季节性冻土的冻胀因素及其分类
冻胀性评价
1
3.5.2土体工程地质特征
工作区内以第四系全新统滑坡堆积(Q4del)成因的含碎石粉质粘土、粉质粘土为主,其上为一层黄土。
黄土:灰褐色、黄褐色,干~稍湿,主要由粉粒组成,表层含植物根系,干强度低,韧性低,结构松散。本次勘查揭露黄土总体厚度1.5~9.4m,主要分布于滑坡体范围及周边区域。
粉质粘土:呈红褐色、灰褐色,硬塑状态,主要由粘粒和粉粒组成,表面稍有光泽,切面粗糙,韧性一般,干强度中等。本次勘查揭露粉质粘土总体厚度3.5~5.8m,主要分布于HP01滑坡体中部。
含碎石粉质粘土:黄褐色,硬塑状态,主要由粘粒及粉粒组成,约含20%~35%的强风化基岩碎石,碎石粒径20mm~60mm。表面稍有光泽,切面较粗糙,韧性一般,干强度一般,结构较致密。无摇振反应。主要分布于滑坡体土层中下部。
根据试验分析,黄土的天然含水率24.6%,天然密度1.93g/cm3 ,天然抗剪指标c值29.1kpa,φ值15.5°,粉质粘土的天然含水率24.8%,天然密度1.96g/cm3 ,天然抗剪指标c值30.5kpa,φ值15.4°,含碎石粉质粘土的天然含水率26.5%,天然密度1.97g/cm3 ,天然抗剪指标c值29.2kpa,φ值16.4°。
本地区处于祁连山脉以南,属于高寒区,标准季节冻土深度1.84m,区域地下水埋藏深,季节性冻土内土层含水量低,一般呈干燥或稍湿,根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)附录G中表G.0.1,并结合该滑坡群土体实验数据,得出区域土体冻胀性为不冻胀~弱冻胀,冻胀等级为Ⅰ级~Ⅱ级。季节性冻土对建筑物基础影响不大。
表3-3 地基土的冻胀性分类
土的名称 冻前天然含水量ω(%) 冻结期间地下水位距冻结面的最小距离hw(m) 平均冻胀率η(%) 冻胀等级 冻胀类别
粘性土 ω≦ωp+2 >2.0
η≦1.0 Ⅰ 不冻胀
≦2.0
Ⅱ 弱冻胀
ωp+22.0 1.0
土的冻胀性工程分类
第4期(总第140期) 2001年11月 山西水利科技 SHANXI HYDROTECHNICS No.4(Tota1 No.140) Nov,200l 1006——8139(2001)04——70——4 土的冻胀性工程分类 荣志军李荣峰 (山西省水利科学研究所) 文摘:对国内外土的冻胀性分类进行了综述,反映了土的冻胀性分类研究进程和发展方向,井将土的冻胀性分类归 结为以土颗粒成分为主捌分,以土质、粒径、水分条件等多因素划分,以反映内外因素综合作用的冻胀量划分等三 个方面。 关键调:冻土;冻胀;分类;综述 1引言 季节性冻土地区土的冻胀是造成工程冻害的主 要原因。渠系建筑物如渠道衬砌体、闸底板、护坦、 渡槽及倒虹吸进出口底板、抽水站前池等.均受到不 同程度的地基土冻胀作用而遭到损坏。为避免冻胀 破坏,水工建筑物一般要求基础埋深在冻深线以下, 因而基础工程量约占整个工程量的1/3以上,但对 于面广量大的渠道衬砌体或河道护坡等.为防止冻 胀而加大基础埋深从经济上考虑几乎是不可能的。 为此.为减少工程量及投资,需要正确估计土的冻胀 性,便于采取相应的经济合理的防冻胀措施。 为确切反映建筑物地基土冻胀对工程可能造成 的危害程度,国内外进行了大量的试验研究,试图划 分土的冻胀性类别。对土的冻胀性研究,国外一般 称之为“土的冻结敏感性评价”,国内则称为“土的冻 胀性分类”。综合国内外在这方面的研究成果,可以 看出.划定土的冻胀性分类标准有三个方面,其一是 以土颗粒成分为主划分冻胀性级别;其二是以土质、 粒径、水分条件等多因素作为判定指标;其三是通过 土质、水分、温度、外荷载等系统环境因素综合作用 的表现——冻胀量的大小作为划分冻胀性级别的依 据。