季节性冻土区隧道温度场分析与预测
第32卷第1期2012年2月
隧道建设
Tunnel Construction
Vol．32No．1
Feb．2012季节性冻土区隧道温度场分析与预测
杨旭1，2，严松宏2，马丽娜2
（1．兰州交通大学甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，兰州730070；
2．兰州交通大学土木工程学院，兰州730070）
摘要：为预防季节性冻土区隧道因防寒保温措施设置不足引发的冻害，研究季节性冻土区吐库二线中天山隧道温度场变化规律及其防寒保温参数。基于围岩温度场现场测试研究，利用ANSYS有限元软件，同时考虑水文地质条件、混凝土衬砌水化热、大气温度和地温随时间变化等影响因素，预测、比较隧道施加保温层和未施加保温层的冻融循环圈。总结出设置保温边沟和设置厚度≥5 cm、导热系数≤0．03W/（m·K）的保温层是必要和合理的。
关键词：季节性冻土区；隧道；现场测试；温度场
DOI：10．3973/j．issn．1672－741X．2012．01．011
中图分类号：U452文献标志码：A文章编号：1672－741X（2012）01－0057－04
Analysis on and Prediction of Temperature Field of Tunnels Located
in Seasonal Frozen Area
YANG Xu1，2，YAN Songhong2，MA Lina2
（1．Key Laboratory of Road，Bridge and Underground Engineering of Gansu Province，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou730070，China；2．School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou730070，China）
Abstract：The temperature field variation rules and thermal retardation parameters of Zhongtianshan tunnel on Turpan-Korla railway located in seasonal frozen area are studied，so as to avoid damages caused by insufficient thermal retarda-tion countermeasures．Prediction and comparison and contrast are made on the freezing-thawing cycle ring of tunnels with and without thermal retardation layers，by means of ANSYS FE software and on basis of field tests on the temperature field of the rock mass，with such influence factors as the hydrogeology conditions，the hydration heat of the concrete lin-ing，the atmospheric temperature and the ground temperature being considered．It is concluded that it is necessary to in-stall thermal retardation side ditches，as well as thermal retardation layers with their thickness being more than5cm and their thermal conductivity being smaller than0．03W/（m·K）．
Key words：seasonal frozen area；tunnel；field test；temperature field
0引言
季节性冻土地区隧道在建成后，由于气温等外界条件破坏原有的热平衡，使衬砌背后的围岩形成一个冻融交替的冻融圈，从而使衬砌结构处在冻胀力往复作用的不利环境中，常常造成衬砌严重开裂甚至破坏。季节性冻土区隧道常在春融期出现渗漏，并引发各种冻害，影响行车安全［1］。基于寒区资源开发和工程施工的需要，国内外有关学者对寒区工程进行了广泛关注和深入研究。如：张学富等［2］对多年冻土区涵洞现浇混凝土基础水化热的影响进行了数值分析；何春雄等［3］建立了寒区隧道围岩冻融状态模型，并对层流和紊流情况下的对流换热进行了数值模拟；赖远明等［4－5］对大阪山隧道保温效果进行了观察研究；赖远明等［6］还就寒区圆形截面隧道求得了温度场的解析解。以上学者对季节性冻土区隧道的温度场分布规律研究较少，本文以季节性冻区隧道吐库二线中天山隧道为背景，结合围岩温度的现场测试，运用传热学和冻土学的基本理论，考虑各种边界条件的影响，运用ANSYS有限元软件进行隧道温度场的瞬态分析，以确定合理的保温层设计参数，预防因防寒保温措施设置不足而引发的冻害。
1工程概况
吐库二线中天山隧道位于托克逊、和硕间中天山东段的岭脊地区，穿越中天山北支博尔托乌山中山山地，全长22．449km，为特长隧道，采用TBM法施工。
收稿日期：2011－07－22；修回日期：2011－11－17
作者简介：杨旭（1986—），男，陕西宝鸡人，兰州交通大学土木工程学院桥梁与隧道专业在读硕士，从事隧道与地下工程方面的研究工作。
隧道进口标高为1105m ，出口标高为1350m 。中天山隧道位于进口端，根据托克逊气象站多年资料，年平均气温为14．5?，极端最高气温为49?，极端最低气温
为－25?，年平均降雨量为8．63mm ，年平均蒸发量为2874．29mm 。
2
测试方案
2．1
现场测试方案
依托吐库二线中天山隧道寒区隧道，对该隧道采
用长达1a 多的实际温度量测。隧道内温度量测采用测温元件布置于围岩表面，
围岩内部温度用风枪在围岩上沿径向钻3m 深孔，采用测温元件沿隧道径向等间距布设测定。沿隧道径向布设3个测温元件，分别
位于径向1，
2，3m （如图1所示）。布设完测温元件后用棉花将孔口堵住，减少外界对孔内温度的热交换。
沿里程方向每隔50m 布置1个测温点
。
图1
温度元件沿径向布置示意图
Fig．1
Radial layout of temperature measuring instruments
2．2现场实测值
为方便对比分析，现仅取DK142+624处这一特
征断面的实测温度值进行分析说明。根据实测数据，各测点月平均气温的实测值变化曲线和洞外温度实测值曲线见图2和图3
。
图2
2010年各测试点月平均气温变化曲线
Fig．2
Curves of monthly average temperature measured at differ-ent monitoring points in 2010
3温度场模拟
根据中天山隧道衬砌断面图的实际尺寸来确定有
限元模型的大小，
取里程为DK142+624处这一特征断面进行瞬态有限元分析
。
图32010年洞外温度实测值曲线
Fig．3
Curve of temperature measured outside the tunnel in 2010
温度场模拟计算中：1）在考虑水文地质条件时并没有对隧道围岩的水作为一种材料类型，而是将水的性能和围岩作为一种材料来考虑，通过在现场采集岩芯做室内实验确定围岩在含水率15%情况下的导热系数为3．12W /（m ·K ）。2）以当地气象资料为依据拟合洞口温度边界条件的温度函数T =4．5+37sin （2π/365I ）（T 为随时间变化的温度，?；I 为
天数，d ）［7］。3）保温层材料的厚度设置为5cm ，导热系数取0．03W /（m ·K ）
［8］
。4）通过使用指数形式的水化热θ'=θ（1－e －mt
）来考虑施作衬砌后水化热的影响（θ为水泥最终水化热放热量，
kJ /kg ；m 为散热速率，
?/d ；t 为水化热的计算时间，d ）。根据入模温度（5?）及养护温度，m 取值为0．295?/d ［9－10］。5）由于地面受太阳辐射等因素影响，按正温2?考虑，下边
界温度按地温增温率3?/100m 计算［11］。
经验表明，在选取模型边界时，若取计算边界为隧道等效直径的3 5倍，则边界误差在10%以内［12］
。故本次温度场计算模型边界依上取定，整个断面取
136．52m ?115．94m ，隧道拱顶至上边界为65．022m ，隧道边墙到左右两侧计算边界为40．02m ，隧道底面向下到计算边界为39．998m ，采用映射网格划分，共5592个单元（见图4）。本次的温度场计算采用plane55单元进行计算分析。温度场模拟中所用到的热参数如表1所示
。
图4有限元模型Fig．4
Finite element model
85隧道建设
第32卷
表1
热力学计算参数
Table 1
Thermodynamic calculation parameters
材料密度/
（kg /m 3）热传导
系数/
（W/（m ·K ））比热/
（kJ /（kg ·?））
对流换热系数/（W/（m 2·?））
围岩
22003．121．0012初次衬砌混凝土25002．230．9212保温隔热材料600．032．0012
二次衬砌钢筋混凝土
2500
1．74
0．93
12
利用ANSYS 有限元软件计算后，得到2010年各测点温度计算结果，将各测点对应的温度计算结果与温度实测值进行比较，结果如表2所示。
对以上实测值与理论计算值进行比较后认为，温
度的总体趋势都符合实际温度的变化规律。考虑到工程实际量测中，可能存在特殊的一段时间温度以及现场量测的误差的存在；同时理论计算没有考虑岩体的裂隙，认为围岩是均质、各向同性的介质等；并且理论
计算时，
边界温度的施加是根据现场实测的温度拟合后施加在裸岩表面。这些都会影响两者数据的吻合
性，但从总体趋势上分析，计算数据与实测数据基本吻合。由此推断，拟合数据具有一定的科学性，可以指导后续计算，采用的有限元计算方法是合理的，能继续温度的计算及预测。
表22010年温度实测数值与计算结果提取值比较
Table 2
Comparison and contrast between measured temperature data and calculated temperature data in 2010
月份实测值/?0m 1m 2m 3m 计算值/?
