周立軍

(青岡縣水務(wù)局，黑龍江青岡151600)

多年凍土(permafrost)，又稱永久凍土，指的是持續(xù)3 a或3 a以上的凍結(jié)不融的土層。其表層冬凍夏融，稱季節(jié)融化層。多年凍土層頂面距地表的深度，稱凍土上限，是多年凍土地區(qū)工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要數(shù)據(jù)[1]。多年凍土分為兩層:上部是夏融冬凍的活動(dòng)層;下部是終年不融的多年凍結(jié)層。中國(guó)的多年凍土面積約215萬(wàn)km2，占世界第三位，主要分布在青藏高原，東北大、小興安嶺和天山、阿爾泰山等區(qū)域。中國(guó)東北的多年凍土區(qū)位于歐亞大陸高緯度多年凍土區(qū)的南緣，其南端可達(dá)46.6°N。

當(dāng)巖土的溫度降至0℃以下，巖土中水就凍結(jié)形成凍土。如果該處地表一年中的吸熱量大于散熱量，冷季形成的凍土在暖季半年全部融化，便為季節(jié)凍土。如果該處地表一年中的吸熱量小于散熱量，冷季形成的凍土在暖季不全部融化，年復(fù)一年，就成為多年凍土。多年凍土隨緯度和垂直高度而變化。在北半球，其深度自北向南增大，厚度自北向南減薄以至消失。如西伯利亞北部多年凍土的厚度為200 m左右，最厚可達(dá)620 m，活動(dòng)層＜0.5 m。向南到中國(guó)黑龍江省，多年凍土南界厚度僅1～2 m，活動(dòng)層厚達(dá)1.5～3.0 m。多年凍土的厚度由高海拔向低海拔變薄，活動(dòng)層也相應(yīng)增厚。無(wú)論在南北方向或者垂直方向上，多年凍土都存在3個(gè)區(qū):連續(xù)多年凍土區(qū);連續(xù)多年凍土內(nèi)出現(xiàn)島狀融區(qū);島狀多年凍土區(qū)。這些區(qū)域的出現(xiàn)都與溫度條件有關(guān)。年均氣溫低于－5℃，出現(xiàn)連續(xù)多年凍土區(qū);島狀融區(qū)的多年凍土區(qū)，年均氣溫一般為－1～－5℃。

1 多年凍土的分類[2]

按凍土的成因分為后生凍土層、共生凍土層、多生凍土。多數(shù)多年凍土是在物質(zhì)沉積之后自上而下凍結(jié)形成的，稱為后生多年凍土，其特點(diǎn)是含冰量少，多為整體結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu);在沼澤、沖積平原和洪積扇等堆積地區(qū)，有時(shí)在沉積過(guò)程中發(fā)生凍結(jié)，產(chǎn)生自下而上凍結(jié)的多年凍土，稱為共生多年凍土，它是與堆積土層同時(shí)形成的，特點(diǎn)是含冰量多，多為層狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);由后生和共生作用混合形成的凍土稱為多生凍土。

作為橋涵地基的多年凍土，根據(jù)土顆粒的粒徑，凍土的天然含水量，按照凍土融化后使墩臺(tái)發(fā)生沉陷的情況，結(jié)合土的凍脹性質(zhì)，《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》將多年凍土分為不融層，弱融層，融層和強(qiáng)融層四類。

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 確定融凍深度

確定融凍層(活動(dòng)層)的深度(即凍土上限)對(duì)工程設(shè)計(jì)極為重要。最基本的方法是在融化最盛季節(jié)，通過(guò)坑探直接觀測(cè)，或通過(guò)電探確定凍土上限。在銜接的多年凍土區(qū)，可根據(jù)地下冰的特征和位置推斷凍土上限深度。同一地區(qū)、不同地貌部位和不同物質(zhì)組成的多年凍土的上限也是不同的。易凍結(jié)的黏性土的凍土上限高;不易凍結(jié)的沙礫土的凍土上限低;河谷帶的凍土上限低，山坡或埡口地帶的凍土上限高。

2.2 合理設(shè)計(jì)基礎(chǔ)形式

多年凍土地區(qū)橋涵地基應(yīng)根據(jù)多年凍土特征(如凍土發(fā)展趨勢(shì)，處于發(fā)展、相對(duì)穩(wěn)定還是退化階段;凍土厚度、溫度、上限深度等)，土的物理力學(xué)特征，地下水活動(dòng)，不良地質(zhì)現(xiàn)象的存在情況等全面進(jìn)行工程地質(zhì)評(píng)價(jià)，同時(shí)考慮橋涵建筑物修筑后地基凍土特征可能變化情況(如上限深度的變化，土溫的變化，地基土物理力學(xué)性質(zhì)的變化等)，選擇合理的設(shè)計(jì)方法和基礎(chǔ)形式。

