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        多年凍土的特征及多年凍土地區(qū)地基的設(shè)計

        2015-12-29 00:00:00吳菊明
        房地產(chǎn)導刊 2015年11期

        【摘要】論述了多年凍土地區(qū)凍土的特性,常見的工程地質(zhì)問題, 介紹了多年凍土地區(qū)建筑物地基設(shè)計應針對凍土的地溫特點和凍土的工程性質(zhì)采用不同的設(shè)計原則.

        【關(guān)鍵詞】凍土;特性分析;地基設(shè)計

        1.多年凍土的特性分析

        所謂多年凍土是指數(shù)年(至少三年)甚至更長時間,土溫保持等于或低于零度且含有水的土(石)。我國多年凍土分布的地區(qū)很廣,均占全國總面積的五分之一,較集中地區(qū)是東北大小興安嶺和青藏高原。在凍土地區(qū)進行工程建設(shè),就必須深入研究凍土的特性,以確保凍土地基上工程建筑物的穩(wěn)定性。

        凍土區(qū)別于常規(guī)融土的最本質(zhì)的特征是冰的存在,也就是說,通常情況下融土是三相體系,而凍土是四相體系。值得指出的是,即使土在較低的溫度下,仍然有一部分未凍水存在。多年凍土中由于冰和未凍水的存在,它既具有一般土類的共性,又是因冰膠結(jié)具有較大強度而熱力學又極不穩(wěn)定,在受荷條件下的變形具有強烈的流變特性的特殊性巖土。在特定溫度下,凍土在未受力時,未凍水與冰之間處于動態(tài)平衡狀態(tài);而在受力變形過程中,未凍水含量會增大,因此凍土的力學性質(zhì)遠比融土復雜。

        1.1.凍土的抗壓和抗拉強度

        凍土的抗壓強度極為明顯地依賴于負溫,溫度越低其抗壓強度越高。此外,加壓時間越短,抗壓強度越高。瞬間加壓,其抗壓強度可達30~40MPa,若長期加壓,其抗壓強度要小1/10~1/15。凍土的抗拉強度明顯地小于抗壓強度。此外,凍結(jié)粘性土的長期抗拉強度大于凍結(jié)砂土的長期抗拉強度。

        1.2.凍脹力和凍脹量

        凍脹力和凍脹量的大小取決于水分和負溫。只有含水量達到一定程度后,土中孔隙不足以滿足冰晶的生長,土中水的凍結(jié)才造成土的凍脹。作用于建筑物上的凍脹力,可分為垂直向上作用于基礎(chǔ)底面的法向凍脹力和土層沿基礎(chǔ)側(cè)面向上作用的切向凍脹力。法向凍脹力受很多因素的影響,包括建筑所產(chǎn)生的外壓力,但這一數(shù)值一般很大。因此位于凍脹土中的建筑物基礎(chǔ)必須置于人為上限以下,避免基底產(chǎn)生法向凍脹力

        1.3 土的抗剪強度

        多年凍土的粘聚力在大多數(shù)情況下決定著抗剪強度的數(shù)值。因為它在總的抗剪強度中占有重要的地位。

        2.多年凍土地區(qū)不良地質(zhì)現(xiàn)象

        2.1厚層地下冰

        當凍結(jié)層上部地下水較發(fā)育, 其上季節(jié)融化層達到最大融化深度時, 下部多呈飽和狀態(tài)。在凍結(jié)過程中, 水分向凍土上限附近聚流, 伴隨著上限位置逐漸上升, 在土層中就會形成厚度很大的地下析出冰, 稱為厚層地下冰。厚層地下冰多分布在含水量較大的粘土地段。

        2.2凍脹丘與冰堆

        在冬季凍結(jié)層上的地下水, 由于土層自上而下凍結(jié), 使其過水斷面減小, 形成承壓水。當承壓水壓力增加到大于上覆土層的強度時, 地表便發(fā)生隆起,形成圓錐形丘狀隆起的土丘, 稱為凍脹丘, 有時也稱為冰丘。凍脹丘突破上覆土層, 冰結(jié)堆積于地表, 則為冰堆。建筑物附近凍脹丘、冰堆多半是由于工程建筑攔截了地下水的通路, 使該處排水不暢所引起的。

