冻土冷生现象的工程影响及其处理方法总结

冻土冷生现象的工程影响及其处理方法总结摘要：冻土冷生现象对工程安全有着极大影响，主要包括：热融滑坍、厚层地下冰、冰丘、热融湖(塘)、冰椎、沼泽化多年冻土等。本文对目前国内外冻土冷生现象处理技术进行了系统的研究，以供有针对性地解决这类工程地质问题。关键词：冷生现象；工程影响；处理方法。1概述具有零温或负温并含有冰的土体或岩石称为冻土，冻结状态持续时间在2年或2年以上土(岩)称为多年冻土。多年冻土地区的主要工程地质问题是冻土冷生现象，对工程安全有着极大影响。这些现象主要包括：热融滑坍、厚层地下冰、冰丘、热融湖(塘)、冰椎、沼泽化多年冻土等。本文对目前国内外冻土冷生现象处理技术进行了系统的研究，以供有针对性地解决这类工程地质问题。2一般工程处理原则(1)在多年冻土地区修建工程，首先要判明工程所处位置的多年冻土的稳定程度。一般在多年冻土层厚度大、年平均地温低的相对稳定地带，多采用保持多年冻土冻结的设计原则。在冻土层较薄的，相对不稳定的边缘地带，一般宜采用挖除或部分挖除多年冻土的措施。(2)当地基土为冻胀性土层时，要注意保护好建筑物周围天然地表状态。防止地表水的渗透作用及人为活动而破坏地表热平衡，导致上限下降，酿成病害。因此，建筑物周围一定范围内的天然覆盖层要切实加以保护。过水建筑宜尽量利用原有沟槽，不另开渠道，不破坏天然地表。建筑物基础宜放在基岩面或埋在人为上限以下，这样不但可以得到较大的地基承载力，同时可以充分利用冻土的冻结力来抵消冻胀力。(3)在多年冻土地区，一般冻结深度大于融化深度。所以在相对稳定的多年冻土地带，当路堤修筑后，冻土上限能随之上升。其上升幅度与填土高度和填料性质有关。根据青藏高原观测资料，填土高度超过0.5m时，上限就会上升，当这种人为上限因填土而上升至地表或地表以上时，天然地基可以不作工程处理。(4)路堑工程，由于天然地表的改变，多年冻土上限则将随之下降。因此，当边坡或基底土为饱冰冻土，富冰冻土或含土冰层时，基底土应进行全部或部分挖除换填，边坡应采取保温措施，并做好排水工程。（5）多年冻土地区工程用保温材料，要求有较低的导热性能、良好的防水性和一定的抗压强度。预制的轻质材料具有良好的保温隔热性能和需要的抗压强度，但在目前因成品价格高，运送不便以及施工工艺要求高等原因，故在工程中尚未普遍使用。除预制的轻质材料外，草皮、泥炭、炉碴、含水量较小的砂粘土等也可以作为保温材料使用，其保温性能虽不及预制的轻质材料，但只要加大必要的保温层厚度也能满足需要，且具有就地取材减少运输，降低造价，方便施工的优点。所以，尽量利用当地天然材料作为保温材料，应作为多年冻土地区的一项设计原则。3不良地质现象防治措施多年冻土上工程的稳定性取决于基底多年冻土的稳定性和基础周围环境，因此，在施工和运营中，都应特别注意保护多年冻土环境，尽量减少对多年冻土的热干扰，防止多年冻土衰退和融化。做到以下两点，冻土工程的稳定性是有保证的：一是在施工和运营期确保基底多年冻土的温度维持在设计温度；二是在施工和运营期确保作用于工程基础的冻胀力不超过允许值。为达上述目标，针对不同的冻土冷生现象应采用一些特殊结构和防护措施。(1)厚层地下冰和热融滑坍可采用基底换填、边坡防护措施。