多年冻土专项工程地质勘察要点

关键词 多年冻土；特性；勘察要点

　　多年冻土是由固相（矿物颗粒，冰），液相（未冻水），气相（水气，空气）等合质所组成的多相复杂的一种特殊地质体，其特征为具有负温或零温度并含有冰的持续冻结时间在2年或2年以上的土（岩）。

　　多年冻土主要分布在高纬度或高海拔寒冷地区，它是历史和现代气候的产物。我国约有215万平方公里多年冻土，高纬度多年冻土位于东北兴安岭及新疆阿尔泰山地区；高海拔多年冻土分布于天山，祁连山，喜马拉雅山，昆仑山，唐古拉山及青藏高原。

　　青海省境分布有高海拔祁连山多年冻土区和世界上独一无二的巨大的青藏高原多年冻土区。冻土沼泽、冻胀丘、冰锥、热融湖塘、热融滑塌、融冻泥流等冻土不良地质及冻土热融沉陷和冻胀特性，给公路建设带来诸多地质问题。因工程建设干扰了多年冻土区热平衡，导致公路路基热融沉陷，桥梁等构造物因地基冻土层冻胀，融沉变形而破坏，路堑及傍山边坡由于冻土热融滑塌，融冻泥流中断交通。多年冻土地区公路建设首要条件是必须查明冻土地质条件，为施工图设计提供准确的冻土地质资料，以确保施工图设计质量。

　　多年冻土中由于冰和未冻水的存在，它既具有一般土类的共性，又是因冰胶结具有较大强度而热力学又极不稳定，在受荷条件下的变形具有强烈的流变特性的特殊性岩土。

　　1 多年冻土构造

　　冰在冻土中的数量，分布及其与土中其它成分的配量关系构成了各种不同的冻土构造。

　　1）整体构造：其主要特征是具有空隙冰，冰粒散布于土颗粒间，肉眼甚至看不见，与土粒成整体状态。砂土和砾卵石土多具这种构造。粘性土在温度骤然降低，土体迅速冻结条件也可形成整体构造。这种构造的土含水量一般小于塑限，融化后仍能保持土体原骨架的结构，对工程构造物稳定性影响小；

　　2）层状构造：土体中拥有冰透镜体和冰夹层，该种构造多出现在含水量较大的黏性土中。这种土融化后骨架遭受破坏，对构造物性能影响较大；

　　3）网状构造：土体中具有不同形状，厚度和方向的冰透镜体和冰夹层，并分布成网状。这种构造主要见于黏性土中，该种土一般含水量很大，融化后呈软塑或流塑状态，建筑性能较差；

　　4）包裹状构造：这种构造产生在以砾石为主的土层中，当该土具有饱和含水量，特别是处于多年冻土上限附近，长期接近冰冻条件时，这时在卵砾石周围形成包裹冰，甚至使砾卵石颗粒互相分离，处于被冰完全包裹的“悬浮”状态。

　　2 多年冻土冻结状态分类

　　1）坚硬冻土：被冰牢固胶结的冻土，在荷载作用下，表现脆性破坏和不可压缩性。当土的温度低于下列数值时，则属于坚硬冻土。

　　粉砂—— -0.3℃

　　黏性土—— -0.6℃

　　砂粘土—— -1.0℃

　　黏土—— -1.5℃

　　2）塑性冻土：虽被冰胶结，但仍含有多量的未冻水，具有粘滞性的冻土，在荷载作用下可以压缩。当土的温度界于0℃和坚硬冻土温度的上限之间，饱和度 Sr≤0.8时，呈塑性冻土。

　　3）松散冻土：由于土的含水量较小，未被冰胶结仍呈现松散状态的冻土。砂土和大块碎石土常呈松散冻土。

　　3 多年冻土专项勘察基本要求和目的

　　完成工程所在区域冻土工程地质调查与测绘、勘探、冻土取样、室内试验、原位测试、定位观测以及多年冻土工程地质条件评价及其预报工作。

　　多年冻土区现存的地表形态和地面覆盖是地质历史时期的产物，是一相对稳定的热平衡剖面。保持现有形态和现存地热平衡条件，则地基稳定。当这种平衡破坏后，则产生热融下沉，热融滑塌等一系列冻土工程地质问题。

