多年冻土公路工程地质.ppt

1、多年冻土公路工程地质勘察,西安中交 公路岩土工程有限责任公司 2010-5-15,主要内容,1、概况 2、冻土分类 3、冻土勘察方法 4、冻土评价,1、概况 中国的多年冻土面积占国土面积的22.3%，在世界上占第三位，其中高海拔多年冻土面积则为世界之最。 勘探时间(季节) : 多年冻土地区工程钻探应结合多年冻土特点、工程类型、勘探目的，选择在适当的时间内进行。查明冻结或融化作用形成的不良冻土现象的发生、发展及分布规律的调查和勘探，宜分别在其发育期2、3月或7、8、9月进行；查明多年冻土上限埋深及工程特性的勘探宜在9、10月进行。,2、冻土分类 凡温度为负温或零温，并含有冰的各种土均称为冻土。按

2、照冻土地基的冻融作用工程建筑物稳定性影响，随季节是否溶化，可分为季节冻土和多年冻土。 冬季冻结，夏季全部融化的土层，不论其下界面与多年冻土是否衔接，均称为季节冻土层。 季节冻土分类见下表2.1。,季节冻土分类表 表2.1,冻结状态持续三年以上的土层称为多年冻土。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、分布等特点有以下九种分类方法。（1）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成为多生冻土。（2）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。（3）按发展

3、趋势分类按冻土的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。,（4）按冻结状态分类按冰胶结状态及物质成分多年冻土可分为坚硬冻土、塑性冻土和松散冻土。（5）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的多次结构。 层状结构是粘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，强度降低。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。,（6）按垂直构造分类从剖面构造看，多年冻

4、土可分为衔接多年冻土和不衔接多年冻土两种。有时多年冻土层间有不冻层存在，称为层状多年冻土。按平面分布分类（7）按平面分布多年冻土可分为连续的、不连续的和有岛状融区的多年冻土三种。（8）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和高海拔多年冻土。（9）按多年冻土含冰量分类按含冰量多年冻土可分为少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土和含冰土层五类,多年冻土含冰量分类表 表2.2,注：Wp为塑限含水量。 碎石类土及砂类土的总含水量界限为该两类土的中间值。含粉粘粒少的粗颗粒土比表列数字小，细砂、粉砂比表列数字大。 粘性土总含水量界限中的+7、+15两值为不同类别粘性土的中间值。粘砂土比该值小

5、，粘土比该值大。,多年冻土含冰量分类表 表2.2,3、冻土勘察方法,3.1工程地质调查与测绘 3.2钻探与取样 3.3冻土野外记录及上限确定 3.4地球物理 3.5地温观测 3.6冻胀与融沉观测,3.1工程地质调查及测绘,3.1.1冻土工程地质调查与测绘的范围以及测绘的比例尺，应符合下列要求： （1）调查与测绘宽度，一般地段不应少于线路中心线两侧各100m，对于复杂地段和高等级公路可根据需要扩大范围； （2）测绘所用地形图的比例尺，宜结合勘察阶段选用。比例尺应控制在1:20001:10 000之间。对冻土工程地质条件较复杂的场地和对工程安全影响较严重的冻土现象，比例尺可适当放大。,3.1.2冻

6、土工程地质调查与测绘，包括下列主要内容： （1）查明地貌形态特征、分布情况和成因类型并划分地貌单元；查明地貌与第四纪地质、岩性、构造、地表水以及地下水等与冻土现象的关系。 （2）冻土的分布、埋藏、成分、结构、地下冰类型及其与各种自然条件的关系。 （3）季节冻结与季节融化层土的成分、含水率和含冰量以及最大冻结与融化深度。 （4）多年冻土的年平均地温、地表温度较差和冻层下卧岩层的温度变化动态。 （5）冻土现象的形成、分布、形态、规模和发育程度。 （6）建筑物在施工和使用期间，由于气候与人为因素对建筑场地冻土工程地质条件影响的预测。,3.1.3冻土工程地质调查与测绘，可提供下列成果资料： （1）调查

7、与测绘说明书。 （2）冻土工程地质测绘实际材料图。 （3）综合冻土工程地质图或分区图。 （4）综合地质柱状图及冻土工程地质剖面图。 （5）各种素描图和照片等资料。,3.1.4实地测绘法常用的方法有三种： （1）路线法：沿着一定的路线，穿越测绘场地，把各种地质现象等标绘在地形图上。路线形式有“S”型或“直线”型。路线法一般用于中、小比例尺。 （2）布点法：根据不同的比例尺预先在地形图上布置一定数量的观察点及观察路线。布点法适用于大、中比例尺的工程地质测绘。 （3）追索法：沿地层走向或某一构造线方向布点追索，以便查明某些局部的复杂构造。,3.1.5测绘对象的标测方法 根据不同比例尺的精度要求，对观