當(dāng)基礎(chǔ)周圍季節(jié)凍融層為凍脹及強(qiáng)凍脹土，基礎(chǔ)可能因凍拔而隆起或斷裂時(shí)，可采用下裂防止凍拔的措施:

1)減小墩臺(tái)和基礎(chǔ)表面的粗糙率;貼以油毛氈或木板或涂以瀝青等隔離層;基礎(chǔ)周圍換填純凈的碎卵石;受凍拔作用范圍內(nèi)的基礎(chǔ)做成錐體形式。

2)減小墩臺(tái)和基礎(chǔ)受凍拔作用的面積，如采用截面較小的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等。

3)應(yīng)盡量減少圬工的施工接縫，并埋置鋼筋加強(qiáng)連結(jié)。

基礎(chǔ)位于凍脹和強(qiáng)凍脹土中的橋梁應(yīng)進(jìn)行凍拔穩(wěn)定性驗(yàn)算。

3 地基設(shè)計(jì)法

多年凍土地區(qū)的地基設(shè)計(jì)，可分為下列兩種方法:

3.1 保持法

設(shè)計(jì)按保持橋涵地基土在施工和運(yùn)營(yíng)中處于凍結(jié)狀態(tài)，地基的計(jì)算以凍土的力學(xué)指標(biāo)考慮的方法。這種設(shè)計(jì)方法對(duì)于地基多年凍土屬融沉性或強(qiáng)融沉性類的可以保證建筑物的穩(wěn)定性，因此適用于多年凍土穩(wěn)定的地區(qū)，其厚度較大(大于壓縮層厚度)，地溫較低(一般距地面10 m處的地溫仍低于－0.4℃)。

用“保持法”設(shè)計(jì)多年凍土地基時(shí)應(yīng)滿足基底強(qiáng)度和穩(wěn)定要求?；A(chǔ)形式應(yīng)選擇在施工和運(yùn)營(yíng)期間對(duì)地基多年凍土破壞較小的，如鉆孔樁。小橋涵一般可用明挖基礎(chǔ)，當(dāng)基礎(chǔ)需深埋時(shí)，也宜采用鉆(挖)孔灌注樁。

基礎(chǔ)應(yīng)埋于多年凍土人為上限以下足夠深度，明挖橋梁基礎(chǔ)≥0.5 m，樁基不少于是4.0 m。上述數(shù)字僅供參考。對(duì)于每一個(gè)具體的地區(qū)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)采用。

當(dāng)多年凍土上有季節(jié)性凍融層，且為凍脹、強(qiáng)凍脹土類時(shí)應(yīng)進(jìn)行凍拔穩(wěn)定的驗(yàn)算。

多年凍土人為上限深度(即橋涵在該地區(qū)長(zhǎng)期使用過(guò)程中，其多年凍土地基的穩(wěn)定上界限)應(yīng)結(jié)合本地區(qū)的凍土發(fā)展趨勢(shì)，深入調(diào)查已成橋涵建筑物凍土上限變化規(guī)律及天然上限的關(guān)系來(lái)確定，必要時(shí)可結(jié)合橋涵及基礎(chǔ)形式通過(guò)熱力計(jì)算確定。

季節(jié)凍結(jié)深度和季節(jié)融化深度(上限)的確定，可直接采用勘探的方法，根據(jù)每個(gè)地區(qū)的凍土性質(zhì)及氣候特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查決定，或采用各地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式?jīng)Q定。

3.2 容許融化法

考慮凍土在施工或運(yùn)營(yíng)期間融化的設(shè)計(jì)方法。又可分為自然融化法和預(yù)先融化法:

自然融化法。自然融化法亦稱自然破壞法，就是容許地基多年凍土在施工和運(yùn)營(yíng)期間逐漸融化，其地基的計(jì)算，可按融化后土的力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)?shù)鼗嗄陜鐾翆儆诜€(wěn)定或退化階段，厚度不大，地溫較高(距地面10 m處地溫高于－0.4℃)，橋涵修建后保持地基土長(zhǎng)期凍結(jié)狀態(tài)技術(shù)上限困難，經(jīng)濟(jì)上不合理時(shí);或地基多年凍土屬不融沉，弱融沉類，壓縮性不大時(shí)，均宜采用此方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

預(yù)先融化法亦稱人工破壞法。施工時(shí)將凍土層挖除，換填非凍脹性土，分層夯實(shí)。此法適宜于橋涵基礎(chǔ)位在多年凍土地區(qū)邊緣，基底下融沉性或強(qiáng)融沉性土厚度不大的地點(diǎn)。

