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温，有时为负温。由多年冻土层下限向下，地温以每 lOm上升0.2-0.3的幅度继续升高。 (a)劲涛39%198阵 (b)满归铁路住宅区CK3 1976年 图1一12 地温曲线类型图 1一泥炭;2一砂黏土;3一黏砂土;4一砾砂; 5一角砾岩;6一花岗岩;7一安山岩。 (a)正梯度地温曲线(不连续多年冻土带); (b)负梯度地温曲线(不连续多年冻土带); (c)零梯度地温曲线(不连续多年冻土带); (d)零梯度地温曲线(零星岛状多年冻土带); (e)扭曲型地温曲线(大片岛状多年冻土带)。 此外还可按照多年冻土的动态将地温曲线分为稳定型和退化 型，如图 1一13所示。退化型地温曲线大都在零星岛状多年冻土带的冻土层中(特别是在南界附近)，或者在受到强烈持久的人为活动影响下的多年冻土层中。 图1一13稳定型和退化型地温曲线 四、多年冻土的类别 多年冻土可按其成因、年代、发展趋势、冻结状态、结构、构造、含冰量、分布等分为各种类型。 (一)按成因分类 在沉积作用完成后自下而上形成的冻土称为后生冻土;现代沉积过程中形成的冻土称为共生冻土;后生与共生交替出现的冻土称为多生冻土。 (二)按年代分类 按冻土的形成年代可分为古代(冰川期)多年冻土和近代(大陆性)多年冻土两种。 大小兴安岭多年冻土是古代冰河期转为间冰期的产物。上限 冰面处常有现代气候产物。 (三)按发展趋势分类 冻土按发展趋势可分为持久性的冻土(土温不断下降)和退化性的冻土(土温不断上升)两种。 大小兴安岭多年冻土是退化性的。 (四)按冻结状态分类 多年冻土按冰胶结状态及物质成分可分为坚硬冻土、塑性冻土和松散冻土三种。 (五)按冻土结构分类 按多年冻土中水分转移情况不同可分为整体结构、层状结构和多孔结构(网状结构)三种。 整体结构是冻结时水分来不及转移而形成的，冰粒散布孔隙 中，强度较高，解冻时不降低，砂类土多此结构。 层状结构是黏性土中有水源补给单向冻结产生冰夹层而形成 的。解冻时呈可塑状，强度骤降。 多孔结构(网状结构)是在水源充足时非单向冻结形成的，与 层状结构相似但解冻后强度不大幅度降低这与层状结构不同。 (六)按垂直构造分类 从剖面构造看，多年冻土可分为衔接多年冻土和不衔接多年 冻土两种。 大兴安岭地区多为衔接多年冻土，小兴安岭多为非衔接多年 冻土。 有时多年冻土层间有不冻层存在，称为层状多年冻土。 (七)按平面分布分类 按平面分布多年冻土可分为连续的、不连续的、有岛状融区的 和融区内有岛状的多年冻土三种。 (八)按地理位置分类 按地理位置多年冻土可分为高纬度多年冻土(如大小兴安岭 多年冻土)和高海拔多年冻土(如青藏高原多年冻土)。大小兴安 岭多年冻土具有退化趋势。 (九)按多年冻土含冰量分类 按含冰量多冻可分为少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层五类。 五、多年冻土的上限 (一)多年冻土上限的定义 在多年冻土地区，对于衔接多年冻土而言在地表以下某一深度的最高地温值为O。在该深度以上的土夏季融化冬季冻结，称为季节融化层;在该深度以下的土则终年处于冻结状态，称为多年冻土。我们把这一深度称作季节融化层底板或多年冻土上限。此一深度即为季节融化层厚度或多年冻土上限的埋藏深度。对于非衔接多年冻土其季节融化层底部与多年冻土层上限之间被不冻土隔离。 在多年冻土下部的地温值为O，这一深度称为多年冻土下限。