        2.3熱融沉陷

        由于自然營力或人為活動, 改變了地面的溫度狀況, 破壞了有厚層地下冰分布的多年凍土的熱平衡狀態(tài)引起融化深度加大, 使多年冰土層發(fā)生局部融化, 導致融化土層在土體自重和外壓力作用產(chǎn)生沉陷, 所形成的洼地或積水洼地, 稱為熱融沉陷或熱融湖塘。熱融沉陷與人類活動有著十分密切的關(guān)系。在多年凍土地區(qū)幾乎每一項工程都可能因有關(guān)問題處理不當而引起熱融沉陷。

        2.4熱融滑坍

        由于自然因素或人為活動, 破壞了斜坡的熱平衡狀態(tài), 土體在重力作用下沿融凍界面向下滑移, 形成滑坍, 稱為熱融滑坍。熱融滑坍主要分布在山岳和丘陵地區(qū)有厚層地下冰分布的斜坡上。熱融滑坍的形成, 始自切割暴露了地下冰, 在融季地下冰融化, 使其上部的土層坍落, 坍落的物質(zhì)掩蓋了下部暴露冰層, 使上方又有新的地下冰暴露。地下冰再次融化, 又產(chǎn)生新的坍落。如此反復進行, 一直向上發(fā)展, 直到地下冰分布范圍的邊緣。

        2.5凍脹

        土層凍結(jié)時, 由于所含水分凍結(jié)成冰, 而造成土層體積膨脹, 使地面隆起成丘, 即所謂凍脹。土層發(fā)生凍脹的原因, 一方面是由于土層中水分凍結(jié)成冰時其體積增大9%, 另一方面是由于土層冰結(jié)時,周

        圍未凍結(jié)區(qū)土中的水分會向凍結(jié)區(qū)迂移集聚, 使凍結(jié)區(qū)土層中水分增加, 凍結(jié)后的冰晶體不斷增大, 土體積也隨之發(fā)生膨脹隆起。

        3.多年凍土地區(qū)地基的設(shè)計

        一般而言, 多年凍土區(qū)建筑物地基設(shè)計原則有: 保護凍土原則——多年凍土地基在建設(shè)過程和建筑物營運的整個時期保持凍結(jié)狀態(tài); 允許融化原則—— 控制多年凍土地基在營運過程中按允許的速率融化; 預先融化原則——預先融化凍土或挖除換填。保護多年凍土原則是寒區(qū)工程中應用最為廣泛的一個方法。依照此原則, 不但可以克服凍土的融化下沉, 還可利用凍土強度高于融土的特性修建多年凍土區(qū)建筑物。

        3.1多年凍土地區(qū)的路基路面設(shè)計, 需根據(jù)凍土溫度, 凍土類型、道路等級、路面要求以及施工期限等情況, 要區(qū)別對待, 采用不同的設(shè)計原則:

        (1) 凍土溫度低、穩(wěn)定, 宜于采取保護多年凍土的原則; 凍土溫度高、不穩(wěn)定, 融沉又不大時, 可考慮采取破壞多年凍土的原則。

        (2) 富冰凍土地區(qū), 當含水量較大, 或公路等級較高時, 宜采取保護多年凍土的原則; 當含水量較小, 或公路等級較低時, 也可按破壞多年凍土的原則設(shè)計。

        (3)在厚層地下冰地段, 一般應采取保護多年凍土的原則; 在少冰凍土和多冰凍土地段, 一般可采取破壞多年凍土的原則。

        3.2 多年凍土地區(qū)的路基高度, 應滿足防止翻漿和凍脹的要求。在采取保護多年凍土和限制多年凍土融化深度的地段, 除滿足防止翻漿和凍脹的要求外, 應同時滿足防止熱融及控制熱融沉陷的要求。

        3.3 為保護多年凍土不致融化, 除需滿足路基高度的要求外, 還必須做好 路基排水工程, 并保護好路基附近的植被。

        3.4多年凍土路塹的邊坡或基底, 由于地下冰發(fā)育, 融化后呈流塑狀態(tài)者, 基底土應進行全部或部分挖除換填, 邊坡應做好保溫, 加固及排水等措施。

        3.5在富冰凍土、飽冰凍土、熱融滑坍、熱融沉陷、冰丘與冰堆、凍土沼澤及低填, 淺挖、零斷面等地帶,應根據(jù)具體情況, 進行個別設(shè)計。

        總之在進行多年凍土地區(qū)路基時,應針對凍土的地溫特點和凍土的工程性質(zhì)采用不同的設(shè)計原則,采取合理的斷面形式以及有效的防熱融措施和防排水措施。取土坑應遵循遠離路基主體、集中取土的原則,盡量移挖作填,充分利用棄土和保護地表植被;不適當?shù)娜藶榛顒右饍鐾镰h(huán)境的局部影響是劇烈的。

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