0m 1m 2m 3m 与实测值的差值百分数/%
0m 1m 2m 3m 15．37．16．25．46．25．24．44．517．0－26．8－29．0－16．727．38．37．06．68．67．45．65．017．8－10．8－20．0－24．237．19．79．07．39．010．17．16．126．84．1－21．1－16．4414．014．710．88．615．613．09．07．511．4－11．6－16．7－12．8517．816．512．29．818．315．510．99．12．8－6．1－10．7－7．1618．017．715．110．819．516．912．510．58．3－4．5－17．2－2．8718．316．014．512．318．816．813．211．42．75．0－9．0－7．3818．115．713．112．916．415．313．011．7－9．4－2．5－0．8－9．3914．915．013．012．413．012．812．011．2－12．8－14．7－7．7－9．71010．611．411．011．69．410．010．410．2－11．3－12．3－5．5－12．1118．47．68．29．96．77．68．88．9－20．20．07．3－10．112
6．4
4．8
5．7
6．5
5．5
6．3
7．4
7．8
－14．1
31．3
29．8
20．0
注：0，
1，2，3m 为测温点沿径向距裸岩表面的距离。4温度场预测
沿用上述计算模型、边界条件和计算方法，预测未
来5a 隧道贯通后的温度场（见图5—8），
比较未施作保温层和施作保温层后隧道的温度场，为隧道内设置
防寒保温措施提供依据
。
图52014年2月无保温层温度场分布（单位：?）
Fig．5
Distribution of temperature field of tunnel without thermal retardation layer in February ，2014（?）
比较图5—8，在洞内温度为－10?左右时，不施
作保温层时0?的范围出现在2．09m （沿隧道径向均匀分布），施作保温层时0?的范围出现在2．01m （仅在隧道仰拱部位出现最大冻深，其余部位由于保温层
的存在，
0?的范围基本在围岩与支护接触的表面位置附近）；且最大冻深出现在最冷月过后1个月左右，
最大冻融圈位置较最冷月有延迟
。
图62014年2月有保温层温度场分布（单位：?）
Fig．6
Distribution of temperature field of tunnel with thermal re-tardation layer in February ，2014（?）
9
5第1期杨旭，等：季节性冻土区隧道温度场分析与预测
根据以上分析预测的温度场分布范围，结合实际隧道位置、地质、水文条件等，吐库二线中天山隧道属于季节性冻土隧道，且根据冻害分级属于中度冻害［13］，需要设置保温边沟。根据预测结果，施作保温层能有效防止隧道拱腰和拱顶处的冻害，在初期支护与二次衬砌之间设置厚度≥5cm、导热系数≤0．03 W/（m·K）的保温层在本隧道是必要的，并且需要在拱脚处设置保温边沟以保证排水顺畅。
5结论与讨论
1）通过对现场实测值和相同时间内的有限元模拟分析，对照相应点的温度分布，实测值与模拟值变化趋势相似。由于理论计算没有考虑岩体的裂隙，认为围岩是均质各向同性介质，理论计算温度的施加是根据现场实测的温度拟合施加在裸岩表面等，这些都会影响两者的吻合性。实测值和理论计算值比较后表明本文的温度场计算方法是可行的。
2）通过预测比较设置保温层和不设置保温层，不设置保温层最大冻深可达到2．09m，设置保温层能有效防止隧道拱腰和拱顶处的冻害。保温层应设置在初期支护与二次衬砌之间。实践证明，设置厚度为5cm、导热系数≤0．03W/（m·K）的保温材料能满足防止冻害的要求。
3）在有限元计算中，初始边界温度的选取对温度场计算结果影响较大，在同类隧道计算中建议以具体实测温度资料来确定。
4）本次计算模拟为进一步研究该隧道温度场及防冻保温措施提供了基础数据，可为类似季节性冻土区隧道建设提供借鉴。
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（下转第71页）
06隧道建设第32卷
需先排放K8和K9，再排放K7。此种排放方式排放①部需分5步完成，最长排放孔长度为39．2m。另外，在施工过程中无需太多的工序转换，便于施作，可操作性强，通风则可利用13号横通道形成巷道式通风，13号以后的横通道则应进行临时封堵密封，以防瓦斯逆流。
2）排放方式2可将K7，K8和K93层煤进行1次排放，排放①部需分8步完成，最长排放孔长度为46.2m。掌子面需沿着煤层倾向及走向倾斜开挖，但在斜面上不便于排放孔的施作，且超前支护及钢架等加强支护也不易施作，不能起到及时加强支护的作用，容易引起顶部坍塌，其通风方案同排放方式1。
3）排放方式3可将K7，K8和K93层煤进行1次排放，排放①部只需1步即能完成，能缩短排放时间，提高效率，最长排放孔长度为38．4m。此种排放方式时间最短，但排放横通道位于隧道拱顶上方，与出口平导高差较大；因此，出口平导需提前增大坡度上坡，且在排放完成后还需回填横通道及上坡段平导，由此产生的局部荷载不利于隧道结构的稳定，存在安全隐患。另外，为满足横通道施工、排放的需风要求，需单独在平导与横通道交叉处安装风机，供横通道施工及排放时使用。
通过对以上3种排放方式的研究分析，结合施工便利程度、通风及结构稳定性等因素综合考虑，建议新凉风垭隧道在穿越煤系地层地段距离较近的K7，K8和K93层煤时，采用排放方式1（即掌子面垂直的排放方式进行排放，先排放K8和K9煤层，再排放K7煤层，掌子面上布孔采用矩形行列结构）。由于现阶段新凉风垭隧道设计为初步设计，设计方案还没有得到实施、验证，本文仅做了方案比选，给出了适合于穿越多层距离较近的倾斜突出煤层的较优瓦斯排放设计方法，可为今后类似工程提供参考。
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17
第1期吴铭芳，等：倾斜突出煤层排放设计方法优选
季节性冻土施工方案
1.季节性冻土施工范围 1.1.季节性冻土定义和成因 当温度为0℃或负温，含有冰且土颗粒呈胶结状态的土称为冻土。土层冬季冻结，夏季全部融化，冻结延续时间一般不超过一个季节，称为季节性冻土层，其下边界线称为冻深线或冻结线。 路基土质、水分及冻结条件的不均一性，会产生不均匀冻胀，冻胀造成地面开裂；春季融化时，土体处于饱和状态，土颗粒间摩擦力降低至消失，在荷载作用下则千出现下沉、翻浆冒泥等病害。 1.2.季节性冻土范围 目前我国东北地区既有铁路冻害比较普遍、严重，路基冻胀和融沉使路基产生不均匀变形，破坏轨道的平顺性，成为影响铁路运行速度和安全的重大隐患之一，也给铁路养护维修千万很大的困难。 2.季节性冻土路基工程施工对策 2.1.季节性冻土路基防冻胀措施 为防止路基结构冻胀变形，主要是改善路基结构和填料及周围水分疏导，从形成起因减少冻胀力和冻胀性来防治冻胀，主要采取如下措施： 2.1.1.填筑非冻胀填料设隔防渗层 路基面以下冻结深度范围内填筑非冻胀性填料(非冻胀填料为细颗粒含量小于15%的A、B组碎石类土，基床表层70cm填级配碎石)，于基床表层下部铺设两布一膜不透水工布，土工布上下各设置0.1m中粗砂垫层。基床底层采用A、B组填料和C组块石、砾石类填料，有效的阻隔地表水渗入基床底层。