其上为多年冻土，其下为不冻土。多年冻土上限和下限的垂直距离即为多年冻土厚度。 (二)多年冻土上限的类别及用途 多年冻土上限有天然上限和人为上限两种。 天然状态的多年冻土上限为其天然上限。因受人类活动影响改变了地温与气温的热交换条件，破坏了天然条件下的热平衡状态导致多年冻土上限发生变化，变化后的多年冻土上限即为其人为上限。 人为多年冻土上限决定了多年冻土融化下沉计算的下部界限，而天然上限往往是厚层地下冰的埋藏深度。在建筑物地基的融沉计算中应包括融沉和压密下沉两部分。 (三)确定多年冻土上限的最佳季节 一年中衔接多年冻土其最大融深(即多年冻土上限埋深)持续时间短暂，且出现时间受种种因素影响而先后不同。工程勘察时因季节关系往往不能获得这项数据，只能待到时间合适时补测，造成时间上的延误。如达南段1957年6月勘测完毕，9一10月又专 门补测多年冻土上限，造成人力物力浪费和资料的延期交付。 大兴安岭大多为衔接的多年冻土，不衔接的多年冻土仅在中小河床底部、大河流岸边、岛状多年冻土带邻近季节冻土带边缘地带和人为活动多的地区等处存在。确定多年冻土最大上限深度的最佳季节是每年的9一10月。 (四)多年冻土天然上限的确定方法 1.直接勘探法 大小兴安岭多年冻土地区气象台站稀少，至今仍无遍布全区的完整而长期的气象资料。由于电测土温的办法又难以普遍采用，故较为准确可靠的办法，是采用直接挖探方法来查定天然上限深度。 2.冰面法 对于衔接的多年冻土，可根据地下冰(特别是厚层地下冰)的 冰层顶面位置判断多年冻土埋深。 多年冻土有地下冰地段，因保温条件好，融化深度小，上限以 下常年冻结，多年冻土构成良好隔水底板，水不能下渗。夏融时水 集中，冬冻时水向上、下峰面迁移冻结成冰，经长期发展在上限处形 成厚层地下冰，标志明显。因此，用冰面位置判断近期多年冻土上 限深度是切实可行的。表1一6是用冰面法确定上限的几个实例。 表1一6 3.统计上限法 根据大小兴安岭多年冻土区内实际勘探的大量上限资料，按照不同土质、朝向等统计出各种条件下的上限深度，见表 1一7。在工程勘察期间由于季节限制不能及时取得多年冻土最大上限深度时，可参照统计上限表来确定多年冻土上限值。 表1一7 4.经验公式法 影响多年冻土上限深度及其上限变化的因素虽然很多，但其中主要的是土的颗粒组成、保温条件及朝向。根据多年勘测设计经验和长期定点观测资料，经分析统计，总结出各种单一土的最大上限值，见表1一8。 表1一8 当地表下第一层土厚度忻大于该单一土的上限值21时，即可直接由表1一8中查得最大上限值此时Z1=Hmax、，。 当h1z1，即n=1，因而公式(1一4)中的项数n-1=0故Hmax=z，所以单一土上限表中泥炭z1=0.65m即为所求的上限值。本工点实际挖探到的上限为0.7m。 例嫩林线春友工区附近天然地温观测孔，位于D带和皿带交界处，该处为洪积缓坡，地表有杂草及少量塔头草。坡向阳。地表0一0.45m为泥炭，0.45一1.45m为黄色砂黏土，求上限深度。 笔者通过对过去勘探资料的验证计算，在419个实例中，各种 土层组合，其误差在15%以内者占69.2%一87.2%，其中泥炭层 下为砂黏土及泥炭层下为砂砾者分别达到85.9%及87.2%。因 此，认为公式(1一4)是可以采用的。 5.融化百分率法 大量地温观测资料表明，通常每年4一5月地表开始融化， 8一9月达到最大融化深度(上限)位置，其融(冻)深度逐月变化曲 线如图1一4所示。 图1一14融(冻)深度逐月变化曲线示意图 图中的H是一年中最大融深(上限)值，在某个观测曲线中是 相对不变的。