上述不同的三个方面,同时反映了对土的冻胀 性分类的研究历程以及认识的发展趋向。 2以土颗粒成分为主的冻胀性分类 2.1土质对冻胀的影响 土质不同,对于冻结时的水分迁移量及冻胀的 影响是不同的。在粘土中特别是极细碎的粘土中, 仅有轻微的水分迁移和冰折出,几乎不发生冻胀;而 在粉质成分的粘土中(粒径从0.05~O.002ram的颗 粒大于60%)可发生最强烈的迁移和冻胀,因此这 种土壤披划分为最具冻害的冻胀性土;砾石土壤一 般认为不具冻胀,但当有更细的充填物或由于长时 间灌入泥浆的结果,在冻结时会发生副烈的冻胀变 形。因此,土壤的冻胀与否,在很大程度上是有条件 的 在自然条件下,当土中水分、冻结条件相同时, 各类土的冻胀性大致有如下顺序:粉质粘土>壤土 >砂壤土>重粘土>砂土>砂砾石。 2.2土的粒径与冻胀性关系 许多试验结果表明,土的粒径与土的冻胀性关 系为: 土颗粒粒径d>0.1mm时,即使是饱和土。冻结 时也不发生水分迁移和冻胀。国外研究资料认为, 在粗粒土中,当存在d<0.074mm的细粒土时会发 生水分迁移和冻胀;d=0.1--0.05mm的纯净砂,属 于弱冻胀性土。国内实际研究资料表明.d< 0.05mm的粉粘粒含量大于l2%的粗粒土被认为是 产生水分迁移和冻胀的临界值。d=0.05~ 0.002ram时.土中水分迁移剧烈,土具有强冻胀性。 当d<0.002ram时土冻结时的水分迁移和冻胀现象 反而减弱。 2.3以土的粒径含量为主的分类方法 国外以土的细颗粒含量为主判定冻胀性类别者 占绝大多数,其中尤以0.074mm为粒径的界限者为 多。各种分类方法中,最主要的区别是对粒径含量 要求不一。表1摘录了部分国外以土的粒径含量为 主的分类法。
公路路基受季节性冻胀影响因素及采取措施
公路路基受季节性冻胀影响因素及采取措施
发表时间:2016-03-17T11:20:35.943Z 来源:《基层建设》2015年24期供稿 作者: 岳华文
[导读] 中国水利水电第七工程局有限公司国际工程公司 随着我国高速公路的不断发展,高速公路发展规模已经由原来的主要发展平原地区逐渐向全国各地区发展。
中国水利水电第七工程局有限公司国际工程公司
摘要:随着我国高速公路的不断发展,高速公路发展规模已经由原来的主要发展平原地区逐渐向全国各地区发展。本文在马其顿MS公路施工实践中通过对土的冻胀机理及影响冻胀主要因素的研究,提出了防治路基冻胀的处置措施。
关键词:公路路基;季节性;影响因素;措施
引言
冻土是一种性质非常特殊的土类,这种土类的温度在通常的情况下为负温度或是在零度,同时土壤中还含有一定的冰。可以按照冻土状态持续的时间对冻土进行分类,(1)短时冻土主要是指冰冻时间在几个小时到十五天左右的冻土;(2)季节冻土主要是指半个月以上
到几个月之间的冻土;(3)多年冻土主要是指两年及两年以上的冻土。
1项目简介
MS高速公路位于马其顿境内,该公路位于首都东南方向,全长46km。新建段26km,地处丘陵地区;改扩建段19km,地势平坦。途中最高海拔567m,平均海拔371m。马其顿为东欧内陆国家,以温带大陆性气候为主,大部分地区夏季最高气温达40℃,冬季最低气温
达-20℃,冬季时段为12月至次年2月。
2路基土冻胀的形成机理
土是由固体颗粒、液体水和气体组成的三相体。固体土粒是土的最主要的物质成分,由无数大小不等、形状不同的矿物颗粒按照各种不同的排列方式组合在一起,构成土的骨架主体,称为“土粒”。在土颗粒之间的空隙中,通常有液体的水溶液和气体(主要为空气)充填。
