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1、冻土的成因冻土的基本概念凡含有水的松散岩石和土体，当温度降低到其冻结温度时，土中孔隙水便 冻结变成冰，且伴随析冰（晶）体的产生，胶结了土的颗粒。各种土体中的冰析作 用，将伴随着一系列非常复杂的物理、化学及力学性质的改变。水分迁移，孔 隙溶液浓度的增大和土体不均匀变形，以及引起应力、应变的改变，都在改变 着冻土的性质。孔隙水结晶，松散土颗粒被胶结和外来冰侵入体的“冰劈”作用 是土体性质变化的一个重要条件。另外，由于固体土颗粒表面自由能量的作 用，使冻土中的水分不能完全冻结成冰，而总是含有一定量的未冻水。随着冻 土温度变化，未冻水一冰之比例也在改变，而温度指标是引起冻土性质变化的 基本条件。因此，
2、把具有负温度及冰，且胶结着松散岩石固体颗粒的土（岩），称 为冻土（岩）。冻土温度状态随地区及存在条件的差异而发生变化。它主要取决于 大气温度、海拔高度、地形、地质和水文地质及植被等条件。此外，环境条件 的改变和人类的工程建筑活动也可直接影响其所在地段（区）的冻土温度状态。冻土按其冻结状态时间的长短可分为多年冻土、季节冻土和瞬时冻土三 类。冻结状态持续三年以上的冻土为多年冻土。每年冬季冻结，夏季全部融 化，冻结状态持续时间大于一个月，每年周期性冻结的冻土为季节性冻土，这 种冻土的冻结深度为数厘米至1-2m。瞬时冻土是指冬季冻结状态仅持续几个小 时至数日的冻土，其冻结深度为数厘米至数毫米。多年冻土
3、的成因冻结状态持续三年以上的土层（土壤、土和岩石）称为多年冻土。地球表面发 生着包括一切传热形式：辐射、对流和传导的复杂热交换过程。尽管地表发生的热交换过程十分复 杂，但最后都可归结为使地表吸热或散热。冷半年的时候（寒季），地表散发热量 使土逐渐冷却。一般来说，当土的温度降至0C以下时，土中水就会冻结，形成冻土。如果 该处地表一年中的吸热量等于或大于散热量，而热半年时（暖季），在冷半年形成 的冻土就会全部融化，这类冻土就是季节性冻土。反之，如果该处地表一年中 的吸热量小于散热量，则冷半年形成的冻土在热半年就不会全部融化，而残留 一部分。如果长时期的保持每年散热大于吸热这一条件，则年复一年，就能
4、形 成相当厚度的多年冻土。冻土区不良地质现象及路基病害冻土区不良工程地质现象冻土是一种特殊的土体。其成分、组构、热物理及物理力学性质均有着不 同于一般土的许多特点。冻土区的活动层中每年都发生着季节融化和冻结，并 伴生有各种冻土现象，因此，在冻土地区筑路时产生了一系列特殊的工程地质 问题和路基路面病害。在冻土区筑路必须考虑的工程地质问题有融沉、冻胀和 不良冻土现象等。（1）融沉融沉，也称融化下层，指土中过剩冰融化所产生的水排出以及土体的融化 固结引起的局部地面的向下运动，是自然（如气候转暖）或人为因素（如砍伐与焚 烧树木、房屋采暖）改变了地面的温度状况，引起季节融化深度加大，使地下冰 或多年冻土
5、层发生局部融化所致。在多年冻土上限附近的细粒土和有一定量细 粒土充填的粗粒土中往往存在厚层地下冰，由于其埋藏浅，所以很容易受各种 人为活动的影响而融化。由厚层地下冰融化而产生的融沉是引起多年冻土区路 基变形和破坏的主要原因。路堤修筑后改变了表面的水热交换条件，并引起基底土层压缩等一系列变 化。这些变化在一定条件下使上限（指多年冻土上限，为多年冻土层的顶面，也 是地表以下位置最深的冻融土层的界面）下降。而路堤本身的存在则增加了热 阻，是有利于上限上升的因素。当路堤很低时，热阻小，使上限上升的因素弱 于使上限下降的因素，因而世根下降。随着路堤高度的增加，使上限上升因素 的作用也随之增强。当这一因素
