冻土地貌对工程建设的影响研究.doc

冻土地貌对工程建设的影响研究金矿摘要：冻土地貌区进行工程建设时违背冻土地貌的自然规律，盲目的夸大人的力量，结果造成了大量损失。本文从冻土地貌的成因、分布、类型、及其危害等方面进行整体论述冻土地貌。从本质上把握冻土地貌，探究其具体的解决方法，提出冻土区工程建设的设计原则。关键词：冻土地貌；工程建设；影响1、概述1.1冻土的分布冻土是指地表至100厘米范围内有永冻土壤温度状况，地表具多边形土或石环等冻融蠕动形态特征的土壤。我国多年冻土分为高纬度和高海拔多年冻土。高纬度多年冻土主要集中分布在大小兴安岭，面积为38-39万平方公里。高纬度的多年冻土是欧亚大陆多年冻土南缘，平面分布服从纬度地带性规律，即往约往海拔高的地方冻土面积约达，厚度越厚。 高海拔多年冻土分布在青藏高原、阿尔泰山、天山、祁连山、横断山、喜马拉雅山，以及东部某些山地，如长白山、黄岗梁山、五台山、太白山等。高海拔多年冻土形成与存在，受当地海拔高度的控制。1.2 冻土的成因(1) 气候冻土分布区的环境条件存在差异。冰沼土分布区属苔原气候，大部分地面被雪原和冰川所覆盖，年平均温在0以下，一般都在-10至-17，冬季气温可低至-40，甚至-55，夏季温度也很低，7月份平均温度不超过10，全年结冰日长达240天以上。高山冻漠土年均温也很低，一般为-4至-12。冻土区降水很少，欧洲部分为200300毫米，亚洲和北美洲北部在100毫米以下，西藏冻漠土区因地势高、远离海洋，降水更稀少，一般为6080毫米，其北部更少，为2050毫米，其中90%集中于59月。降水虽然少，但气温低，蒸发量小，长期冰冻，土壤湿度很大，经常处于水分饱和状态，夏季土壤母质融化，砂土可达11.5米，壤土70100厘米，泥炭土3540厘米，以下即为永冻层，高山冻漠土在宽谷、湖盆永冻层深度80厘米，山坡上可达150厘米（2）植被 由于冻土区气候严寒，植被是以苔藓、地衣为主组成的苔原植被，草本植物和灌木很少，常见的植物有：石楠属、北极兰浆果、金凤花等开花植物，南缘有云杉、落叶松、桦、白杨、柳、山梣等，生长缓慢，矮小且畸形，各种植物的年生长量均不大，苔原地带每年有机质的增长量为400公斤/公顷，是世界各自然地带中最少的。高山冻漠土区植被为多年生和中旱生的草本植物、垫状植物和地衣，常见的有凤毛菊属、葶苈属、桂竹香属、虎耳草属、点地梅属、银莲花属、金莲花属、红景天属等，一簇簇地生长在石隙之间，或在冰雪融水灌润的地方局部呈小片分布。五颜六色的粗糙碟衣、地图黄绿衣、岩表黄绿衣等则着生于石块上面。(3) 地形、母质冻土发育的地区，因刚脱离冰川覆盖不久，冰川地形保持得相当完整。冻漠土分布区的地形主要是陡峭的山坡，角锋、刃脊、第四纪和近代冰川所形成的冰斗和冰碛垅堤，宽谷，湖盆的湖积平原等。成土母质的差异较大，加拿大、西伯利亚地盾区是前寒武系基岩。其他地区有古生代各种灰岩、石英砂岩、板岩、中生代的灰岩、红色钙质砂泥岩及近代泥砾和冲积物，残积物，冰碛物，冰水沉积物等。1.3、成土过程 冻土形成以物理风化为主，而且进行得很缓慢，只有冻融交替时稍为显著，生物、化学风化作用亦非常微弱，元素迁移不明显，粘粒含量少，普遍存在着粗骨性。