　　查明冻土地质条件，使工程建设利用冷生过程的有利方面；尽量减少对多年冻土的热干扰；选择冻土条件良好的地段进行建筑；避开冻土现象发育地段；采用合适的建筑结构；减少和防止冻土病害的产生。

　　4 多年冻土专项工程地质勘察

　　4.1 冻土专项勘察应查明

　　1）地貌的成因、类型、分布、形态特征、地表物质组成和植被情况；2）冻土的分布、类型、厚度、含水率、含水量、地温、地层结构、土质及其物理，力学和热学性质；3）多年冻土上限、季节性冻土最大冻结深度、冻土的融沉等级和冻胀性；4）多年冻土的形成、发展与变化趋势和融区分布；5）冻土沼泽、冻胀丘、冰锥、热融湖塘、热融滑塌、融冻泥流等不良地质的分布，规模及其发展和变化情况；6）地表水和地下水的发育情况及其与冻土的关系； 7）沿线填料，保温材料，工程用水和生活用水的分布；8）既有道路工程建筑的使用情况及对冻土环境的影响。

　　4.2 地质调绘点布置

　　地貌单元的边界、冻土界限、热融湖塘、热融滑塌、融冻泥流、冻土沼泽、冻胀丘、冰锥等不良地质、构造地热异常区、融区、井泉等地下水露头的位置等均应布置地质调查测绘点。

　　5 钻探、物探综合手段探测多年冻土发育情况和场地地质条件

　　多年冻土地区采用单一手段难以达到勘察目的，应以钻探，物探综合手段探明冻土发育情况和场地地质条件。

　　查明冻土结构和含冰情况，取样进行土工试验，钻探是一种重要的勘探手段。在多年冻土地区进行钻探，避免和减少冻土的融化，取得冻结状态岩芯，是确保钻探质量的技术关键。依据实践经验，钻探工作应从钻头选用.施钻方法等方面着手，保证冻土勘探质量。

　　1）钻头选用：钻探采用的钻头，应根据地层的岩性，设备能力，孔壁稳定状况，质量要求等选用。对少冰冻土，使用团结式硬质合金钻头为宜；含冰量较高的冻结层，可采用单粒式硬质合金钻头；冻土层内禁止使用纯磨钻头；

　　2）施钻方法：路基钻探，应采用无泵干钻法；桥基钻探，冻土层内应采用无泵干钻法，进入基岩顶面后，应下入套管隔住冻土层，可采用冲洗液循环回转钻进；

　　3）钻探回次：多年冻土地区钻探，钻进回次控制是操作的重要环节。冻土回转钻进回次时间不应过长，回次进尺不宜过多，具体要求见表1。

　　表1冻土钻进回次参考值表

　　6 多年冻土专项勘察应完成的冻土测试项目

　　6.1 冻土物理性质试验

　　颗粒分析、总含水率、未冻水含量、密度、液限、塑限、体积含冰量、盐渍度、有机质含量。

　　6.2 冻土热学性质试验

　　土的骨架比热、土在冻结和融化状态下的导热系数、导温系数、容积热容量。

　　6.3 冻土中水化学性质试验

　　土壤水和地下水的化学成份。

　　6.4 冻土力学性质试验

　　融化抗剪强度试验、冻胀率、融沉系数、融化压缩系数、抗压强度。

　　7 结论

　　青海地区高海拔地区多为冻土区，其地质由于不良地质及冻土热融沉陷和冻胀特性，给这些地区的公路建设带来诸多地质问题。本文通过对多年冻土的地质勘察的技术要点研究，明确冻土地质条件，为施工图设计提供准确的冻土资料，使工程建设利用现有地址条件，减小冻土层的改变，在明确冻土层特性情况下在地址条件好的冻土地段进施工建设，采用合理建筑措施，减少和防止冻土病害的发生。

　　参考文献

　　[1]冻土工程地质勘察规范（GB50324-2001）.

　　[2]岩土工程勘察规范（GB50021-2001）.

　　[3]公路工程地质勘察规范（JTGC20-2001）.