6、的作用增加至等于或大于使上限下降因素的作 用时，就会导致路堤下上限不变或上升。这样，在一定条件下就存在这样一个 路堤高度，当实际路堤高度大于这一路基高度时，上限将上升；而小于这一高 度时，上限将下降。这一高度叫使原上限不变的最小路堤高度。当采用保护冻 土原则在冻土区筑路时，必须保证使实际路堤高度大于这一最小路堤高度。但 路堤高度并非越高越有利于保护冻土。在高温冻土区，当夏季施工的路堤其高 度超过一定值时，会在堤身内形成融土核（采暖建筑物下，多年冻结地基土的一 部分发生融化，形如盆状，故称融化盘），造成地下冰的融化，而使路堤下沉。 路堤建成后改变了地表和地下水的径流条件。当排水措施不当时会产生路
7、堤过 水和堤侧积水现象。其结果往往是地下冰融化，路基下沉甚至发生突陷。多年冻土区的公路设计和施工通常采用保护冻土原则，尽量避免挖方和零 断面。采用沥青路面时，由于黑面的吸热和封水作用，其下的人为上限值较 大。因此，在冻土区修筑沥青路面时必须对采用保护冻土原则的可能性和经济 合理性进行论证。（2）冻胀冻胀是冻土区筑路时需要考虑的另一个重要问题。一般情况下，在低温冻 土区，活动层厚度一般较小，且存在双向冻结，冻结速度较快，故冻胀相对较 轻。而在高温冻土区，活动层厚度一般较大，冻结速度也较低，如存在粉质土 和足够的水分则冻胀严重。由于路基填筑材料的不均匀，或不同岩性和水文地质条件地段路基过渡处 理不
8、当，可能引起不均匀冻胀，使线路在乎纵断面上失去平顺性。用粉质土和 黏性土填筑的路基，由于冻结时的水分迁移可能在上部聚冰而引起翻浆。为了防止冻胀可用粗粒料作为路基填筑材料，但这在实际工程中很难全部 做到。这时可以采用黏性土作为路基的填筑材料，但必须作好验算，并辅以相 应的防止冻胀措施。另外在冻土区设计刚性建筑结构物（如挡墙、涵洞）时，要充分考虑水平冻胀 力的作用。在不可能绕避时则必须做好排水措施，防止线路附近冰锥和冻胀丘的发 生。(3)xx 流和滑塌融冻泥流和滑塌多发生在有厚层地下冰分布的斜坡上。它可以由工程施 工、挖方取土等人为活动引起，也可以由自然因素(如河流侵蚀坡脚、气温升高) 引起。由融
9、冻泥流和滑塌形成的稀泥物质向下流动，可能掩埋道路，壅塞桥 涵，加速路基的软化湿陷。当线路通过越岭地段时，要特别注意这些问题。(4)冰锥、冻胀 xx冰锥俗称涎流冰，指水多次溢出地表冻结而所形成的地面冰体。分布于多 年冻土和季节冻土区。其形成条件为：具有不冻的水源、水的通道、水的驱动力和严寒的气候条件。按其水源分 为河冰锥、湖冰锥和采冰锥。绝大部分冰锥是季节性的。工程建筑时，若建筑 物拦截了地下水的通道，又未处理好排泄通道时，也会在建筑物附近形成冰 锥，从而危害建筑物。由土的差异冻胀作用所形成的丘状地形，总称冻胀丘。冰锥和冻胀丘是多 年冻土区道路工程中最经常遇到的不良冻土现象。在青藏公路沿线就分布
10、有大 小冰锥和冻胀丘 100 多处。值得注意的是由于筑路而产生的水文地质条件的变 化(堤身和基底土的压密，上限上升，挖方拦截地下水通道等)往往在线路附近诱 发新的冰锥和冻胀丘。冻胀丘形成钟产生巨大的隆胀力，使道路变形；冰锥在 冬季可能覆盖路面，中断交通，而在夏季造成道路翻浆和路基沉陷，需要认真 对待。因此，在选线、选址时均应注意水文地质调查，尽量绕避已有的冰锥、 冻胀丘，以及线路修筑后可能产生新的冰锥和冻胀丘的地段。(5)热融 xx 和沼泽化湿地热融湖塘在青藏公路沿线分布较广，在楚玛尔河高平原上尤为集中。一般 热融湖塘下仍有多年冻土存在。公路通过热融湖塘时要注意路基冻胀和沉陷的 不均匀及边坡陷
11、裂等问题，同时湖塘积水也容易引起路基湿软，加剧冻胀和沉 陷。沼泽化湿地地段一般厚层地下冰发育，线路通过时应注意上部草炭和泥炭 层的压缩问题，在这类地段筑路时要特别注意保护植被，作好排水和保证足够 的路堤高度，必要时可加设保温护道。(6)其他不良工程地质现象从环境保护的角度看，多年冻土特别是高含冰量冻土对地表的扰动十分敏 感。地表的一些不大的改变，如雪盖和植被的变化都会引起多年冻土重大的不 可逆的变化，从而产生严重的后果。低温和短的生长季节也造成了冻土区植被 一旦被破坏后恢复缓慢的特点。因此在冻土区筑路要特别注意保护环境。从工 程的角度看，保护好环境对保护冻土，确保路基的稳定性也是十分必要的。例