2.1.2.排水设施降、排水 在地下水埋深较浅段且路基高度小于季节性冻胀地段，考虑毛细水强烈上升高度，路基两侧设置降排水盲沟设施，使地下水降至季节冻深以下。对边沟积水的路段，尤其是低填方段设置集水坑将积水排除，挖方地段路基，加大边沟坡纵向排水坡度，将积水引导排到路基以外。 2.1. 3.防冻胀护道 为防止冻胀破坏路堤边坡，对地下水位较高地段，路堤坡脚两侧设置防冻胀护道，按设设计尺寸(高、宽均为2m),大于最大冻结深度。 2.2.季节性冻土路基施工工艺流程及要点 季节性冻土施工工艺流程如下图。
各地冻土深度参考
各地冻土xx 【冻土带范围】： 我国冻土带主要分布在北纬30度以北的广大地区，此线以南几乎不见冻土。西部川陕地区由于山脉地形屏障，北纬33度以南未出现过冻土现象。 【主要测站最大冻土xx】 杭州5厘米；上海至武汉一线8-10厘米；合肥11厘米；济南—西安45厘米；北京85厘米；兰州—银川103厘米；呼和浩特、沈阳120厘米以上；哈尔滨200厘米；长春150厘米；丹东、大连90厘米。 【冻土xx的影响】 冻土气象观测资料对建筑、工程施工、交通运输和农田水利建设都具有重要意义。在季节性冻土地区埋设输油管道和自来水管等地下管道时，需在冬季采取加热或绝热措施，或者深埋至最大冻土层以下，以免有冻裂的危险，但过深则会造成人力、物力的浪费；房屋地基也要在最大冻土深度以下，以保证坚固安全；春季冻土融化使道路返浆，不便行走和运输、并对农业生产和人民生活造成重大影响。 冻土最深的地方是在大兴安岭北部、新疆和青藏高原，例如，内蒙古的二连浩特和新疆的乌恰都在300厘米以上，位于新疆天山腹地的和静县巴音布鲁克气象站，曾记录到439厘米的深度，是我国冻土记录中的冠军。 在高山或高原上的冻土，有些年份常延至盛夏才能融化，还有至9月份未化完的，新的一年的冻土过程又开始了，实际上这些地区已逐渐向永久冻土层过渡。大约在年平均气温低于—5度，便会有永冻土存在，青藏公路昆仑山北坡、西藏北部安多地区永久冻土层厚达80—100米； 山西省海拔2896米的五台山气象站1976年修建上山公路，在顶段一米深也有经夏不化的永冻土存在。 我国xx面积约有
214.8万平方公里，主要集中在青藏高原和大小兴安岭地区。
季节性冻土地基处理方案及实例
季节性冻土地基处理方案及实例 摘要：季节性冻土具有冬季冻结和夏季融化的特性，其工程特性表现为冻胀及 融陷，对建筑物地基影响较大，本文结合工程实例，探讨了季节性冻土的地基处 理方案。 关键词：季节性冻土；地基处理；工程实例 季节性冻土是指按冻结状态持续时间，地壳表层冬季冻结而在夏季又全部融 化的土。依据土的类别、冻前天然含水率、冻结期间地下水位距冻结面的最小距离、平均冻胀率划分为不冻胀、弱胀冻、胀冻、强胀冻、特强胀冻五级。 季节性冻土作为建筑物地基，在冻结状态下，具有较高的强度和较低的压缩 性或不具压缩性。但融化后地基承载力大为降低，压缩性急剧增高，使地基产生 融沉；相反，在冻结过程中又产生冻胀，对地基不利。冻土的冻胀和融沉与土的 颗粒大小及含水量有关，一般土颗粒愈粗，含水量愈小，土的冻胀和融沉性愈小，反之则愈大。季节性冻土具有周期性融化、冻结现象，对地基的稳定性影响较大。 某易地扶贫搬迁项目按照规划及设计要求共建住宅 41 户，均为一层砖混结构，每户住宅由房屋、围墙及大门组成。该项目已交工两年有余，住户均已入住。但 大门在冬季由于地面隆起导致大门不能顺利开启，进入春季地面下降，大门可正 常使用，但大门和围墙连接处及大门门洞已出现裂缝及破损现象。分析原因，该 现象为地基土冻胀引起。 一、场地地层概况 根据野外钻孔编录，结合室内土工试验分析，场地地基土由耕土层①、粉 质粘土层②组成，各层土特征描述如下： 耕土层①（Q4ml）：黑褐色，不均匀，稍密，稍湿，结构疏松，富含有机质及植物根系，密实程度较差。层厚 0.50-1.00m。 粉质粘土层②（Q42al）：灰褐色，均匀，湿，呈可塑状态，局部可见砂砾 石颗粒和生物碎屑，含植物根系，水平层理，无摇振反应，稍有光泽，干强度中等，韧性中等。最大揭露厚度 9.50m，最大揭露深度 10.00m。 二、水文地质条件 场地最大揭露深度为 10.00 米，未发现地下水。 三、原因分析 1、地基土内水份在冬季由于温度降低结冰导致体积增大，引起地面膨胀，进入春季由于温度升高，地基土内冰体消融导致体积变小，引起地面缩减。本场地 情况符合地基土冻胀概念。 2、场地内粉质粘土层②含水量大，其含水量ω（%）介于21.9%-24.6%，平 均值为 23.1%，塑限含水量ωp（%）介于 16.9%-181%，平均值为 17.5%，依据 《建筑地基基础设计规范》（GB50007-211)的有关规定，该地基土为冻胀等级为 Ⅲ级，冻胀类别为胀冻，易引起地基土冻胀。 3、场地海拔高度较高，介于 2070-2080m，冬季天气较冷，平均气温低于-10℃，是地基土冻胀的外部原因。 四、地基处理深度确定 由于拟建场地位置较为偏僻，没有当地气象资料参考，依据拟建场地海拨高 度较城区（标准冻结深度 1.00 米）高 350 米左右推断，当地标准冻结深度为 1.20 米，因此地基处理深度按照 1.20 米计算。 五、地基处理的几种措施
季节性冻土地区道路冻深的研究
季节性冻土地区道路冻深的研究 发表时间：2017-07-14T16:04:09.723Z 来源：《基层建设》2017年第8期作者：高春元[导读] 摘要：冻深的确定是季节冻土区路基防冻设计的主要内容之一。根据察格高速公路典型路段道路冻深的现场观测资料，对确定道路冻深的各种现场方法的优缺点进行了对比，并且对影响道路冻深大小的气温、地下水位、土质和含水量、线路走向和路基断面形状等因素进行了分析探讨。 青海一达交通科技有限公司青海西宁 810000 摘要：冻深的确定是季节冻土区路基防冻设计的主要内容之一。根据察格高速公路典型路段道路冻深的现场观测资料，对确定道路冻深的各种现场方法的优缺点进行了对比，并且对影响道路冻深大小的气温、地下水位、土质和含水量、线路走向和路基断面形状等因素进行了分析探讨。 关键词：季节性冻土；道路；冻深 季节性冻土是指冬季冻结而春夏融化的土层，受季节气候影响明显。我国季节性冻土面积约为514万km2，占国土面积的53.5%。季节性冻土的冻胀和融沉作用对工程影响非常大，冻结时地层承载力大，解冻时融陷强度低。因此在季节性冻土地区进行公路、铁路建设时需严格考虑季节性冻土对工程的影响并采取适当的防范措施以保证冻土路基的稳定性。土体的冻胀将造成公路、铁路线路不平整，甚至影响行车安全，所以设计冻深的合理确定是保证冻土路基稳定的前提。土的冻结深度是冻结能力的体现，也是决定各种冻土地区工程防冻胀处理措施的主要指标。 1 设计冻深常用计算方法 1. 1 改进的斯蒂芬公式法 斯蒂芬公式是目前广泛应用的冻深计算公式，是基于冻深与气温之间相互关系得到的。最初始的斯蒂芬公式考虑因素过于简单，使得冻深计算精度误差较大，后经多年实践研究，对公式中热量进行修正，提出了改进的斯蒂芬公式： 2.1 气温 在建立气温与冻深的经验关系时，为了能够较真实地反映气温对冻深的影响，通常引入空气冻结指数Tkd的概念，用空气冻结指数代替气温变量，建立空气冻结指数与冻深的关系空气冻结指数是指某地在冻结期间的日平均气温tkd累积值的绝对值，冻结期为从本年度入冬时月平均气温在零下那一个月开始到来年初春月平均气温在零上那一月终止的一段时间，日平均气温为每天2点、8点、14点和20点四个时刻气温的平均值。冻结指数Tkd可用下式表示：
季节性冻土对工程的影响及防范措施资料讲解