8、察点，地质构造及各种地质界线等的标测采用的几种方法： （1）目测法：适用于小比例尺的工程地质测绘。 （2）半仪器法：具体标测方法有三点交会法、气压计法和导线法。半仪器法适用于中比例尺的工程地质测绘。 （3）仪器法：适用于大比例尺的工程地质测绘。,3.2工程地质钻探与取样,冻土钻进回次控制 表3.1,钻压与转速参数范围值表3.2,冻土取样,冻土取样的方法和数量 （1）测定冻土基本物理指标的土样应由地表以下0.5m开始逐层采取。当土层厚度小于1.0m时必须取一组样，土层厚度大于1.0m时，每米取样一个；冻土上限附近及含冰量变化比较大时应加密取样。测定冻土天然含水率的取样，应采用刻槽法； （2）为保

9、证试样质量，不得从爆破的碎土块中取样； （3）冻土试样的采取数量要满足以下要求：1)测定冻土基本物理、热物理性质指标的土样应在一件以上；2)测定冻土力学性质指标的土样应在3件以上； （4）采取冻土试样进行室内试验时应首先检查冻土式样的融冻、扰动程度，按试样等级进行相应的试验。冻土试样等级的划分应符合表3-1的规定：,冻土试验划分表 3.3,3.3冻土野外记录及上限确定,3.3.1冻土构造类型记录 冻土构造类型，是冰与土层之间的排列关系。根据青藏公路沿线常见的地下冰类型，相应地将冻土结构形式划分、记录为：整体结构、层状结构、网状结构。,3.3.2冻土冰的成分记录 首先要观察冰在冻土层中的分布与存

10、在形式：是粒状的（即象砂粒一样分布于土层中），还是层状的（即基本上水平分布，有一定的厚度，由12mm至几米厚）、或透镜体状（即像透镜体，但大小不一），或裂隙状（充填于岩石裂隙之中）。粒状冰应测定颗粒直径大小。层状冰应测定其厚度、并指出最大厚度与最小厚度。透镜状冰应测定透镜体的大小、宽度和厚度形状。裂隙冰应记录厚度、宽度、长度和发育情况。含冰量的大小，可按冰与土分布占据面积的大小来估计。,3.3.3钻探中冰土上限的确定 青藏公路多年冻土上限即季节最大融化深度，一般出现在九月底至十月初，因此，在这个时间钻探，易定上限位置。其他时间内只能根据间接方法确定上限位置，用钻探时的冻土融化深度外推上限位置就

11、是其中的一个方法。所以在钻探过程中，一定要记录当时天然状态下的融化深度和准确日期，以便于分析判定上限的准确位置。当然，最终的冻土上限位置判定，要根据大量的科学观测数据和试验指标结果来综合判定。,3.4地球物理,3.5地温观测,3.5.1地温观测的仪器设备 地温观测即利用温度表（计）量取地温，了解地温的变化规律。通常地温观测有以下三种方法。 (1) 玻璃液体温度表观测地温 玻璃液体温度表分套管式、玻璃棒式两种。地温观测中常用水银和酒精两种温度表，温度表可制成各种形式，以适应地温观测的特殊要求。如曲管地温表、最高温度表、最低温度表、缓变温度表等。温度表需经误差鉴定并按时维修。 观测的内容包括地表、

12、深层、最高和最低和定时观测等。,(2) 热电隅温度表观测地温 热电隅温度表由热电隅（温差电隅）和指示仪表（检流计或电位差计）组成。 热电隅温度表的标定范围应略大于其观测地温的工作范围。 热电隅温度表用于地温观测中，具有易于制作、体积小、重量轻、测温点间距小，精度高，一般情况下不易损坏等优点，尤其使用于观测非平面建筑物如桥梁墩台、基础、房基、混凝土桩内的温度变化等。 (3) 电阻温度表观测地温 电阻温度表可分为金属电阻温度表测温法和半导体温度表测温法两种。,3.5.2观测的方法 为了全面的观测地温情况，对于地温要进行地表和地面以下的观测。 (1) 热电隅温度表观测地温适合于地表以下的地温观测，具

13、体的做法是热电隅（温差电隅）埋置于一定深度的土层中，通过导线将观测的地温数据传到地面的指示仪表进行记录；在埋设热电隅（温差电隅）的时候要注意不要破坏观测土体的结构，尽量避免对应力状态的改变，也不能改变土体中的水的运移情况，避免产生人为的温度差。 (2) 对于地表温度的观测，可采用玻璃液体温度表观测。在选择温度计的时候，应注意温度计的量程。,3.6冻胀与融沉观测,3.6.1冻胀与融沉观测的仪器设备与适用条件 在现场观测冻胀。国内多采用单独式和叠合式两种分层冻胀仪，并用钻孔或挖坑方法埋设。钻孔比挖探方法埋设冻胀仪对土的原状结构破坏小，使用于地下水位高于冻深的地区。 单独测杆冻胀仪只能测一个深度的冻