h是一年中任意时间的融深值，它随时间变化。在分析统计中发现，当地表植被相同的情况下虽然土质条件不同各地温曲线中h/H的比值十分接近。如h/H用百分率S表示，则可绘出不同植被条件下融化百分率S与时间的关系曲线如图1一15所示。 图1一15融化百分率与时m的关系曲线图 图1一15中曲线是青藏线(末施工)土门试验场资料的平均值;曲线0是大兴安岭嫩林线、牙林线各地温观测点资料的平均值。 值得一提的是，用大兴安岭地区地温资料点给出的融化百分率曲线为两条。其中一条即图1一15中的曲线0，另一条曲线0与曲线0基本重合。至于曲线0和曲线0(及曲线0)不同主要是覆盖物不同造成的。大兴安岭有两类不同的地表覆盖物，第一类是保温条件好的，如塔头草、苔薛、泥炭层等，其融化速率为图1一15中的曲线0。第二类是地表无植被或泥炭层薄与青藏线相似，故融化百分率曲0非常接近曲线0以致基本重合。 综上所述，可知当气候条件相似、地表保温条件类同时，即使 33m，而南墙脚下钻探出人为最大季节冻深13m，这是由于房屋朝向与室内采暖所致。因此，建筑规范中规定外墙各部位的设计最大冻深应按标准冻深乘以相应的影响系数来确定。 (3)嫩林线K194+680处1一125m圆管路基填土高Zm。圆管修建前天然季节最大冻深为24m，建涵后人口(阴面)最大季节冻深27m;涵洞出口(阳面)最大季节冻深为22m，其出人口冻深比为22龙7二081。另据劲涛冻土试验站院内高Zm路堤坡脚处，阴面和阳面的地面实测冻结指数比为26408度日/31645度日二0835。以上冻深比与冻结指数比均在08左右，这说明涵洞出人口受朝向影响也很明显。因此，涵洞出人口的设计冻深也应用标准冻深乘以影响系数来确定。 以上桥、房、涵三种有代表性建筑物的冻深调查表明，季节最大冻深的影响因素很多。在确定最大季节冻深时，对任何建筑物都应用标准冻深的方法来计算。 (三)标准冻结深度的确定 标准冻深是指观测场为无植被无雪盖的裸露地面上，测得的多年平均冻深值，称为标准冻结深度。 在大小兴安岭多年冻土地区确定标准冻结深度是有一定困难的，原因是本地区气象站设立较少，现有气象站的气象资料记录时间也短。因而，用数理统计方法绘制某种频率的标准冻结深度等值线图基础资料还嫌不足。为满足本地区工程勘察的需要，铁道部第三勘测设计院冻土队提出了如下的冻结深度经验公式: h%讥 。F。式中 Hm%一一最大季节冻结深度，m; 散zM一一冻结期内各月平均负气温绝对值总和，度月; K一一各种土的经验系数。黏性土K二O055;砂卵石 K二0069;碎石夹土K二0062;风化成砂状的 岩石K二O094;风化成碎石状的岩石K= 0100。 36 国内外确定季节最大冻结深度的公式很多，但各公式考虑的因素以及表达方式大同小异，这里不再一一介绍。公式(1一6)是东北大小兴安岭地区通过大量勘探资料经分析统计得出的。公式中的经验系数反映了土质条件，实践证明是适用的。 (四)季节冻土层内水分的变化 多年冻土地区季节冻土层内水分的转移与非多年冻土地区有所不同。对衔接的多年冻土而言，季节冻土层在冻结过程中，其地下水(多年冻土层上水)往往形成封闭系统，其水分转移是不充分的，其季节冻土层受双向影响，一部分地下水向上面冻结锋面转移，另一部分地下水则向下面多年冻土顶面(上限)转移，使季节冻土层内的含水量呈K形分布，因而，水分转移的结果使季节冻土层内的水分比非衔接多年冻土区及融区季节冻土层内的水分要少一些，所以冻胀量也要少一些。