土在冻结过程中,不仅是土层中原有的水分的冻结,还有未冻结土层中水向冻结土层迁移而冻结。所以,土的冻胀不仅仅是水结冰时体积
增加的结果,更主要是水分在冻结过程中由下向上部迁移聚集再冻结的结果。重力水和毛细水在0℃或稍低于0℃时就冻结,冻结后不再迁
季节冻土的划分
在地质学和土壤科学中,冻土是指地表下一定深度内,温度低于摄氏零度,导致土壤水分冻结的土层。季节冻土是冻土的一种类型,它的特点是每年冬季冻结,夏季全部融化。这种周期性的冻结和融化过程对土壤结构、水文、生态和工程建设都有重要影响。
季节冻土的划分主要依据其冻结深度和冻结持续时间,具体可分为以下几个层次:
1. 表层冻土(Permafrost):这是最表层的冻土,通常深度在0到0.5米之间。它直接受到气温变化的影响,冬季冻结而夏季融化。表层冻土对道路、建筑等基础设施的建设和维护有直接影响。
2. 浅层冻土:这类冻土位于表层冻土之下,深度一般在0.5至2米之间。其冻结和融化状态不仅受气温控制,还与土壤类型、含水量以及植被覆盖等因素有关。
3. 深层冻土:深层冻土的深度通常在2米以上,但仍然会在冬季完全冻结、夏季完全融化。深层冻土的范围更广,影响因素也更为复杂,包括地形地貌、地下水位、土壤成分等。
4. 过渡性冻土:在某些特定环境条件下,如山体阳面或土壤湿度较高的地区,可能会出现冬季不完全冻结、夏季不完全融化的冻土。这种冻土称为过渡性冻土,它的存在对周围环境的水热平衡有重要影响。
季节冻土的划分不仅是一个自然科学问题,同时也是工程设计和城市规划中必须考虑的实际问题。例如,在寒冷地区进行基础设施建设时,工程师需要详细了解季节冻土的分布情况,以避免因地基不稳定或水管破裂等问题造成损失。此外,随着全球气候变暖,原本属于季节冻土的区域可能面临更频繁和严重的冻融循环,这将对生态环境和人类社会带来新的挑战。
因此,对季节冻土的研究不仅有助于我们理解地球表层的自然过程,而且对于应对气候变化、保护生态环境和维持社会经济的可持续发展具有重要意义。通过对季节冻土的深入观测和研究,科学家和工程师可以更好地预测和管理这些变化,为人类创造更稳定安全的生活环境。
季节性冻土区路基土的冻胀特性分析
长春工程学院学报(自然科学版)2006年第7卷第2期ISSN1009-8984CN22-1323/N1.Changchunlest.Tech.(Nat.Sci.Edi),2006,Vol.7,No.26/2817-20
季节性冻土区路基土的冻胀特性分析
杜兆成’,孙瑛琳‘,蒋大恩2
(1.长春工程学院勘查与测绘工程学院,长春130021;2.温州市交通工程质量监督站,温州325000)
摘要:在季节性冻土区的路墓工程中,冻胀、融沉和翻浆都会对道路产生较严重的破坏。根据2000-2002年间对吉林省长余高速公路路基冻胀观
测所获得的资料,分别分析了温度、水分、土质、路基类型等因素对路基冻胀的影响。关键词:季节冻土区;路基冻胀;温度;水分;土质
中图分类号:TU445文献标识码:A文章编号:1009-8984(2006)02-0017-04是冻结还是融化,给公路的正常运行都造成了安全隐患,也额外增大了公路养护费用。在2000-2002
年间,本人参与了对吉林省几条高速公路进行的路基冻害钻探调查、现场观测和室内试验工作。通过
野外专门钻探调查,对吉林省高速公路路基的破坏状况、路基土质条件、含水量和路基特征等有了明确
认识。
0引言
我国冻土的分布面积大约700多万k衬,季节
性冻土区约有513万k扩,季节性冻结层厚0.5m以
上的分布区主要分布在东北、华北、西北。路基土土质、水分及冻结条件的不均一性,会产生不均匀冻胀,不均匀冻胀力导致地面开裂;春季融化时,土体