季节性冻土对工程的影响及防范措施 冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土（数小时/数日以至半月），季节冻土（半月至数月）以及多年冻土（数年至数万年以上）。地球上多年冻土，季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50%，其中，多年冻土面积占陆地面积的25%。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。中国冻土可分为季节冻土和多年冻土。季节冻土占中国领土面积一半以上，其南界西从云南章凤，向东经昆明、贵阳，绕四川盆地北缘，到长沙、安庆、杭州一带。季节冻结深度在黑龙江省南部、内蒙古东北部、吉林省西北部可超过3 米，往南随纬度降低而减少。多年冻土分布在东北大、小兴安岭，西部阿尔泰山、天山、祁连山及青藏高原等地，总面积为全国领土面积的1/5 强。冻土地区气温低，土层冻结，降水少，流水、风力和溶蚀等外力作用都不显著，冻融作用则成为冻土地貌发育的最活跃因素。随着冻土区温度周期性地发生正负变化，冻土层中水分相应地出现相变与迁移，导致岩石的破坏，沉积物受到分选和干扰，冻土层发生变形，产生冻胀、融陷和流变等一系列复杂过程，称为冻融作用。它包括融冻风化、融冻扰动和融冻泥流作用。融冻泥流是冻土地区最重要的物质运移和地貌作用过程之一。一般发生在数度至十余度的斜坡上。当冻土层上部解冻时，融水使主要由细粒土组成的表层物质，达到饱和或过饱和状态，从而使上层土层具有一定的可塑性，在重力的作用下，沿着融冻界面向下缓慢移动，形成融冻泥流，年平均流速一般不足1米。由于泥流顺坡蠕动时，各层流速不一，表层流速大于下层，所以有时可把泥炭、草皮等卷进活动层剖面中，产生褶皱和圆柱体等构造形态。 季节性冻土指的是冬季冻结春季融化的土层。自地表面至冻结层底面的厚度称冻结深度。季节性冻土是受季节性的影响，冬季冻结、夏季全部融化。我国季节性冻土区面积大约513.7万平方千米，占国土面积的53.5%,其南界西从云南章凤，向东经昆明、贵阳，绕四川盆地北缘，到长沙、安庆、杭州一带。季节冻结深度在黑龙江省南部、内蒙古东北部、吉林省西北部可超过3米，往南随纬度降低而减少。季节性冻土的冻胀性、融沉性等特性对工程影响重大。所以在季节性冻土地区的工程建筑或项目应特别注意考虑季节性冻土对工程的影响及防范措施。
北方寒区季节性冻土对隧道工程的影响
北方寒区季节性冻土对隧道工程的影响 发表时间：2018-09-18T16:19:37.420Z 来源：《基层建设》2018年第26期作者：方贞 [导读] 摘要：季节性是影响施工安全、进度和质量的主要因素之一，因此在施工过程中应采取一系列的技术措施和管理措施来降低其影响。 中建二局第三建筑工程有限公司湖北省武汉市 430000 摘要：季节性是影响施工安全、进度和质量的主要因素之一，因此在施工过程中应采取一系列的技术措施和管理措施来降低其影响。冬季施工是保证工期的必要选择，我国北方寒区冬季施工亦在逐渐增多，所以探讨北方寒区冬季施工的特点、安全处理措施是很有必要的。 关键词：北方寒区；冬季施工；隧道；安全措施 一、寒区冬季施工特点及主要问题 寒区冬季施工特点：（1）冬季施工受施工条件和环境的不利影响，是各种安全事故的多发期。（2）隐蔽性、滞后性。冬季发生质量事故往往不易察觉，到春天解冻时，一系列质量问题才暴漏出来，因而会对质量事故的处理带来很大的难度，同时也会埋下安全隐患。（3）冬季施工的计划和准备时工作时间必须充分。如果准备时间不足，仓促施工，技术要求复杂，往往会诱发工程安全事故的发生。 寒区冬季施工主要问题：（1）季节性冻土影响边坡稳定。（2）季节性冻土影响隧道围岩稳定。 二.季节性冻土对边坡稳定的影响 2.1水分迁移对边坡稳定性的影响 对于土质边坡，冻结土表面随着温度升高逐渐融化，使土体含水量升高，抗剪强度降低，下层土体为一个近似不透水的冻结层，因此上层融化的水不能流入下层土体，只能沿交界面运动，形成流体状态的土，严重时会造成融冻泥石流和热融塌方等地质灾害。季节性冻土区土坡由于土的蠕变特性，安全度随时间降低，同时边坡安全系数随边坡土体的温度升高也不断降低，土体的流变性随含水量的增加而增加。 2.2冻融循环对边坡的影响 （1）冻融循环对岩质边坡的影响 在冻融交替作用下，季节性冻土区边坡稳定性将会受到影响。岩石边坡长时间冻融作用下主要表现为表层崩塌的破坏模式。岩石边坡发生破坏主要是由于内在因素和外在因素互相影响的结果，前者表现为地形地貌、工程地质等，后者表现为降水、热融变形以及冻融影响等。根据岩石冻融破坏原理，研究表明片落模式和裂纹模式是岩石发生冻融破坏的基本模式。另外，含水率的大小对岩石冻融损伤有重要影响，水分迁移引起的冰分凝增加对岩石冷生风化有很大程度作用。大量研究试验结果证明，岩石经过反复冻融后其抗压强度和弹性模量存在一定程度的降低，试样中旧有的裂隙明显加宽并诱生新的裂隙。 严寒的冬季常很少发生岩石崩塌现象，主要是因为低温条件下岩石强度和常温状态下相比要强，而且地下水和地表积水的渗流活动在低温情况下都受到约束。进入融化期间，岩石崩塌由于积雪及冻结岩石的融化常易发生。该阶段岩石边坡主要是表层发生破坏。这种作用在含水率高、存在大量软弱结构面的岩体中表现尤为显著。当岩石边坡表层发生冻结使地下水位上升时，裂隙表面水压力作用增强，从而引发边坡滑坡易造成较大规模的破坏。与空气接触的岩石边坡，当边坡表层在气温降到零度以下时变成冻结面。随着温度持续降低及作用时间延长，冻结面具有向内部延伸的趋势，由于水分的聚流作用向冻结面发生移动，边坡内部水分在裂隙面或空隙间向冻结面发生移动，使冻结面含水饱和度大大增加。当饱和度达到一定范围时，液固变换的膨胀力大于岩石抗拉强度，产生的岩石裂缝使岩石承载强度下降。综上所述，边坡的稳定性在冻融循环长时间作用下将引起滑塌，同时由于地质和地下水等的相互影响将引发更大范围的边坡破坏。 （2）冻融循环对土质边坡的影响 在冻融循环作用下，土体的物理和力学性质将发生四个方面的以下变化： ①渗透性，在岩土工程、土壤学和水力学等学科领域关于冻融对岩土渗透性作用的研究很多。此外冻融使土的结构性发生改变，从而使其在垂直方向渗透能力变大。②密实度，冻融会增大其孔隙比而使其密实度降低。③含水率，在冻融期间水分向相变交界面周围移动，冻结土在夏季的融化与多年冻土上限周围地下冰的生成密切相关。④力学性质，在较少冻融循环下，其变形模量会有大范围的减小，伴随细粒增多减少程度越大。因此，冻融循环造成变形模量降低。常认为冻结发生过程中土体密度以及土体结构性的变化造成土体强度的增大降小。冻融过程中含水量与强度呈负相关。在夏季，集中降水坡体含水量增大；常年冻融循环作用下，水分迁移使边坡上层土体含水量增多。而土体的渗透性在冻融发生过程中变大，使得大量水分迁移到边坡，上层土体处于饱或过饱和状态，尤其新幵挖的人工边坡表现明显。在各种因素综合作用下，多年冻土土质边坡稳定性降低。 2.3季节性冻土地区边坡失稳的类型 边坡失稳按照其成因可以归纳为以下四种类型： （1）蠕变型滑坡 冻土区的特殊性是冰以及冰一土胶结结构形成了冻土蠕变变形的特征。在低应力情况下，边坡岩土体即具有蠕变行为，不论边坡的陡缓均可能具有蠕变变形。高富冰区的冻土是非衰减蠕变，周期性蠕变作用导致边坡失稳。另外，由于孔隙间水气冻化凝结形成的粒状冰，融解水渗流过程中结冻成冰透镜体，因此在多年冻土区边坡工程中，含有较为发育的土夹冰层、饱和冰和富冰冻土层，甚至部分地区在粗碎岩体积聚内部填充有地下冰。含冰量越多，边坡就具有较强蠕变性。边坡产生变形主要包含两阶段。第一阶段是冻结时边坡土体沿坡面垂直方向隆起，融沉时沿法线方向降落而顺下坡发生移动；第二阶段是处于融化期的季节融化层在自重影响下沿顺坡方向的流变以及蠕变发育过程。 （2）冻结滞水型滑坡 在适合环境下，边坡表层土体发生冻结时，促使边坡内部地下水不断富集和伸展，边坡的冻结滞水效应使岩体抵抗强度减小、静水压力及动水压力升高等，边坡的整体稳定性降低，变形破坏的加速促发滑坡产生。冻结作用作为外动力因素加速冻区边坡整体变形并引发滑坡发生。其作用特殊性主要是坡体冻结使地下水的渗流状况改变，坡体地下水逐步富积，坡体含水量增大、软化区域扩展、减小强度以及动静水压力增大，使边坡整体稳定性减小。“季节性冻结滞水促滑效应”产生的必备因素就是地下水脉状分布状态和泉眼的排泄方式。季节