对非衔接多年冻土而言，地下水的补给出衔接多年冻土要多一些，且季节冻土底板与多年冻土顶板之间的含水层在地面坡度较大时往往会产生承压水，有时甚至造成地面隆起现象，因而冻胀量比衔接多年冻土要大些。 勘测经验证明，在衔接多年冻土区、非衔接多年冻土区和融区的季节冻土层，其冻胀量一般以衔接多年冻土区力最小，融区力最大，非衔接多年冻土区的季节冻属其冻胀量居中。此外，设计中应特别注意季节冻土层中含水量的变化，尤其黏性土，在冻胀期间当其地下水位(包括承压水)达到主冻胀带(最大冻深的70%)一半时，则选取冻切力指标时就应采取该土质的最大值。 第三节 多年冻土地区的不良地质现象 多年冻土地区的不良地质现象对铁路工程会产生种种病害，正确了解多年冻土地区这些特殊地质现象的发生、发展、消亡的规律，对铁路工程建设有着重大的意义。 多年冻土地区之所以会形成不良地质现象，在于多年冻土地区不仅气候严寒，而且还有多年冻土层作为底板使地表水的下渗 37和多年冻土层上水的活动受到约束，这是多年冻土地区不良地质现象发生和存在的基本条件。 大小兴安岭常见的不良地质现象主要有冰丘、冰椎、地下冰和冻土沼泽等，下面一一分析。 一、冰丘、冰椎 (一)冰丘 在多年冻土地区的河滩、阶地、沼泽地及平缓山坡和山麓地带，常常会看到象坟丘一样的土包，大小不一，有的呈单个分布，有的象古墓群一样成串成片的分布，这些丘状的土包称为冰丘。一般直径由数米大到1一2km，其高度可由几米至几十米。当丘顶上长有树木时，树木就东倒西歪，形成所谓醉林。 冰丘在每年最冷月份(1一2月)开始隆起，在夏季融化消失， 叫做季节性冰丘。还有一种由冻结层下水补给而形成的多年生冰 丘，其规模远比季节性冰丘为大而且终年存在，但这种冰丘并不常 见。还有一种冰丘当丘内承压水很大时可将冰丘鼓破爆炸喷水， 形成爆炸性冰丘，这种冰丘在青藏高原较多，在大小兴安岭却很少 见。 当冰丘被鼓破之后，地下水冲出地面边流边冻形成冰漫，此时 就称为冰椎。 (二)冰椎 在多年冻土地区的山间洼地、河床、河漫滩、阶地及山麓洪积 扇边缘地带，有时，我们老远就可看见一些洁白耀眼的冰体，这就 是冰椎。冰椎的大小、形态很多，有的冰椎直径仅1一2m，而有的 可达1一2km，有的呈丘形、椭圆形，有的呈长条形和喇叭形，有的 单个分布，有的则成串分布形成冰椎群。绝大部分冰椎是一年生 的，每年1一4月为冰椎的主要发展时期，4月下旬以后冰椎停止增 长，此时冰面上出现裂缝并逐步破碎直至消失。 按照水源补给条件，可将冰椎分为河冰椎和泉冰椎两种。 冰丘、冰椎虽然都是多年冻土地区特有的一种冰缘现象，但它 38们之间是有区别的。冰丘只是地表冻胀隆起成丘状，而冰椎是冒水的，边流边冻形成冰漫。当然冰丘被鼓破之后冒水也会形成冰惟，冰椎不一定地表都隆起，只要地下水冒出地面均可形成冰椎。 (三)冰丘、冰椎产生的原因 在多年冻土地区冬季表层土由上而下冻结时，使多年冻土层顶部与季节冻层底部的过水断面逐渐减少，促使地下水承压，同时在冻结过程中水向冻结面转移，形成地下冰层。因为水冻成冰体积增大，产生很大的膨胀力，随着冻结深度的增加，当冰层的膨胀力和水的压力增加到大于上覆土层的强度时，地表就发生隆起形成冰丘。 在冬季河水上层结冰以后，过水断面变小河水流动受阻而渐具承压性。上部冰冻的越厚下部流水受压越甚。当压力增加到一定程度时水就冲破上覆冰层外溢，边流边冻形成河冰椎。同样道理地下水受承压水作用溢出地面就形成泉冰椎。 综上所述，冰丘、冰椎都是承压水造成的，因而在工程勘察申应特别注意容易产生承压水的地形条件，如地面由陡坡迸人缓坡地段，尤其上游为季节冻土下游为多年冻土(塔头草甸子)往往会出现冰丘、冰椎。