甚至处于饱和状态,土粒间摩擦阻力降低以至消失,在荷载作用下则造成下沉,翻浆冒泥等病害。无论
收稿日期:2006-03-27作者简介:杜兆成(1968,7一),男(汉),河北,讲师主要研究岩土工程。1冻胀产生的条件
道路冻胀是多种因素综合作用的结果,道路的土质情况、水分的变化、大气温度是形成道路冻胀的三个基本因素。没有负温水就不会成冰,体积就不
会变化,负温在一定范围下,就会产生冻胀现象,因而温度是发生冻胀的前提。只有负温,但含水量很小也不会产生冻胀。水的影响主要体现在土体冻结前含水量及冻结期的水分补给条件。
季节冻土区高速铁路路基冻胀机理及规律研究
季节冻土区高速铁路路基冻胀机理及规律研究
季节冻土区高速铁路路基冻胀机理及规律研究
随着我国高速铁路的迅速发展,大面积结冰的季节冻土区高速铁路路基的冻胀问题引起了广泛关注。为了确保高速铁路的安全运营,研究季节冻土区高速铁路路基的冻胀机理及规律势在必行。
冻胀是指在季节性冻土地区,土壤在冻融循环作用下由于冻水的膨胀而发生的变形现象。在高速铁路路基上,土壤冻胀会导致路基不稳固、变形、裂缝等问题,严重危及铁路的运行安全。因此,对季节冻土区高速铁路路基的冻胀机理进行深入研究尤为重要。
首先,冻胀机理主要受冻融循环作用和地下水位变化的影响。冻融循环作用是指土壤由于温度变化而发生冻胀和融胀的循环过程。在冬季,土壤中的冻水膨胀会引起路基土体的变形;而在夏季,随着温度的升高,冻水会发生融化,导致土体的回缩。这种循环过程会不断地使路基土体发生变形,从而增加了路基的沉降和不均匀变形风险。另外,地下水位的变化也会影响冻胀机理。当地下水位高于路基底部时,冻融作用会更加剧烈,导致更严重的冻胀问题。
其次,冻胀规律受土壤物理力学性质、水分含量和孔隙结构等因素的影响。土壤物理力学性质包括土壤的密实度、孔隙度、占空比等。这些性质会影响土壤的抗冻胀能力和变形特性。例如,密实度较高的土壤抗冻胀性能较好,而孔隙度较高的土壤则容易发生冻结膨胀。水分含量对土体的冻融特性也有很大影响。过高或过低的水分含量都会使土壤的冻胀性能下降,容易引发路基破坏。此外,孔隙结构也会影响冻胀规律。孔隙大小和分布对冻结水的排泄和变形具有重要影响。较大孔隙会容纳更多的冻结水,从而增加冻胀因素。
最后,针对季节冻土区高速铁路路基的冻胀问题,应采取相应的措施来确保路基的稳定和安全。首先,可以采用地基改良技术,如加固工法、排水工法等,提高土壤的抗冻胀能力。其次,加强构造设计和施工质量控制,保证路基的稳定性和可靠性。此外,合理控制路基的水分含量,避免土壤过湿或过干,对减少冻胀问题也有积极意义。
冻土层的形成和控制措施
冻土层的形成和控制措施
根据纬度和海拔高度的不同也可以将冻土划分为几类。由地面向下,每年冬季冻结到一定深度,当夏季来临时这一冻结深度又全部融化的土层叫做季节性冻土。如果该土层冬季冻结后,在二、三年的夏季内,才能完全融化的叫做隔年冻土;当土层的冻结状态持续在二年或三年以上,夏季内也不能完全融化的称为多年冻土。我国的多年冻土多分布在东北大、小兴安岭北部、青藏高原及西部高山等地区。在东北冬季长、夏季短,有茂密的森林,为多年冻土的存在提供了条件;而在青藏高原和西部高山则主要是受当地海拔高度的控制,具明显的垂直分带。
在湿土冻结过程中,路基土体中的水分及因冻结向冻结峰面迁移来的水分冻结而引起体积膨胀,使得路基基床土体胀起,通常对这种胀起的现象称之为冻结膨胀(简称冻胀)。