表1厚层地下冰和热熔滑坍地区边坡防护措施类型边坡一般坡度适用范围,h为防护措施高度(m)h＜33≤h≤6h＞6保温措施单层草皮护坡1:1～1:2适用适用——多层草皮护坡1:0.75～1:1.5适用适用——粘性土护坡同一般地区粘性土边坡要求适用适用——结构措施挡墙同一般地区——适用——综合措施护坡与挡墙结合————适用管道、线路等通过地下冰地段，为防止修筑后冻土上限下降，造成管道及线路路堤的热融下沉，填筑最小高度应不小于0.5m。(2)热融湖(塘)通过季节性有水或常年有水的热融湖(塘)的路堤，其水下部分的填料，必须以渗水性土填筑。渗水性土的填筑高程至少应高出最高水位0.5m。通过季节性有水或常年有水的热融湖(塘)的路堤，在预留沉落量时，必须结合热融湖(塘)的基底土质情况、地下冰情况、上限深度等因素，综合考虑基底的下沉量。(3)冰椎、冰丘冰锥、冰丘常用处理措施如下表：表2冰锥、冰丘常用处理措施类别措施的名称特征评价地下排水法盲沟排水法将地下水经由盲沟中的管路排至路基以外。要注意勿使盲沟冻结，出口堵塞整治效果彻底，但造价高。适用于地下水量大，基岩裂隙水发育的深的岩石路堑及不能采取其他积冰措施的路堤路基外侧积冰法扩大并加深天沟积冰法地下水天沟冻结，此法还可起到冻结沟的作用适用于地下水位高，水量稍大的挖方地段扩大侧沟积冰法在地下水出露较低的路堑中使用，将冰积于侧沟中在确知地下水量小时，可以采用，否则容易积冰阻道路堤上方设积冰坑在路堤上方开挖大的积冰坑，以容纳冰体，并将弃土填于靠近线路上侧，筑成挡冰堤适用于整治泉水冰锥以及洪积扇上的冰锥。施工简单但不彻底，挖方数量较大冰结沟法开挖一沟渠，夏季起排水作用，冬季渗透的季节性融化层与多年冻土层衔接后，形成封闭的挡水隔墙造价低，效果显著(4)沼泽化多年冻土通过沼泽化冻土的路堤的主要病害是热融沉陷及热融滑坍。这种病害的产生是由于热的传导降低了多年冻土上限。泥炭及下部粘性土含有大量冰或夹纯冰层，融化后成稀释状造成路堤沉陷；如果人为上限向一侧倾斜，往往造成路堤滑动。防止这种病害的设计原则一般是：若沼泽化冻土泥炭堆积物薄，以下为砂卵石等，施工期间即可为填土所压实，预加沉落量即可，不一定要挖除。当通过的沼泽化冻土泥炭和粘性土较厚，含冰多，在路堤较高的条件下，宜采用换填措施，以减少不均匀冻胀与热融沉陷。路堤基底的草皮、腐植质土和泥炭均应挖除，换填以渗水土。换填高程应高出原地面0.5m。4特殊结构防护措施(1)多年冻土区的路堤在多年冻土区填筑3-6m高的路堤，在未来的人为上限以下0.2m的下部可以利用含水量小于液限的粘性土或冻土块填筑，并在填筑时适当夯实即可；而其余部分对填料的要求，应与非多年冻土地区的要求相同，其夯实密度应达到最佳密度的85%-90%。(2)桥涵地基的冻胀及融沉是多年冻土区桥涵变形的主要原因。在多年冻土区，当桥涵地基为融区，不冻胀土和不融沉土时，可按非多年冻土区的有关规定进行设计。当桥涵地基为冻胀土和融沉土，且位于多年冻土相对稳定地带时，可采用“保持冻结”原则进行设计，并尽量采用各种桩基，在寒季施工；当其位于多年冻土的不稳定地带时，则应采用“容许融化”原则进行设计。在多年冻土区，不宜采用长大截水导流工程合并设置桥涵，而以原沟单独设置为宜。