高山冻漠土粘粒的K2O含量很高，可达50克每千克，说明脱钾不深，矿物处于初期风化阶段。 冻土区普遍存在不同深度的永冻层。在湿冻土分布区，夏季，永冻层以上解冻，由于永冻层阻隔，融水渗透不深，致使永冻层以上土层水分呈过饱和状态，而形成活动层，活动层厚度为0.6米至4米，若永冻层倾斜，则形成泥流；冬季地表先冻，对下面未冻泥流产生压力，使泥流在地表薄弱处喷出而成泥喷泉，泥流积于地表成为沼泽，因其下渗较弱，泥流、泥喷泉又混和上下层物质，使土壤剖面分化不明显，而在南缘永冻层处于较深部位，水分下渗较强处，剖面层次分化较好。 在干旱冻土分布区，白天由于太阳辐射强烈，地面迅速增温，表土融化，水分蒸发；夜间表土冻结，下层的水汽向表面移动并凝结，增加了表土含水量，反复进行着融冻和湿干交替作用，促进了表土海绵状多孔结皮层的形成。此外，暖季，白天表土融化，夜间冻结，都是由于由地表开始逐渐向下增温或减温总是大致平行于地表水平层次变化着的，所以，在干旱的表土上，强烈的冻结作用往往形成表土的龟裂。 在极地冰沼土区，由于低温，蒸发量小，地势低平处排水不畅，土壤水分经常处于饱和状态，致使土壤有机质和矿物质处于嫌气条件下，虽然有机质形成数量不多，但在低温嫌气条件下分解缓慢，表层常有泥炭化或半泥炭化的有机质积累。矿物质也处于还原状态，铁、锰多被还原为低价状态，形成一个黑蓝灰色的潜育层，在高山冻漠土分布区，降水较少，土壤淋溶弱，剖面中往往有石膏、易溶盐和碳酸钙累积，致使土体呈碱性，表土结皮和龟裂等。 总的来说，冻土成土年龄短，处处呈现出原始土壤形成阶段的特征。 1.4、主要性状 （1）诊断层和诊断特性： 冻土具有永冻土壤温度状况，具有暗色或淡色表层，地表具有多边形土或石环状、条纹状等冻融蠕动形态特征。 （2）形态特征： 土体浅薄，厚度一般不超过50厘米，由于冻土中土壤水分状况差异，反映在具常潮湿土壤水分状况的湿冻土和具干旱土壤水分状况的干冻土两个亚纲的剖面构型上有着明显差异，湿冻土剖面构型为OOiCg或OiCg型，干冻土为JAhBzCk型， （3）理化性质： 冻土有机质含量不高，腐殖质含量为1020克每千克，腐殖质结构简单，70%以上是富里酸，呈酸性或碱性反应，阳离子代换量低，一般为10厘摩尔（+）每千克土左右，土壤粘粒含量少，而且淋失非常微弱，营养元素贫乏2. 冻土地貌寒冷地区工程中最突出的两个工程问题是路基冻胀和融化下沉不破坏，同时还办有冷生过程中形成和演变的威胁工程稳定性的冻融灾害问题。以黑龙江北部地区的公路建设为例，黑北地区为多年性冻土不连续区，冬去春来，伴随着气温的升高，地下并开始融化，而使得地面发生下沉变形的问题，使得地面变形。在季节性冻土区，伴随着土壤的冻结与融化，会产生冻胀和冻融翻浆，对公路路基产生危害。2.1 融沉问题多年冻土主要的公路工程地质问题十多年冻土的热融沉陷，导致公路路基产生叫得不均匀变形。随着气温的转暖及人类工程活动的影响，多年行动途中的地下并逐渐融化，缓慢的排水固结过程，使得地基土长期处于不稳定状态，导致公路路基下沉不破华，一举黑北公路倒装多年性冻土的工程性质，主要存在以下几种危害：弱沉融性路段：多年性冻土为整体状冻土构造，冻土中含冰量较少，总含水量一般略大于塑县，冻土融化时，融化下沉系数一般小于5%，分布于冻土区内的地面，其总下沉量不超过10cm，冻土路基基本稳定，冻土工程地质条件为良好地段。