冻土处理
国道318线公路改建季节性冻土路基的施工技术 国道318线公路改建季节性冻土路基的施工技术 关键词：公路工程;软土路基;施工技术 【摘要】国道318线是四川通往西藏的主要通道，在西部大开发战略中具有重要地位。本路段处于高海拔地区，由于季节性冻土的原因使得公路改建较为困难，本文就国道318线公路改建季节性冻土路基的施工进行了简要论述。 【关键词】高海拔地区；季节性冻土；路基施工 一、工程概况 国道318线是四川和西藏间的省际干线公路，是国家实施西部大开发战略8条干线公路之一，四川东俄洛至海子山段公路是西部大开发省际公路通道成都至樟木口岸的重要组成部分，是四川通往西藏的主要通道。本路段处于高海拨地区地形地质复杂，公路病害多，整体路况差，通行能力弱。加快实施改建，在政治、经济、军事等方面均具有十分重要的意义。D10合同段位于四川省甘孜州雅江县境内，处于海拔4200～4600m高程，受气候影响较大，年、日温差大，无霜期短，虽总体降水量小，但降雨集中。冬季冰雪覆盖无法施工，有效施工期短。有季节性冻土路基183段，处治长度24000m。其路基施工有两个重点：一是要保证通风路堤填筑密实有效，高边坡路堑开挖、换填处理良好；二是要尽量控制季节性冻土路基施工质量，防止引起冻胀、融陷、滑坍等病害[1]。 二、季节性冻土及成土条件 季节性冻土指的是冬季冻结春季融化的土层。自地表面至冻结层底面的厚度称冻结深度。 形成的主要条件是气候，最显而易见的是气温。此外，维度、地形地貌（即海拔高度）、土壤湿度、地层岩性、地表覆盖条件等对季节性冻土的形成均产生影响[2]。 三、季节性冻土对路基的危害 冻土的危害主要分为冻胀和融陷两种，冻土是指土冻结时由于所
公路季节性冻土路基施工工艺及方法
公路季节性冻土路基施工工艺及方法 一、编制依据 《公路路基施工技术规范》（JTG F10-2006） 《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80-2004） 《公路路基施工技术规范》（JTG F10-2006）释义手册 二、适用范围 适用于冻土地区公路路基工程。 三、交底内容 1、施工准备 1)审核施工图纸，澄清有关技术问题，熟悉规范和技术标准。 2)利用已批复的水准点、导线点定出路线边线、中线及标高控制点。 3)会同设计单位现场交接标桩及施工复测，贯通线路中线及水平，对中线控制桩要测设护桩并作记录。边桩根据贯通后的中线水平测设。在地形、冻土地质条件变化处加测施工断面。施工便道贯通，平整场地。 4)根据实际编制实施性施工组织设计，在编制中力求考虑周到，措施得力，便于操作。并上报监理工程师批复。在开工前组织技术人员认真学习实施性施工组织设计，详细核对设计文件，搜集施工地段的多年冻土工程地质、水文地质资料，了解多年冻土层的岩性成份、工程类别、季节融化层以及地表植被覆盖情况等。对参加施工人员进行上岗前技术培训，考核合格后持证上岗。 5)施工便道贯通，平整场地，根据设计文件要求，进行测量放样，进行相关物资准备，检修施工机械等。 6)施工相关材料应符合质量要求，并已进场，有相应土源。 2、材质要求 1)路床填料宜优先选择矿渣、炉渣、粉煤灰、砂、砂砾石及碎石等抗冻稳定性较好的材料。 2)路床或上路堤采用粉土、粘土填筑时，可按设计要求使用石灰、水泥、土壤固化剂等单独或混合进行稳定处理，填料的改善或处理应根据路基抗冻胀性能要求，结合填料性质经试验确定。 3)冻土、非透水性过湿土不得直接填筑下路堤。 3、季节性冻土地区路基施工工艺流程：
高三地理冻土问题
青藏铁路要穿越“千年冻土”区，必须攻克的难题之一是：只有设法保持该区域的冻土不受夏季高温影响，确保路基坚固、稳定．大家都知道：严寒的冬季，冻土是坚硬的，而外界气温升高时冻土会熔化，使路基硬度减弱，甚至变软，火车的重压会使路基及铁轨严重变形．因此，如何确保冻土的状态在夏季与冬季一样，就成了必须解决的难题．我国科技工作者创造性地解决了这一难题，并且，其中的三个关键措施都只运用了简单的物理知识． 一是“热棒”：被称为不用电的“冰箱”．在冻土区，路基两旁插有一排碗口粗细、看上去像护栏的金属棒，这就是“热棒”．它们的间隔为2m，高出路面2m，插入路基下5m．棒体是封闭中空的，里面灌有液态的氨，外表顶端有散热片．我们知道，酒精比水更容易变成气体，而液态氨变成气体比酒精还要容易．正是液态氨在“热棒”中默默无闻地工作，使它成了在夏季保持路基冻土的“冰箱”． 二是“抛石路基”，被称为天然的“空调”．在冻土区修筑路基时，其土层路基的中间，抛填了一定厚度的碎石块，碎石之间的空隙不填实，并且与外界空气相通．这样的结构具有“空调”的功能，使得冻土层的温度基本不随外界气温变化，能有效地保持冻土的稳定性． 三是“遮阳板路基”，又称旱桥：被称为隔热“外衣”．遮阳板路基，是在路基的边坡上架设一层遮挡太阳的板材，能有效地减弱太阳热对路基温度的影响．热棒工作原理 在可可西里地区，在铁路和公路两旁可以看到很多竖立的“铁棒”，有关技术人员说，这其实是一种高效热导装置，叫做“热棒”。车站工作人员告诉记者，热棒是青藏铁路在运营过程中处理冻土病害、保护冻土的有效措施。 据了解，热棒是一种由碳素无缝钢管制成的高效热导装置，5米埋入地下，地面露出2米。具有独特的单向传热性能：热量只能从地面下端向地面上端传输，反向不能传热。在冬季，热管内工作介质由液态变为气态，带走管内热量；在暖季，热棒则停止工作。独特的冷却地温的作用使热棒堪称“魔棒”。 热棒的结构大致为一个密闭空心长棒,内装有一些液氨,液氨沸点较低,在冬季土中热量使该液体蒸发,到顶部，通过散热片将热量传导给空气，冷却后又液化回到下部，保持冻土冷冻状态不松软。在夏季，液体全部变成气体，气体对流很小，热量向底部传导很慢。 中圣研制开发了中国人自己的冻土治理技术——低温热棒，成功解决了40多年来一直困扰中国科学家和青藏铁路建设者的重大技术难题——青藏铁路路基多年冻
浅谈季节冻土区冻土冻胀原理