桥涵的上、下游尽可能接原沟，减少改沟长度及沟底开挖，以避免出现新的冰椎，冰丘及热融滑坍现象。当过水建筑物上游有泉水或热融滑坍，可能产生冰椎、冰幔，堵塞过水建筑物或危害其正常使用时，以设桥为宜，并对滑坍体作适当处理。桥涵孔径及桥下净空，除应满足水文及交通的要求外，还应考虑较严重的冰椎、冰丘、冰幔及融冻泥流现象的可能影响。(3)隧道在多年冻土区，隧道(尤其是洞口)宜避开各种不良地质体，选在不受冻害影响的坚固地层上；越岭隧道则宜尽量选在无断裂，少裂隙的完整岩石地段。隧道洞口仰坡应尽可能少地扰动原地面；当仰坡范围内有地下水、厚层地下冰或冻胀土时，应采取接长明洞、坡脚以挡墙支挡等办法处理。开挖后的多年冻土，暴露时间不宜过长，进洞前必须先修好洞门，并作好洞口边坡、仰坡的处理(包括支挡、保温及排水工程等)。在多年冻土中，洞身开挖后，由于气温等外界条件的影响，衬砌背后的多年冻土自然形成融化圈，融化圈的厚度大致等于天然上限深度。考虑到衬砌背后的地下水与某些围岩可能形成冻胀病害，以及融化圈内的围岩经冻融循环作用而强度降低，在设计时，可采用将围岩降一级作特殊设计的方法确定衬砌断面。多年冻土区的隧道衬砌，应采用混凝土或钢筋混凝土整体灌筑，当围岩类别为Ⅲ类及以下时，应采用曲墙仰拱的封闭断面。洞口地段及冻融交界处的衬砌应加强，并应适当设置沉降缝。多年冻土区的隧道，除确认为干燥无水者外，均应采用防水混凝土，并对工作缝、伸缩缝、沉降缝作好防水处理，以增强衬砌的密实性和不透水性，防止围岩的水渗入隧道，造成病害。当隧道在多年冻土中通过并遇有层间水或较集中的未冻水时，应在衬砌背后设环向和纵向盲沟并与双侧防寒水沟或保温水管连通，集中排泄；当隧道在多年冻土下限以下通过并遇有地下水时，也应在衬砌背后设置环向和纵向盲沟并与防寒水沟或泄水洞连通，进行排水。若有条件时，可在洞口设防寒门，并定时向洞内送蒸气，保持洞内气温在0℃以上，以防洞内挂冰和水沟冻结。(4)房屋建筑在多年冻土区，采暖房屋破坏的主要原因是不均匀热融下沉和不均匀冻胀。因此，房屋设计，特别是生产用房和建筑群的设计，必须优先考虑选址，使建筑场地尽可能放在完整的基岩、不融沉土及弱融沉土地基上。决不能片面地强调距离站舍及线路的远近。否则，将会因采取设防措施而增加大量不必要的投资。建筑场地的选择还应考虑生活及生产用水的来源，有利于地表水及生产、生活污水的排除。在多年冻土区，宜对采暖房屋的热源采用架空隔热处理，或酌情采取如下措施，以减少地基土的融化深度，保持结构的稳定。●采用高填土地基；●采用通风(或局部通风)冷基础，也可设置暖季通风，寒季不通风的冷基础；●采用地面式钢筋混凝土圈梁基础；●采用架空式或桩基础。(5)输油管线工程在多年冻土地区进行管道设计施工，管道埋深应考虑以下三点：●防止多年冻土融化，埋于季节融化层中，并作好隔热。高温管线宜架空通过高温高含冰多年冻土地段。●防止管线不均匀冻胀，埋于主冻胀带以下。●满足输油技术要求，确保输油所需温度。5结语冻土冷生现象是多年冻土地区常见的不良地质现象，对各类建设工程有着极大的不良影响，以上内容是对国内外处理类似工程地质问题经验的研究总结，当北方多年冻土地区工程出现类似不良现象时，可以参照文中相关内容有针对性地采取适当的处理措施。