12、 如路基下保存植被，不仅有利于保护冻土，而且这些植被能起到毛细隔断层的 作用，使路基上中部冻结层上水形成的水分积聚有所减小。因此，在高含冰量 冻土地段，不仅在路基下面，而且从路中心起算的两侧30-100m内必须保存植 被。那种就近取土、取草皮，甚至用推土机直接在路堤两侧推土的做法是不可 取的。冻土地区的路基病害及原因1. 冻土地区的路基病害类型铁路和公路的路基，在冻结期间将产生不均匀冻胀，导致路面高低不平， 这对铁路和高速公路危害更大，轻者给行车带来障碍，重者造成行车事故。路 基的不均匀冻胀还将导致公路的路面，特别是混凝土刚性路面产生裂缝，这种 裂缝多呈纵向分布，且经冻融反复作用而不断加宽，严
13、重时使路面呈破碎状。在季节性冻土地区水文地质条件不良地段，冬季路基土体由于冰冻作用， 使其含水量增大，春天化冻时路基中水分不能及时排出，形成潮湿软弱状态。 由于行车荷载的反复作用，使路面发生裂纹、鼓包、车辙、“弹簧”土冒泥翻浆 等现象。道路翻浆地段路面变形特点和破坏形式通常可分为以下三种类型：路面龟裂、湿润、轻微弹簧；大片裂纹，路面松散，局部鼓包，车辙 较浅；车辙较深，翻浆冒泥。2. 路基病害的原因由于负温作用，路基开始冻结时，水分由下层向冻结锋面(冻土与非冻土之 间可移动的接触界，称为冻结锋面)集聚，形成冰晶体、冰夹层。随着路基下部 和路肩土体中水分向路基中部集聚，使路面下部形成较厚的聚冰层
14、，从而使路 基土产生冻胀，使路面拱胀不平或产生裂缝。春季时，随着气温升高，路基土 开始融化，这时路面下的土体又比路肩土融化的快，使路基下形成凹形残留冻 核，凹曲线冻土核为一不透水层，使其上部已融化土中的水分不能排除，从而 造成翻浆病害。道路的不均匀冻胀和翻浆严重程度如何，还与路基的土质、水分和温度条 件有关。一般粗颗的砂砾土填筑的路基，由于很少产生水分迁移和聚冰作用， 且具有良好的排水条件，冻胀性很小，不足以构成危害。融化时，承载能力降 低不大，也不会产生翻浆现象。但是当路基为亚砂土，且有地下水补给条件 下，会产生严重的聚冰现象，冬季路面产生大的冻胀变形，春季融化时水分多 处于饱和状态，又不能
15、及时排出，在这种情况下，往往形成流砂和泥浆。黏土在不良水文地质条件下，如地下水位高，路基两旁积水时，路面也能 产生较大的不均匀冻胀和春季的翻浆。路基水分条件是引起路面冻胀和翻浆的决定性因素。当路基土中含水量超 过起始冻胀含水量时，路面便会有不均匀冻胀发生，特别是当地下水位较高 时，由于地下水位的补给将使路基产生更大的不均匀冻胀。路基土冻结后，由 于水分迁移和聚冰作用，使土体含水量显著增大，春季融化时往往处于饱和状 态，这时土颗粒间水膜厚度增大，土颗粒间的摩阻力消失，土壤的强度指标显 著降低，造成道路翻浆。按不同的水文地质条件，道路翻浆可分为以下几种类型。(1) 地下水类翻浆在地势低洼、积水难以
16、排出、地下水位埋深又浅的地区，路基填土高度不 大时，冻结期由于地下水补给使土体含水量增大，春季引起道路翻浆；在丘陵 区或山区的挖方和半填半挖地段，由于开挖使路基顶面接近地下水位或者路堑 边坡切断含水层且排水不畅时春季产生翻浆；在半山腰的填方路堤，有时压住 含水层或泉眼，使水分渗入路基，冬季引起路基冻胀，春季化冻时产生翻浆， 一般称为两肋翻浆；城市道路有时因地下管道漏水，路基含有水量增加，将导 致道路翻浆。(2) 地表水类翻浆由于降雨、灌溉等使路基两旁积水，而又不能及时排出，渗水使路基含水 量增加，又由于冻结过程中的水分迁移作用，使路面下土层含水量增加，春季 融化时产生翻浆；由于养护不良、路基边沟堵塞、路面出现车辙、局部洼坑、 两侧路肩高于路面等情况使路面或边沟长期积水，渗入路基后使土体含水量增 大，春季将引起局部翻浆。(3) 土体水类翻浆土体水类翻浆主要是由于施工中遇雨，路基填土含水量大