浅谈季节冻土区冻土冻胀原理 摘要季节冻土区冻土冻胀造成工程破坏，影响工程正常使用。我们只有熟悉和了解冻土成分、结构、物理性质、土体的冻胀、冻胀的影响因素，才能结合实际情况采取相应的工程措施，使土体的冻胀破坏对工程影响最小。 关键词冻土区构造冻胀原理 随着我国经济建设的发展，在冻土地区各项工程建设也在大规模进行。冻土作为建筑物的地基有着不同于融土的很多特性，如果不能正确认识它、了解它的性能，仍按常规融土地基设计理论与方法进行各项工程设计和施工，势必造成工程破坏，影响工程正常使用。 了解冻土的目的在于了解其成分、结构、性质和状态；从而了解其冻胀现象、规律以及工程因素对其的影响，从而更好的认识、掌握在冻土区进行工程建设的理论与方法。 一、冻土 凡是温度等于或低于0℃以下，并含有冰胶结层的土为冻土。土的冻胀和融沉对建筑物的危害，均是由于图中水相变所致。土体冻结时，不仅其温度处于0℃以下，更重要的特征是其中有冰的存在，它使得原来松散的介质，表现出固体的性质，其物理-力学性质有很大改变，例如抗压强度增大、压缩性减小等，而融化时，由于抗减强度的下降，造成工程的破坏或失事。 1.冻土的基本成分。冻土由固体部分、液体部分和气体部分组成。固体部分由土的骨架和负温矿物组成。冻土的骨架一般是矿物和极少数的有机沉淀物；负温矿物包括水、冰盐合晶和负温下结晶水化物，其中冰的形成和特征以及与冻土骨架相对数量和空间排列，对冻土性质影响极大。液体部分是未冻水。这种水是各种可溶物质的自然水，它在冻土中被吸附在土颗粒表面，作为吸附水存在。气体部分有水蒸气、空气、沼气以及其他气体。处在自由状态和吸附式密封状态。自由气体的数量取决于土的孔隙度，吸附气体的数量与冻土骨架的数量、成分和孔隙有关，并与冻土有机含量相关。 2.冻土的结构。冻土的结构是指微观上的矿物质点及其聚合物、冰晶的形状和大小以及冰胶结的形式。 3.冻土的构造。根据冻结强度、边界条件、土体从单向冻结还是从多向冻结、有无地下水源补给条件等，决定着在冻结过程中冻土中冰晶体的形状、大小及与矿物颗粒间的相对排列方式，从而形成不同的冻土构造。在天然地层中经常遇到的情况，冻土的构造有整体状构造、层状构造、网状构造及冰包裹状构造。 4.冻土的物理性质。（1）含水率。冻土中所含的冰的质量和未冻水质量之和与土骨架质量之比。冻土中的水分是最活跃的因素，它沿着深度的分布和随季节的变化而不断变化。其变化规律与冻土的物理-力学性质有着密切关系。含水率大的土，一般冻胀性较大，对建筑的危害也较大。 （2）含冰量。冻土中所含各类型冰的总和。 （3）未冻水量。冻土中的液态水称为未冻水，分为冰点下降了的水和过冷状态的水两类。未冻水使土颗粒被冰胶结的强度下降，冻土的强度降低，对冻土的性质影响极大。 （4）冻土的质量密度。冻土的质量密度是冻土的基本物理指标之一，它是冻土地区建筑物设计中，计算冻融深度、冻胀、融沉、保温层厚度以及检验地基强度等方面不可缺少的重要指标。土冻结后，由于土中水相变成冰体积膨胀，致使整个土体的体积较之冻前增大，冻结状态的土的质量密度较之冻前为小。 二、土体的冻胀 土体的冻胀主要是土中含有水分，当土体冻结时，将有部分水相变成冰，而相变成冰的体积
高三地理冻土问题精选
高三地理冻土问题 青藏铁路要穿越“千年冻土”区，必须攻克的难题之一是：只有设法保持该区域的冻土不受夏季高温影响，确保路基坚固、稳定．大家都知道：严寒的冬季，冻土是坚硬的，而外界气温升高时冻土会熔化，使路基硬度减弱，甚至变软，火车的重压会使路基及铁轨严重变形．因此，如何确保冻土的状态在夏季与冬季一样，就成了必须解决的难题．我国科技工作者创造性地解决了这一难题，并且，其中的三个关键措施都只运用了简单的物理知识． 一是“热棒”：被称为不用电的“冰箱”．在冻土区，路基两旁插有一排碗口粗细、看上去像护栏的金属棒，这就是“热棒”．它们的间隔为2m，高出路面2m，插入路基下5m．棒体是封闭中空的，里面灌有液态的氨，外表顶端有散热片．我们知道，酒精比水更容易变成气体，而液态氨变成气体比酒精还要容易．正是液态氨在“热棒”中默默无闻地工作，使它成了在夏季保持路基冻土的“冰箱”． 二是“抛石路基”，被称为天然的“空调”．在冻土区修筑路基时，其土层路基的中间，抛填了一定厚度的碎石块，碎石之间的空隙不填实，并且与外界空气相通．这样的结构具有“空调”的功能，使得冻土层的温度基本不随外界气温变化，能有效地保持冻土的稳定性． 三是“遮阳板路基”，又称旱桥：被称为隔热“外衣”．遮阳板路基，是在路基的边坡上架设一层遮挡太阳的板材，能有效地减弱太阳热对路基温度的影响． 热棒工作原理 在可可西里地区，在铁路和公路两旁可以看到很多竖立的“铁棒”，有关技术人员说，这其实是一种高效热导装置，叫做“热棒”.车站工作人员告诉记者，热棒是青藏铁路在运营过程中处理冻土病害、保护冻土的有效措施. 据了解，热棒是一种由碳素无缝钢管制成的高效热导装置，5米埋入地下，地面露出2米.具有独特的单向传热性能：热量只能从地面下端向地面上端
季节性冻土施工方案
国道318线东海路改建工程D6合同段 季节性冻土处理 施工方案 榆林市天元路业有限公司 国道318线东海路改建工程D6合同段项目部 2012年5月28日
季节性冻土处理施工方案 一、工程概况 本标段起讫桩号K42-040～K61+741.8，全长19.7km。其中除K54+698.5三道桥小桥、k57+405日斗中桥外，其余均为季节性冻土处理段。处理方式为换填及填筑砂砾石，总共挖土方为52180m3,回填砂砾石为84144 m3，铺设防渗土工布为161046m2,路床补充碾压为167081 m2。 二、施工特点 （一）路基低填方段和湿软路基基底处理采用透水性好的砂砾换填，砂砾石因材料空隙大，形成的毛细管少，减少了地下水的上升。还可以减少冻胀路基土方的厚度，减轻冻土的膨胀程度，消弱冻胀土的抬拱力。 （二）在考虑冰冻深度影响的同时，采用纵、横向渗沟加强地面和地下排水并降低地下水位，将地下水汇集于沟内，并通过沟底通道将水排至指定地点。使土基保持干燥，减少冻结过程中水分聚流的来源。 三、工艺原理 针对季节性冻土区路基冻胀产生的原因，结合已有季冻区施工经验，通过隔断地面水的渗入和毛细管水上升的途径，从而降低地下水位，减少路基填料中的原始含水量，使之保持在最佳含水量附近，从而切断聚冰过程中的供水来源。进而有效的预防由于施工中填筑材料及工艺不合理造成的路基冻胀，保证通车后的道路质量。 四、基底处理 1、清除路基范围内的杂物，根据测工放样的高程推除积土，达到设计高程后，用压路机进行碾压至设计规定压实度标准。
2、粘性土、砂性土基底路段，按现场实际情况挖除原地基土，换填砂砾并分层压实，保证路槽下压实度。 3、要保证结构层下填筑高度不足50cm地段，其处理深度必须达到50cm。 4、路基基底范围内的植被、腐殖土及树根必须全部按设计要求清除。清基进度要与施工进度相对应，基底暴露时间不能过长，以免受水浸害。 五、施工方法 1、路基施工开工前，应在全面理解设计要求和设计交底的基础上，进行现场 2、进行现场恢复和固定路线。内容包括导线、中线的复测，水准点的复测与增设、中线放样及路基放样等。 3、路基填筑高度也尽可能控制在1.5米以上，处治措施主要是加强地表截排水、降低地下水位，采用粗颗粒材料填筑等。当路床范围填料粒径d≤0.074mm 的细颗粒含量≥7%时，应进行换填处理。路堤范围填料粒径d≤0.074mm的细颗粒含量不得大于15%。 4、对路堤填筑高度小于1.5米得季节性冻土路段，视为零填路段，其路床范围采用砂砾石材料换填。下设高强土工材料或2~4cm碎砾石作为纵向渗沟的形式进行排水。同时还应视地形情况酌情加深排水沟，以降低地下水位。根据地形情况，纵向渗沟每隔50~100m设置一道横向渗沟，将地下水引出路基之外。 5、对路堤填筑高度大于1.5米得季节性冻土路段，一般于原地表铺设50cm 厚砂砾石垫层，以加强地表排水，减弱毛细水上升，垫层以上路基体则选用粗颗粒类土填筑；路床处理方式同零填路基。 6、对处于挖方的季节性冻土路段，路床处理方式与零填路基一致，但其两
季节性冻土的冻结和融化