弱融沉-融沉地段：主要为整体状-微层状冻土构造，属于多冰-富冰冻土，冻结的总量为30%-42%，冻结碎石土为21%左右，冻结年性土的融沉系数为5%-10%，局部位置可达到12%-14%，冻结碎石土为5%-7%，冻土工程地质条件较好，地基基础基本稳定。融沉-强融沉性地段，多说可见到微层状冻土构造-层状构造，属于富冰冻土-饱冰冻土。冻结粘性土的总含水量为37%50%，冻土砂等砂类结构为17%，局部位置为27%，冻结砂类土的沉融系数为10%左右，冻土工程地质条件较差，地基不太稳定，局部及不稳定。融沉-融陷性与强融陷性融沉-融陷地段：主要为层状及厚层状冻土构造，属于饱冰冻土，含土冰层。冻结想粘性土的总含水量为50%70%。冻结碎砾石土为40%左右，他们的融沉系数分别为25%29%及26%，融化后将产生很大的沉降量，冻土工程地质条件较差，乃至极差，地积极不稳定。显然，多年冻土的工程地质条件的差异，除了土质、含水量、密度等因素外，主要取决于冻土中的冻土构造、含冰特征、冻土地温以及冻土厚度。从勘查测定的多年冻土地温看，大部分地段微_0.060.2摄氏度，部分地段微031.0摄氏度。地温较高的地段，施工及运营期间能较快融化，地温较低的地段，施工难以时冻土完全融化。2.2 冻胀问题季节冻土区的主要工程为还是冻胀与翻浆问题，土体冻胀必备的3大基本条件是：1）具有冻胀敏感性的土；2）超过土体塑性的含水量和具有外部水分补给条件；3）适宜的冻结条件和时间，这3个条件缺一不可。人们可以采取各种措施以削弱其中一个条件，就可以抑制和削弱土体的冻胀，达到防止冻害的目的。当然，实际的工程措施和施工过程中，很难完全达到防止冻土冻胀机理的理论设计要求，或者是治理措施没能全面考虑环境变化的影响，使得防冻害措施不能发挥应有的效果。根据上述冻土冻胀机理，黑龙江北部地区的冻土地段大致可以分为3个地段来评价冻土地段可能产生的道路冻胀问题：沼泽低洼地带：这些洼地具有积水条件，地下水位很浅，水分补给来源丰富，湿生植物广泛分布，冻土范围内的土质为草滩，泥滩，腐殖质亚粘土活亚砂土，亚粘粒，砾石土及细砂土等，这些自然环境条件前前符合土体产生冻胀的基本条件，属于强-特强冻胀敏感性地带。斜坡敏感地带：地下水位埋深为125米，提提的含水量为30%46%左右，最大深度范围内的土质为：较薄的腐殖质土、亚砂土，灰黑色或黄色亚粘土，灰白色细砂、粗砂；冻结其通常是从9月起到至翌年6月，这种缓慢的冻结过程，创造了适宜的冻结条件和时间。斜坡地带具备适合土体东张条件，地下水位居冻结峰面的最小距离，在冻结过程中，地下水可以通过土体空隙的毛细管，不断迁移补充到冻结峰面上，试土体产生较大的冻胀量。山岭地带：地表为厚度较小的腐殖质亚砂土活亚粘土，下伏岩层多亚粘土层、亚砂土等，或为第三系全风化沙砾岩、砂岩、砂泥岩及泥岩。土体含水量比较少，但在较平缓凹低的山岭，土体的含水量则会高点，一般说来，地下水为埋藏深度较大，大约为2.54米，因此，山岭地带的冻胀性较小，属于若冻胀性。