14、胀量，故观测整个分层冻胀量时埋设测杆多，场地面积大。,叠合式冻胀仪集中一点分层观测，有利于成果整理分析。且占地面积小，尤以自动观测更为适合。但这种冻胀仪不能确切说明层中哪个深度的冻胀量，同时开孔较大，对温度场有一定的影响，效果不够理想。 两种冻胀仪均可用直尺直接量测冻胀量。 当观测地基表面冻胀量和观测建筑物冻胀与融沉变形时可用水准仪直接观测。,3.6.2 冻胀与融沉观测的主要内容有冻融深度、地下水位和地温。 （1）冻融深度观测可采用南京水工仪器厂生产的冻土器；冻土器内充入当地地下水。 （2）地下水位观测管应埋入当地最低地下水位以下至少50cm。 （3）地温观测一般要求同步进行，当电测仪确有困难

15、且观测要求不高的情况下，亦可暂不观测。温度计测温深度的测点间距一般不大于2030cm。 （4）冻融深度、地下水位和地温测点应贴近冻胀仪设置。,3.6.3 冻胀与融沉观测的方法 为了研究路基变形的发生、发展规律，对冻融变形的研究着重于对实体工程的调查和长期定位观测。 多年冻土地区的路基变形观测有两种方法：一种是整体变形观测：选取代表路段，沿路中线每隔一定距离的路面表面或在横断面方向的路中及路面两侧边缘打入圆头大铁钉作固定点位，用水平测量方法定期观测其变形沉降量；另一种是分层冻融变形观测：沿路基深度方向分层埋设变形观测沉降（冻胀板），在纵向记录各层土的变形沉降情况。观测路段的选择主要根据地貌类型、

16、填土高度、地基土壤及冻土类型等分别选择代表断面建点观测。,每个场地中分别在天然状态、路肩和路基中心处设置监测点。路基和路肩下的监测探度一般在12m左右，天然状态一般为68m，地面和路面以下每隔50cm设置1个监测点，监测内容包括天然状态和工程活动影响下的活动层厚度、多年冻土温度、冻融过程和融化下沉。采用对温度变化敏感的热敏电阻来对多年冻土温度、活动层厚度和冻融过程进行监测；采用经纬仪来对融化下沉的相对变形进行测量。,4、冻土评价,冻土评价主要包括： 冻土各类型的融沉性评价 冻土热导性评价 冻土冻胀性评价 路基病害评价,冻土融沉性评价表 表4.1,注：Wp为塑限含水量。 碎石类土及砂类土的总含水

17、量界限为该两类土的中间值。含粉粘粒少的粗颗粒土比表列数字小，细砂、粉砂比表列数字大。 粘性土总含水量界限中的+7、+15两值为不同类别粘性土的中间值。粘砂土比该值小，粘土比该值大。,4.1冻土融沉性评价,冻土融沉性评价表 表4.1,4.2冻土热导性评价,冻土的热惰性是以表3所示的顺序排列的。其中，（1）（3）为弱惰性多年冻土，（4）（6）为中等惰性多年冻土，（7）（11）为强惰性多年冻土，（12）（16）为超惰性多年冻土。虽然这种排列只给出了多年冻土的相对热惰性，但是在其它条件相同时（首先是岩性和融化状况相同），可以证明，序号越小，融化冻土所消耗的热量越少，融化速率越大。因而，同一时间内所形成

18、的融化深度就越大。,冻土热导性分类 表4.2,4.3季节融化土的冻胀性评价,季节融化土的冻胀性评价表 表4.3,注：Wp为塑限含水量。关于天然含水量的说明与多年冻土分类表同。当砂类土的hw1.5 m、粘性土的hw2.0 m时，应将表中冻胀性评价提高一级，如不冻胀提高为弱冻胀。,高海拔多年冻土地温分带（童长江，1996）表 表4.3,4.4路基病害评价,4.4.1多年冻土地区路基病害主要类型： 青藏公路改建为沥青路面以来，出现了许多病害问题。根据大量的现场调查主要有以下几种类型21： （1）热融下沉：主要由于保护冻土的路堤高度不够，加上路基局部积水，导致路基下多年冻土发生热融，使路基产生不均匀沉

19、降。此类病害约占全线病害路段的85%，也是难以整治的病害类型； （2）冻胀热融：尽管路堤高度大于临界高度，但在以粘性土为主的季节融化层内，由于冻结过程常在此处发生聚冰作用，产生较大的冻胀量，而在融化,季节又产生较大的热融下沉，一般的路面与基层很难经受这样大的反复冻融变形。此类病害占全线病害路段的7%左右； （3）填土压密：主要由施工压实不够造成，突出表现在高填方路段，一般是路堤的两侧路肩。此类病害占3%左右； （4）基层材料与路面配方问题：突出表现在某些地段的基层含水量过大，压实度较差，造成基层强度不够。另外，由于路面层含油不均、配方不佳，造成路面严重鼓包、龟裂、脱落以及波浪状起伏变形等。此类占5%左右。,4.4.2冻土路