3.1冻融土壤的物理学特性 在季节性冻土的冻结和融化过程中，冻融土壤的物理学特性会发生改变，具有不同于非冻结土壤的特点。所以从分析物理成因着手，分析冻土的物理学特性的变化是研究冻土的冻融过程和冻融规律的很重要的基础环节。 3.1.1季节性冻土的物质组成 未冻土是复杂、多孔、疏松而分散的多相体系，由土壤颗粒、土壤孔隙水、土壤空气三相物质组成。当土壤温度下降并低于o 0c，土体中的液态孔隙水部分转变为固态的冰，此时冻土由土壤颗粒、纯净的冰、土壤孔隙水、汽四相组成，土壤颗粒和冰组成了土体的基本骨架，各相所占的比例关系往往决定了土壤的各相物理特征。为了便于研究，通常将土壤中的三相物质组成绘成土壤三相组成草图，见图3-1(郑秀清，Zoo2>。图3-1中符号Y和m分别表示体积(cm3cm)和质量(g)，下标分别表示相应的各相。 图3-1冻融土壤三相组成草图 当自然条件有变化时，冰的组成结构和粘滞性等相应会有显著的变化，这种变化既决定了冰性质的不稳定，同时也决定了冻土性质的不稳定性。 土壤尤其是细颗粒土壤冻结时，土壤水分发生相变，即部分水冻结成冰，这是冻土与非冻土的根本区别。在相应温度下，冻土中始终存在着部分未冻结的液相水，即未冻水。由于土粒吸引力的作用，未冻水具有较高的粘滞性，其容重大于常温常压下水的容重，其相变温度点(冰点:冻结温度)低于0 0C o 土壤的物质组成包括粒度组成、矿物组成和化学组成三个方面。冻融土壤的粒度成分和矿物组成对土壤中未冻水含量具有直接的影响(崔托维奇H A, 1959)。土壤颗粒表面的性质和孔隙结构决定着土壤的持水能力及距土壤颗粒表面不同距离水分所受力的大小，同时也决定了土壤水分随温度的相变规律，并影响不同状态及过程的水分迁移。 3 .1.2冻融土壤的热物理特性参数
季节性冻土处理
季节性冻土的处理 1、由于本合同段全线属季节性冻土区，其中K218+000~K225+700段较为严重，海子山海拔4300米以上，每年9月中旬开始冻结，冻结厚度0.2米，随温度的降低，冻结深度逐渐加大，来年3月份全部融化，最大冻结深度达3米，该路段以块石土，含砾低液限粉土和细粒土质砾为主，在初春季节受水、雪融水影响，地下水们较高，易形成冻害，造成路基翻浆、沉陷，使刚性路面错缝或拆断，冻融使桥梁、涵洞发生少量下沉和不均匀下沉，引起开裂破坏。因此，冻土的冻胀及融化都会对工程带来危害，必须采取必要的防治措施，贯彻以防为主，防治结合原则，如提高路基标高、设碎石垫层或盲沟，在路基两侧设保温护道，挖积雪、降水坑等方法。 2、翻浆地区路基首先必须注意切实做好路基排水，保证路基填土高度和压实要求，由于施工过程中排水措施不好，或完工后未形成完整有效的排水系统，至使往往通车后不久，季冻区路面损坏，因此如何防止路基表面水渗入，降低地下水们，减少路基原始含水量，切断聚冰过程过程中水的供给源，在施工中应充分考虑，给予足够的重视，做好路槽范围内的排水，设置碎石隔水层，做好路基防排水及保温措施，一般应保证边沟底距路基边缘的高差不小于1.5米，路基采用粗颗粒砂砾土填筑，基底设置一层50厘米厚砂砾石或碎石透水层，路基填方高度小于1.5米零填路段或零挖路段，路床范围冻融层细颗粒（<0.02mm）含量>5%时应予以清除，换填碎石或碎砾石，设置一层防渗土工布，并应加深排水沟，降低地下水位。
2．1 换填土：换填土采用水稳性好，冻稳性好，强度高的粗颗粒填料换填路基上部，换填选料原则：冻胀时路面不产生有害变形，冻融时路床承载力不下降，换填厚度应控制在最大冻深的70%~100%。 2．2 横向盲沟降水：道路纵坡大于3%的坡腰翻浆路段，当路面基层采用透水性材料时，为能及时排出透水层内的纵向水流和春融期土基化冻时的多于水份，可在路槽下设置横向盲沟可设置成人字形，纵向间距一般为10米，沟深20~40厘米，宽40~50厘米，填以砾等透水性良好材料，出口按一般盲沟处理。 2．3 管式渗沟降水：挖方地段为降低路基附近的地下水位，采用有管渗沟为拦截并排除，流向路基的层间水，采用截水渗沟疏排。为防止渗沟被淤塞，根据现地条件，必要时可采用土工布外覆盖层以维护渗沟的通畅。 2．4 砂（砾）垫层：铺设砂（砾）垫层防治翻浆作用在于隔断毛细水上升，冻融期具有蓄水排水作用，且在冻结或融化时，砂（砾）垫层的体积变化不大，因而可减轻路面冻胀和融沉。 2．5 土工布排水：采用土工布排水是在路基上部一定深度平铺过滤型土工布，其上铺填30~40厘米砂砾层，然后继续填土至路基顶面。 2．6 设置隔离层：为防止翻浆，可在路基一定深度处设置隔离层，隔离层宜高出地表水面25厘米，有效厚度一般为20厘米，用碎石、砾石、土工布等铺成，为防淤塞，可在上、下设3%~4%的横坡以利排水，不透水隔层多适用于不透水路面的路基中。
【2017年整理】多年冻土施工方案
1）概述 本合同段土石方总数为ⅩⅩⅩm3，其中填方ⅩⅩⅩm3，挖方ⅩⅩⅩm3。填方主要分布在KⅩⅩ+ⅩⅩⅩ~KⅩⅩ+ⅩⅩⅩ段，最大填土高ⅩⅩⅩm其中KⅩⅩ+ⅩⅩⅩ~KⅩⅩ+ⅩⅩⅩ段，设计为通风管加土工格栅等复合路堤。KⅩⅩ + ⅩⅩⅩ～KⅩⅩ+ⅩⅩⅩ段经过冻土沼泽，湿地地段。挖方主要分布在K ⅩⅩ+ⅩⅩⅩ ～KⅩⅩ+ⅩⅩⅩ段。最大挖深ⅩⅩⅩ m 。路堑基底和边坡设置保温层，路堤设置保温护道。 2）施工方案 （1）路堤施工：避开寒季，安排在暖季（即5月至10月初）施工。人工铺设土工格栅、保温材料，配合机械安装通风管。集中人力，运输及机械设备，逐段施工成型逐段防护的施工方法。 （2）路堑施工：避开暖季，安排在寒季施工（即10月初至次年5月初），采用沙漠自行式潜孔钻机成孔，非电微差起爆，机械挖运出土，逐段成型逐段防护的快速施工方法。 3）人员、料具、设备配备及劳动生产率 (1)设备配备 序号名称类型（种类型号）额定功率KW 吨位(t) 容量(m3) 产地台班产量备注 1 挖掘机 PC400 16 2 1.6 日本小松 750m3 2 推土机 D155A 235 33.5 日本 510m 3 距离50m 3 自卸汽车NISSAN 250 15 日本日产 200m3 运距1km 4 平地机 GD705R-2 134 17. 5 日本小松 5 压路机 YZ18 132 18 中国洛阳 13600m2 6 潜孔钻机沙漠自行式 640m (2)人员 序号人员数量备注 1 技术人员 4 2 试验人员 2 3 机械操作人员12 设备以1为单位配备 (3)材料：通风管，土工格栅，钢筋，火工品，土工织物，保温材料，保温材料，砂砾等。 4）施工方法与工艺措施 (1)路堤施工
对季节性冻土的认识
季节性冻土对工程的影响及防范措施 摘要 季节性冻土【seasonal frozen soil】指的是冬季冻结春季融化的土层。自地表面至冻结层底面的厚度称冻结深度。季节性冻土是受季节性的影响，冬季冻结、夏季全部融化。我国季节性冻土区面积大约513.7万平方千米，占国土面积的53.5%,其南界西从云南章凤，向东经昆明、贵阳，绕四川盆地北缘，到长沙、安庆、杭州一带。季节冻结深度在黑龙江省南部、内蒙古东北部、吉林省西北部可超过3米，往南随纬度降低而减少。季节性冻土的冻胀性、融沉性等特性对工程影响重大。所以在季节性冻土地区的工程建筑或项目应特别注意考虑季节性冻土对工程的影响及防范措施。本文对季节性冻土的影响因素、分类、各种工程的影响及防范措施作了简要概述。 关键字：季节性冻土冻胀因素冻胀危害融沉防治 影响土的冻胀性因素 影响土的冻胀性因素很多,如土的颗粒组成、土的矿物成分、含水量、土体密度、土中温度及梯度等,但归纳起来主要有三个方面,即通常所说的土、水、温三大要素 1土中含水量对冻胀的影响 国内很多资料表明,土中冻前含水量对冻胀有一定影响,但不是全部水分,而是超出起始冻胀含水量的水分,其关系式用下式表达: η=α(W - W p ) 式中:η—冻胀率( %) W —冻土层内冻前平均含水量( %) W p—起始冻胀(相当塑限)含水量(%) α—系数。 关于系数α,目前各家取值不一。如中国科学院兰州冰川冻土研究所、哈尔滨建筑