我们管内大部分线路都铺设在多年冻土地带之上,路基冻害较为严重。主要表现形式为:在冬季路基土体冻结时,除路基(纵、横断面)在短距离地段内产生不均匀冻胀或路基发生冻结裂缝外,还存在着冰椎、冻胀丘、路基融沉及路基边坡滑坍等一些独特的表现形式。冻害发生发展时期,一般从每年10月中旬起至次年7月中旬止全部回落完。对铁路线路影响很大。为确保行车安全,每年都必须投入大量人力物力用以处理路基冻害。根据历年调查统计报告,管内现有冻害207处,其中冻害高度50mm~300mm的冻害6处、50mm以下的冻害198处,冰椎3处。冬季线路冻胀凸起,冰椎则流水成冰,冰水漫及线路,影响行车,为了预防冻害事故的发生,在冬季需派人看守观察和组织刨冰,每年仅用于刨冰的工数就达5000多工日。夏季路基融沉病害情况严重,在管内就有200多处严重下沉地段。有的地段融沉很快,几天就得抬道一次,全年累计下沉达200~300mm,情况严重的,如潮乌线8km,在1972年曾发生过5小时内,路基连续融沉达1.4m,造成机车颠覆事故。每年用于路基融沉抬道的砂石料数量达3万多立方米,使用的劳力有2万多工日。 由此可见,路基冻害的存在,不仅增加了维修劳力,影响了正常维修,加大了维修成本,而且使得线路质量下降,直接影响着行车安全。
季节性冻土的冻结和融化
季节性冻土的冻结和融化
季节性冻土,指的是地球表面在寒冷季节中由于低温而呈现冻结状态的土壤。它主要分布在地球的高纬度地区和高海拔地区,如北极、南极、高山地区等。季节性冻土的冻结和融化是地球气候系统中一个重要的过程,对于环境变化、生态系统以及人类活动都具有深远的影响。
一、季节性冻土的形成原因
季节性冻土的形成主要受到以下几个因素的影响:
1. 气温:寒冷的气温是季节性冻土形成的基本条件。当地表温度降至冰点以下时,水分开始凝结成冰,导致土壤中的水分冻结。
2. 土壤含水量:土壤中的含水量越高,冻结的可能性就越大。当土壤含水量较高时,水分冷却的速度会相对缓慢,容易形成冻土。
3. 土壤质地:粘土和壤土等细粒土壤对水分的吸附能力较强,有利于水分冻结形成冻土。
4. 土壤覆盖:植被和积雪是影响季节性冻土的重要因素。植被可以保持土壤湿度并减缓土壤冷却速度,而积雪可以起到绝缘的作用,防止土壤中的热量流失。
二、季节性冻土的冻结过程
季节性冻土的冻结过程一般可分为以下几个阶段: 1. 预冷期:气温逐渐下降,土壤中的水分开始冷却,并在零度附近形成冰点核。此时,土壤中的水分尚未完全冻结。
2. 冻结期:气温持续降低,土壤中的水分逐渐冻结成冰。冰芯从冷集中形成,并向周围扩散。土壤中的孔隙逐渐被冰塞满。
3. 冻结稳定期:土壤中的水分基本上已经冻结成冰,达到稳定状态。此时,土壤变得坚硬,无法渗透水分。
三、季节性冻土的融化过程
季节性冻土的融化通常是在春季气温回升时发生的,它包括以下几个主要阶段:
1. 融化融雪期:随着气温的升高,冻土表层的冰开始融化。同时,积雪也逐渐融化,增加了土壤中的水分。
2. 滞后融化期:由于冻土表层的冰有一定的保护作用,导致下层土壤的融化滞后于表层。这一阶段土壤水分的增加会导致土壤湿度的提高。
3. 渗透融化期:随着高温季节的到来,冻土逐渐融化,土壤中的水分开始渗透向下。这会导致土壤湿度的逐渐下降。
季节性冻土的冻胀力及水工建筑物防冻害措施
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季节性冻土的冻胀力及水工建筑物防冻害措施
作者:付洪光 喻松柏
来源:《农民致富之友》2010年第20期
一、冻胀力的形成:
