土而言，一般當(dāng)小于0.075mm顆粒含量大于15%時(shí)，在充分飽和條件下也能形成高含冰量凍土。而對(duì)粗粒土，則主要取決于小于0.075mm顆粒含量的多少，一般當(dāng)小于0.075mm顆粒含量大于15%時(shí)，在充分飽和條件下也能形成高含冰量凍土。結(jié)合調(diào)繪資料，可得凍土區(qū)域分布圖，見圖4。

圖4 凍土分布區(qū)域圖

7 地基處理措施

7.1 季節(jié)性凍土路基設(shè)計(jì)原則及建議處理方案

結(jié)合項(xiàng)目沿線地質(zhì)條件、地層組成以沖洪積、碎石層為主，表層有粉土層沉積，清除表層粉土后，不凍脹及弱凍脹段季節(jié)性凍土區(qū)域的公路路基土可不做其他特殊處理，強(qiáng)凍脹段落內(nèi)季節(jié)性凍土區(qū)域的公路路基土需做特殊處理，施工過程中應(yīng)保證路基填料以抗凍脹能力較強(qiáng)的礫石土為主，沿線路基防護(hù)、橋、涵構(gòu)筑物基礎(chǔ)，埋置深度需在季節(jié)性凍土深度以下[5]。

7.2 多年凍土路基設(shè)計(jì)原則及建議處理方案

對(duì)本項(xiàng)目段內(nèi)凍土擬定如下處置原則：路線應(yīng)盡量避開多年凍土區(qū)或繞開高含冰凍土區(qū)。遵循“寧填勿挖”的設(shè)計(jì)原則[5]，采取保護(hù)凍土、控制融化速率、加強(qiáng)側(cè)向排水與保護(hù)、綜合治理的總原則。對(duì)于多年凍土下限在4m以內(nèi)的路段，一般采取融化的原則，全部清除多年凍土層，回填砂礫、碎石或片塊石的設(shè)計(jì)方案。對(duì)于凍土下限大于4m的路段，一般采用控制融化的原則，采取主動(dòng)和被動(dòng)措施來維護(hù)凍土路基的穩(wěn)定性。本項(xiàng)目所在區(qū)域內(nèi)凍土多為少冰、多冰、富冰多年凍土，多年凍土段整體式路基寬度為24.5m，分幅式路基寬度單幅為12.25m，因此建議本項(xiàng)目施工設(shè)計(jì)時(shí)采用復(fù)合措施加強(qiáng)凍土冷卻效果[6]。

8 結(jié)論

多年凍土形成與構(gòu)造、地貌、巖性、地表水等地質(zhì)和自然地理因素密切相關(guān)，決定了項(xiàng)目區(qū)內(nèi)沿線多年凍土的分布和發(fā)育特征。一般情況下，多年凍土的溫度、厚度受到海拔高度、緯度的影響，海拔及緯度越高，多年凍土分布下限越低、溫度越低，且厚度越大。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)緯度變化不大，其凍土發(fā)育受海拔高度影響較為顯著。