工程学院和黑龙江省寒地建筑科学研究院等是根据理论计算给值,即考虑粘土在封闭系统情况下最大可能产生的平均冻胀率η: η=1.09γd(W- W p)/2γW≈0.8(W-W p) 式中:γd—土的干容重(1500kg/m3) γW—水容重 另一些单位和学者则根据室内实验提出α值，如大庆油田设计院取α为0.67，建工部建筑研究院则取α为0.3 2地下水对冻胀的影响 地下水作用于冻胀的机理,归根结底就是冻土中水分迁移的问题。地下水位的高低对冻胀影响可定性描述为：地下水位越浅,土的冻胀量也越大。土质条件相同时,地下水埋藏深度与土体冻胀性近于反比关系。如果地下水位在临界深度以内且其他条件保持不变,在冻结过程中,冻胀量逐渐增大,地下水位呈下降趋势。 季节性冻土对砖木结构起脊房屋的危害分析 寒冷及严寒地区,季节性冻土冻结时膨胀强度高(或承载力大),解冻时融陷强度低(或承载力小),对冬期和春融期施工增添了一定的难度和复杂性。如考虑不周或不加重视,就可能会导致不同程度的工程质量事故的发生，如建筑物墙体开裂。 为了避免这类事故的发生,在冬期进行地基基础施工时,除了在砌筑砂浆或混凝土中掺防冻剂外,还应做到随挖基槽,随砌筑基础,随回填土方。按采暖设计的房屋基础顶面和两侧做好覆盖保温工作。 季节性冻土地区铁路路基冻害及其防治措施 路基冻害的分类 根据铁路沿线季节性冻土地区所出现的铁路路基冻害现象，进行归类总结，主要形成了冻胀、融沉、翻浆冒泥等三种路基病害。 1冻胀 冻胀是指由于土的冻结作用而造成的体积膨胀现象，这是季节性冻土区常常遇见的铁路病害。冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀两类，原位冻胀是指冻结锋面前进过程和已冻土继续降温过程中，正冻土中的孔隙水或已冻土中的未冻水原位冻结，造成体积增9％；而当土体冻结以后，由于土颗粒表面能的作用，土中始终存在未冻结的薄膜水。在温度梯度的诱导下，薄膜水会从温度高处向温度低处迁移，正是由于水的抽吸作用使水分集聚在前进的冻结锋面
近50年来中国季节性冻土与短时冻土的时空变化特征_陈博
第32卷第3期2008年5月 大 气 科 学 Chinese Jo urnal of A tmospheric Sciences V o l 132 N o 13 M a y 2008 收稿日期 2006-12-13,2007-03-15收修定稿 资助项目 国家重点基础研究发展规划项目2006CB403600,公益性行业(气象)科研专项GYH Y200706005作者简介 陈博,男,1983年出生,硕士,主要从事中国冻土与气候关系的研究。E -m ail:cb @https://www.wendangku.net/doc/154332222.html, 近50年来中国季节性冻土与短时冻土的 时空变化特征 陈博 1,2 李建平 1 1中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室,北京 100029 2中国科学院研究生院,北京 100049 摘 要 在对中国冻土气象观测资料整理和分析的基础上,研究了中国冻土分布的时空演变规律。主要分析了中国冻土分布的季节变化、冻土深度的空间变化,以及冻结日期、解冻日期、冻结时间长度的空间分布特征,同时也分析了以上各要素的时间变化特征。结果表明:中国冻土分布广泛,在我国东部的长江以北地区、西北地区及青藏高原地区均有分布;其中季节性冻土具有显著的年内变化特征,冻结一般从秋季开始,冬末春初冻结的面积和深度达到最大,春季逐渐开始融化,夏季冻结的面积和厚度达到最小;冻土的冻结过程和融化过程表现出各自不同的特征,整个中国地区冻土的融化过程所持续的时间比冻结持续的时间长,也更为复杂,这与地形及土壤特性有着密切的关系;近几十年来,在全球变暖背景下,中国冻土主要表现为最大冻土深度减小,冻结日期推迟,融化日期提前,冻结持续期缩短,以及冻土下界上升的总体退化趋势,冻土的主要转型时期发生在20世纪80年代中期。 关键词 冻土 时空分布 变化趋势 年代际变化 文章编号 1006-9895(2008)03-0432-12 中图分类号 P461 文献标识码 A Characteristics of Spatial and Temporal Variation of S easonal and Short -Term Frozen Soil in C hina in Recent 50Years CH EN Bo 1,2 and LI Jian -Ping 1 1S tate K ey L abor atory of N umerical M od eling f or A tmosp her ic S ciences an d Geoph ysic al Fluid Dynamics ,I nstitu te of A tmos -p her ic P hysics ,Chinese A cad emy of S cie nces ,B eij in g 1000292Gr adu ate Univ ersity of Chinese A cad emy of Sc ienc es,Be ij ing 100049 Abstract Based on the qualit y co ntr ol o f daily meteo ro log ical observ ation data of frozen soil in China,the spatial and tempo ral var iatio ns o f frozen so il hav e been investig ated.T he seasonal change o f the frozen so il,the chang e o f the fr ozen so il dept h,the beg inning dates and the ending dates ar e mainly analyzed. T he results sho w that fr ozen so il occur s in mo st of the ter rito ry in China,including the nor th of the Y ang tze River ,No rthw est China and the T ibetan Plateau.T he monthly va riation of seasonal fro zen soil is sig nificant.T he freezing process generally beg an in autumn,and reached the maximum of depth and ar ea in the end of winter.In spr ing the fro zen soil beg an to thaw and finished in the summer.T he thaw ing and fr eezing processes of fr ozen so il demonstrated different cha racteristics and the thawing process per sisted long er and mor e complicatedly than the freezing process.T his has a ver y close relationship w ith so il characterist ics and topog raphic facto rs.In t he back -g ro und of g lobal war ming in the last few decades,the f rozen so il show ed a deg radat ion in China.T he max imum o f