影响土的冻胀因素很多,主要是水、土、温、压因素。其中水、土是主要因素。土的冻胀是由于土体中含水量超过起始冻胀含水量,在负温下孔隙水部分冻结,对土骨架将产生挤压力。如果未冻水没有向外排泄条件,土开始冻胀。但如果能将其余未冻水挤走,以上体积增量将由孔隙中剩余空间所容纳,土体也不会产生冻胀。如果冻胀过程中有外水补给发生了强烈的水分迁移,生成大量的冰夹层,将产生强烈的冻胀。经观测:冰夹层的厚度大致等于冻胀量。沿冻深分步的冰夹层基本上代表了冻胀量沿冻深的分步情况。上层土的冻夹层厚而稀,而下层土的冰夹层薄而密。
土壤粒径、级配及温度变化,外水补给,外荷载的大小等都直接影响冻胀的程度。当土粒的粒径为0.05~0.002mm之间,土中水分迁移剧烈,土的冻胀量比较大,这种土的吸引水分能力强。土体中水分的迁移是靠结晶力、吸附力、毛细力、温度差和表面能差产生薄膜水移动,其中冰结晶力、毛细力和表面能差是水分迁移的主要动力。
土体冻结时,冻结面附着土颗粒的水膜被冰晶体吸薄,为了维持颗粒表面能的平衡,其他土颗粒的水膜向较薄的颗粒表面移动,为达能量的平衡,不断的移动,不断的冻结,放出潜热结晶成冰。
季节性冻土地区经过多次冻融循环,土的孔隙比是比较大的,冻结期土经过不均匀的冻胀,冻结面是一个凹凸不平的曲面,在冻层由于冻胀而上抬的过程中凹面处形成孔缝,造成负压区,迁移的水聚集到此而结晶成冰夹层。这种冰夹层体积膨胀9%,产生了内压力,这种对基础挤压和抬起的能力称之谓冻胀力。
1、封闭式和开敞式冻胀的区别:
(1)封闭式冻胀:在没有外水补给的条件下,土体中原驻水引起的冻胀为封闭式冻胀,当土体中原驻水小于起始冻胀含水量(粘土W0=13.0)冻结时不但没有冻胀,反而产生冻缩。表现地面出现下降,体积缩小。当土体中原驻水大于起始冻胀含水量W0时,在没有外水补给的条件下,虽然产生冻胀,但冻胀量不大。 龙源期刊网
季节性冻土路基的冻胀机理及其防治措施
第27卷第2期 20l3年4月 土 工 基 础 Soil Eng.and Foundation Vlo1.27 No.2 Apr.20l3
季节性冻土路基的冻胀机理及其防治措施
江 涛
(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)
摘要:在高寒季节性冻土地区修建高铁时,往往面临路基冻胀问题,现针对我国在季节性冻土地区高铁设计中存 在的冻胀问题,梳理了季节性冻土路基冻胀机理,分析了影响路基冻胀的主要因素,在此基础上,对季节性冻土路 基的冻胀防治措施进行了探讨。 关键词:冻土,路基,冻胀防治 中图分类号:U416 文献标识码:B 文章编号:1004—3152(2013)02—0093—04
1 引言
我国是受季节性冻土工程危害较为严重的国家 之一,全国冻结深度大于0.5 m的冻土区约占国土 总面积的68.6%,其中季节性冻土占53.5 L1],而
且季节性冻土分布面积随着地球温室效应还在不断 扩大。广泛分布的季节性冻土因其冻胀、融沉特性 对包括铁路在内基础设施施工和运营安全带来了巨
大挑战。仅以我国铁路路基冻胀问题最为严重的哈 尔滨铁路局为例,2004年该局所辖线路超过15 mm 以上冻害16123处,长334454 m,其中50 mm以上 部位有121处,长度达4323 IT1l2j。
对季节性冻土的工程性质,人们有一个认识深
化的过程。Taber等人于上世纪3O年代就开展了 对冻胀机理的研究,指出地下水及冻结速率对土体 冻胀量具有较大影响并观察得出粉质土为代表的细
颗粒土最易产生冻胀。上世纪60年代,Everett提 出了毛细理论,被称为第一冻胀理论_3 ;之后0 Neill和Miller等人提出了冻结缘理论,被称为第二 冻胀理论 ]。我国自上世纪五十年代后针对东北等
高寒地区工程建设的实际需要开始对季节性冻土的 工程性质进行总结和研究。对季节性冻土的冻胀分 级和冻胀敏感性等问题,工民建、铁路、水利等各行