还有在工程施工中由于开挖取土、筑堤、开挖路堑、开凿隧道都会引起冰丘、冰椎的发生。 (四)冰丘、冰椎的主要危害 在多年冻土地区、冰丘、冰椎对铁路建筑物危害很多，常见的有以下凡种。 认由于冰丘的隆起可将低路堤一同抬起;靠近桥墩的冰丘可使桥墩产生倾斜。 z对于那些较大的冰椎可造成冰漫路基;或堵塞桥孔，或使涵洞产生冰塞。有时冰椎还能冲人房屋的地下室。在工程施工中还可人为造成冰椎，如开挖路堑、筑堤取土、开凿隧道等，由于地下水的涌出造成许多人为冰椎，处理起来十分困难，危害较大。如堑 内积冰、隧底积冰、衬砌挂冰，往往会侵入限界中断行车。 总之冰丘、冰椎对建筑物的危害是多种多样的。关于上述危 39害的发生和整治，在以后各章中，还要结合具体工程实例详细介绍，这里不再一一例举。 二、地下冰 在多年冻土地区天然上限附近往往存在着一层冰，其厚度不一，由几厘米至几米。这种层状冰多为地表水下渗转移到冻结锋面上逐渐形成的。至于埋藏较深的地下冰，其成因在学术界尚有争议，总之这种地下冰的存在对工程影响很大，常见的地下冰有楔形冰和层状冰两种。 (一)楔形冰 由于地温的不均匀变化，导致多年冻土中发生上大下小的裂 隙，裂隙中聚水后冻结形成楔形冰。楔形冰多存在于泥炭或泥炭 质淤泥冻层中，伊图星河曾有发现。 (二)层状冰(纯冰层) 厚几厘米至几米平行地面呈层状存在的冰层称为层状冰多存 在于泥炭、黏土、砂黏土层中。层状冰一般分布在河谷冲积阶地、 洪积阶地上及山坡坡脚附近。 在大兴安岭多年冻土地区，西北部地下冰较东南部发育。牙 林线地下冰有延长达几百上千米者。金林东站至牛耳河车站间长 约70余公里发现了整段地下冰。牙林线根阿铁路大其拉哈车站 至h奎车站间地下冰厚达1Om;伊东车站至大其拉哈车站间地 下冰厚达18m。但在大小兴安岭地区尚未发现地下冰厚超过 30m者。 对嫩林线劲涛车站地下冰地段低路堤的观测证明，多年冻土 上限持续下降达5一8年之久，基底下沉、冻胀严重，养护困难，很 不安全。因此，铁路不宜以低路堤方式穿越地下冰地段。 三、冻土沼泽 在大小兴安岭多年冻土地区，由于多年冻土广泛、降水集中、 植被茂密、气温很低，地表水不易下渗，因而在沟谷洼地、河流阶 40 地、洪积阶地、缓山坡上以及分水岭址口处发育有许许多多的冻土 沼泽。沼泽则因所在泥炭厚薄、沼底土层性质等地质条件和沼泽 位置的不同而类型不同。 (一)分水岭垃口或缓山坡上沼泽多分布在局部低洼处，泥炭 薄，末腐朽至微腐朽，一般按前苏联奥尔都扬茨分类法多属于l类 沼泽，其下为砂黏土夹碎石，含有冰层或偶见薄冰层。 (二)一级阶地上沼泽多分布在河岸一级阶地上，泥炭厚度儿 分米至一米不等，微腐朽至已腐朽，偶见冰层，按前苏联奥尔都扬 茨分类法多属于I类及D类沼泽，其下为卵石土或砂黏土。 (三)二级阶地或洪积阶地上沼泽多呈大面积分布，泥炭厚一 米至数米，按前苏联奥尔都扬茨分类法属于类及皿类沼泽，泥炭 中埋藏不规则地下冰体或纯冰层，冰厚不一，其下为砂黏土夹半棱 角状卵石或砂黏土。 (四)沟谷洼地里沼泽:多分布在沟谷出口洼地里，泥炭厚达 数米，含冰量大，以体积计可达40%一80%或含不规则冰体层厚 达2一3m，按前苏联，奥尔都扬茨分类法属于皿类沼泽。 第四节 冻土的物理力学性质 一、冻土的相成分 冻土是由矿物颗粒、固相水、液相水和气体四部分组成的。 其中水的相态变化决定着冻土的物理状态。一般土在0一7C的温度区段内，液态水大部转变为固态水，相态变化渐缓直至消失。 不考