采用“容許融化法”設(shè)計(jì)地基時(shí)，應(yīng)選擇能適應(yīng)地基下沉的結(jié)構(gòu)型式。當(dāng)?shù)鼗赡墚a(chǎn)生不均勻下沉?xí)r，宜采用整體性較好的基礎(chǔ)型式。

用“容許融化法”設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)地基和基礎(chǔ)進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定的驗(yàn)算?；A(chǔ)埋置深度除應(yīng)滿足天然地基淺基礎(chǔ)埋置深度要求外，并應(yīng)滿足沉降驗(yàn)算的要求。采用“預(yù)先融化法”設(shè)計(jì)時(shí)，挖除凍土換填非凍脹土的厚度應(yīng)根據(jù)凍土人為上限深度和地基沉降時(shí)計(jì)算決定。采用“自然融化法”設(shè)計(jì)時(shí)，如地基為弱融沉、融沉或強(qiáng)融沉的凍土?xí)r應(yīng)進(jìn)行地基下沉量的驗(yàn)算，要求下沉量不超過(guò)容許值。

基礎(chǔ)底面以下受壓層的總厚度可按下述方法辦理:

1)當(dāng)基底以下融化層厚度小于或等于基底壓縮層厚度時(shí)，則壓縮層厚度等于融化層厚度;

2)當(dāng)基底以下融化層厚度大于壓縮層厚度時(shí)，對(duì)土自重壓力下沉和融化下沉，算至融化層的下限，對(duì)于附加壓力，等于壓縮層的厚度。

4 施工要點(diǎn)[3]

1)在地下水發(fā)育、水位高，并缺乏大型抽水設(shè)備;地表水流的改移或防護(hù)有困難;地基為厚層的融沉或強(qiáng)融沉土;或開(kāi)挖冰層等情況可采用冬季天然冷氣凍結(jié)法進(jìn)行橋涵明挖基礎(chǔ)施工。

2)采用“保持法”施工的明挖基礎(chǔ)，一般宜于冬季施工，如在夏季施工時(shí)，應(yīng)遵守下列規(guī)定:

①嚴(yán)禁地表水灌入基坑;②及時(shí)排除季節(jié)各層內(nèi)的地下水和凍土本身融化水;③必須搭設(shè)遮陽(yáng)、防雨棚;④施工前作好充分準(zhǔn)備，組織快速施工，作完基礎(chǔ)立即回填封閉;一般不宜間歇，必須間歇時(shí)，應(yīng)以草袋加以覆蓋。

3)基礎(chǔ)埋置在季節(jié)凍融層以下，于冬季施工時(shí)，應(yīng)縮短基底暴露時(shí)間，以防止凍層繼續(xù)加深，減少建成后的凍脹和下沉。

4)基底開(kāi)挖邊坡，視氣溫、土溫及土的類別而定。在冬季施工時(shí)，一般邊坡可采用1∶0.1～1∶0.2。

5)地基開(kāi)挖后，應(yīng)對(duì)地質(zhì)情況按設(shè)計(jì)提供資料進(jìn)行核對(duì)。

6)當(dāng)基底為融沉土?xí)r，在基礎(chǔ)圬工砌筑前，應(yīng)鋪設(shè)一層10～20 cm厚的粗砂墊層或其他隔熱層。

7)基礎(chǔ)圬工宜采用抗凍砂漿砌筑或灌筑低溫早強(qiáng)混凝土;必要時(shí)可適當(dāng)提高標(biāo)號(hào)。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)多年凍土地區(qū)橋涵地基基礎(chǔ)的研究始于上世紀(jì)70年代。公路、鐵路部門先后在青藏公路清水河、昆侖山以及五道梁橋梁基礎(chǔ)試驗(yàn)場(chǎng)開(kāi)展了各種形式的多年凍土地基基礎(chǔ)試驗(yàn)[4]，得到了很多設(shè)計(jì)與計(jì)算方法等研究成果，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白。隨著人類社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，對(duì)于多年凍土地基的研究將進(jìn)一步深入和廣泛，也才能更好的、更有效的針對(duì)其采取必要的防治措施和改造措施，從而保證工程的安全。

[1]哈斯額爾德尼，張俊平.高原凍土地區(qū)路基施工[J].科技資訊;2008，30(2):18－20.

[2]周樹(shù)濱，王海峰，薛海明.多年凍土地區(qū)路基施工[J].黑龍江科技信息;2003，5(2)24－27.

[3]曲祥民，張賓.季節(jié)性凍土區(qū)水工建筑物抗凍技術(shù)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2008.

[4]郭東信.中國(guó)的凍土[M].蘭州:甘肅教育出版社，1990.