值得指出和强调的事，山岭的自然环境，是的大气江水易下渗，当存在渗透性小的你岩等下伏岩层时，地下水就常在斜坡地带出露，在调查中发现多说的泉水都是在这些部位出现的。这表明，在线路上的半填半挖，大挖方，即路堑地段等，这由于阻塞了地下水流的方向，路堑边坡及底部就可能成为地下水的出露带，其结果会引起路即冻胀，翻桨。冬季会产生冰锥，冰丘、延流水、路堑侧向挂冰等一系列的冻胀现象，将对公路路基、路面昌盛较大的破坏作用。这就是在黑龙江北部许多公路上常见的洼地填方路堤不翻桨，高低挖方路堑到处翻桨的现象。值得黑北地区引以为戒，加强对地下水与侧向水的处理措施。3.冻土地区工程建设设计的原则给予黑北地区工程建设的负责环境，在工程设计时必须依据多年冻土的分布特征、成因及工程地质条件、过程和工程危害的发生等综合考虑，为保证多年冻土地区路其的稳定性和可靠性，对不同的多年冻土工程地质条件路段提出乡音的工程设计、防治措施。（1）维持原方案设计原则：冻土埋藏很浅，厚度仅1.8米，整体状冻土构造，含水量较小，为多冰冻土，属于弱沉融性。因为多年冻土退化后基本不影响路基稳定性，因此在工程设计是可以不考虑多年性冻土对路基稳定的影响，按原设计方案进行施工，但对路基底部需做换田处理。（2）预先融化：对于多年冻土厚度小于2米活动土温度高于0.5摄氏度的若融沉融沉性路段，应采取预先荣华设计原则，以保证路基稳定性。首先，完全清除地表、草碳层和泥碳层，十多年冻土快速融化，然后是工商部结构，但应注意监测由于路基底部的冻土荣华及排水骨节过程而产生的变形过程。（3）临时路面：在多年冻土厚度大于2米和冻土低温低于0.5摄氏度，饱冰冻土，融沉性较强的路段。为了保证路基处于稳定状态和避免工程损失、养护难度及费用过大，加速冻土融化，暂时不做混凝土刚性路面，而采取沥青路面，或砂石融性路面过度过35年后。，路基下的多年性冻土完全融化。路基的整体就会变形满足要求时，在原有路面的路基上在做刚性路面。(4) 保护多年冻土：对于多年冻土的厚度较大，地温较低，含冰量较大的路段，多年性冻土在短期内无法全部融化，采取保护冻土的原则，以避免多年冻土快速退化，提高路基稳定性，在尽可能少的溶洞地表的情况下，铺筑路基和混凝土路面。3. 冻土去工程设计的方法给予冻土地貌的复杂环境，在该地区进行工程设计时刻采取以下几种方案。(1) 在不饶动员地表情况下，在路集中加铺保温材料，然后铺混凝土路面，因为你谈吐具有高含水量、高热量、挪威等国家曾用泥炭作为控制冻胀的换填土土层，是由于泥炭土的导热系数在冻融状态下的变化，使合作为保护冻土材料。(2) 清除上部草滩淤泥碳层的扰动措施，在路基中加铺保温材料，然后铺混凝土面，比较适合黑北地区。(3) 单纯采取抬高路基的方法，并加强保护措施。最佳的方案是在基地铺设的通风馆，这样可以干燥路基，排解水分，从根本上解决冻土地貌。(4) 在一些极端困难地带，可以采取以桥代路的方案，当然这造价较高，不宜大量采用，但问题解决的彻底。4. 结论随着全球变暖的大环境，黑北地区的冻土的正处于强烈的不断退化之中，且多年性冻土的冻土厚度变薄，地温升高，含冰量正在减少，在黑北地区进行工程设计时一定要注意都多年性冻土的退化问题和路基稳定性方针。针对具体的工程地段采取不同设计的方法，使工程建设得以顺利进行，使得