多年凍土專項(xiàng)工程地質(zhì)勘察要點(diǎn)

郝秋娟

中國(guó)建材地勘青海總隊(duì)，青海西寧 810008

多年凍土是由固相（礦物顆粒，冰），液相（未凍水），氣相（水氣，空氣）等合質(zhì)所組成的多相復(fù)雜的一種特殊地質(zhì)體，其特征為具有負(fù)溫或零溫度并含有冰的持續(xù)凍結(jié)時(shí)間在2年或2年以上的土（巖）。

多年凍土主要分布在高緯度或高海拔寒冷地區(qū)，它是歷史和現(xiàn)代氣候的產(chǎn)物。我國(guó)約有215萬(wàn)平方公里多年凍土，高緯度多年凍土位于東北興安嶺及新疆阿爾泰山地區(qū)；高海拔多年凍土分布于天山，祁連山，喜馬拉雅山，昆侖山，唐古拉山及青藏高原。

青海省境分布有高海拔祁連山多年凍土區(qū)和世界上獨(dú)一無(wú)二的巨大的青藏高原多年凍土區(qū)。凍土沼澤、凍脹丘、冰錐、熱融湖塘、熱融滑塌、融凍泥流等凍土不良地質(zhì)及凍土熱融沉陷和凍脹特性，給公路建設(shè)帶來(lái)諸多地質(zhì)問(wèn)題。因工程建設(shè)干擾了多年凍土區(qū)熱平衡，導(dǎo)致公路路基熱融沉陷，橋梁等構(gòu)造物因地基凍土層凍脹，融沉變形而破壞，路塹及傍山邊坡由于凍土熱融滑塌，融凍泥流中斷交通。多年凍土地區(qū)公路建設(shè)首要條件是必須查明凍土地質(zhì)條件，為施工圖設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的凍土地質(zhì)資料，以確保施工圖設(shè)計(jì)質(zhì)量。

多年凍土中由于冰和未凍水的存在，它既具有一般土類的共性，又是因冰膠結(jié)具有較大強(qiáng)度而熱力學(xué)又極不穩(wěn)定，在受荷條件下的變形具有強(qiáng)烈的流變特性的特殊性巖土。

1 多年凍土構(gòu)造

冰在凍土中的數(shù)量，分布及其與土中其它成分的配量關(guān)系構(gòu)成了各種不同的凍土構(gòu)造。

1）整體構(gòu)造：其主要特征是具有空隙冰，冰粒散布于土顆粒間，肉眼甚至看不見(jiàn)，與土粒成整體狀態(tài)。砂土和礫卵石土多具這種構(gòu)造。粘性土在溫度驟然降低，土體迅速凍結(jié)條件也可形成整體構(gòu)造。這種構(gòu)造的土含水量一般小于塑限，融化后仍能保持土體原骨架的結(jié)構(gòu)，對(duì)工程構(gòu)造物穩(wěn)定性影響?。?/p>

2）層狀構(gòu)造：土體中擁有冰透鏡體和冰夾層，該種構(gòu)造多出現(xiàn)在含水量較大的黏性土中。這種土融化后骨架遭受破壞，對(duì)構(gòu)造物性能影響較大；

3）網(wǎng)狀構(gòu)造：土體中具有不同形狀，厚度和方向的冰透鏡體和冰夾層，并分布成網(wǎng)狀。這種構(gòu)造主要見(jiàn)于黏性土中，該種土一般含水量很大，融化后呈軟塑或流塑狀態(tài)，建筑性能較差；

4）包裹狀構(gòu)造：這種構(gòu)造產(chǎn)生在以礫石為主的土層中，當(dāng)該土具有飽和含水量，特別是處于多年凍土上限附近，長(zhǎng)期接近冰凍條件時(shí)，這時(shí)在卵礫石周圍形成包裹冰，甚至使礫卵石顆?；ハ喾蛛x，處于被冰完全包裹的“懸浮”狀態(tài)。

2 多年凍土凍結(jié)狀態(tài)分類

1）堅(jiān)硬凍土：被冰牢固膠結(jié)的凍土，在荷載作用下，表現(xiàn)脆性破壞和不可壓縮性。當(dāng)土的溫度低于下列數(shù)值時(shí)，則屬于堅(jiān)硬凍土。

粉砂—— -0.3℃

黏性土—— -0.6℃

砂粘土—— -1.0℃

黏土—— -1.5℃

2）塑性凍土：雖被冰膠結(jié)，但仍含有多量的未凍水，具有粘滯性的凍土，在荷載作用下可以壓縮。當(dāng)土的溫度界于0℃和堅(jiān)硬凍土溫度的上限之間，飽和度 Sr≤0.8時(shí)，呈塑性凍土。

3）松散凍土：由于土的含水量較小，未被冰膠結(jié)仍呈現(xiàn)松散狀態(tài)的凍土。砂土和大塊碎石土常呈松散凍土。

3 多年凍土專項(xiàng)勘察基本要求和目的

完成工程所在區(qū)域凍土工程地質(zhì)調(diào)查與測(cè)繪、勘探、凍土取樣、室內(nèi)試驗(yàn)、原位測(cè)試、定位觀測(cè)以及多年凍土工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)及其預(yù)報(bào)工作。

多年凍土區(qū)現(xiàn)存的地表形態(tài)和地面覆蓋是地質(zhì)歷史時(shí)期的產(chǎn)物，是一相對(duì)穩(wěn)定的熱平衡剖面。保持現(xiàn)有形態(tài)和現(xiàn)存地?zé)崞胶鈼l件，則地基穩(wěn)定。當(dāng)這種平衡破壞后，則產(chǎn)生熱融下沉，熱融滑塌等一系列凍土工程地質(zhì)問(wèn)題。

查明凍土地質(zhì)條件，使工程建設(shè)利用冷生過(guò)程的有利方面；盡量減少對(duì)多年凍土的熱干擾；選擇凍土條件良好的地段進(jìn)行建筑；避開(kāi)凍土現(xiàn)象發(fā)育地段；采用合適的建筑結(jié)構(gòu)；減少和防止凍土病害的產(chǎn)生。

4 多年凍土專項(xiàng)工程地質(zhì)勘察

4.1 凍土專項(xiàng)勘察應(yīng)查明

1）地貌的成因、類型、分布、形態(tài)特征、地表物質(zhì)組成和植被情況；2）凍土的分布、類型、厚度、含水率、含水量、地溫、地層結(jié)構(gòu)、土質(zhì)及其物理，力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)；3）多年凍土上限、季節(jié)性凍土最大凍結(jié)深度、凍土的融沉等級(jí)和凍脹性；4）多年凍土的形成、發(fā)展與變化趨勢(shì)和融區(qū)分布；5）凍土沼澤、凍脹丘、冰錐、熱融湖塘、熱融滑塌、融凍泥流等不良地質(zhì)的分布，規(guī)模及其發(fā)展和變化情況；6）地表水和地下水的發(fā)育情況及其與凍土的關(guān)系； 7）沿線填料，保溫材料，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況及對(duì)凍土環(huán)境的影響。

4.2 地質(zhì)調(diào)繪點(diǎn)布置

地貌單元的邊界、凍土界限、熱融湖塘、熱融滑塌、融凍泥流、凍土沼澤、凍脹丘、冰錐等不良地質(zhì)、構(gòu)造地?zé)岙惓^(qū)、融區(qū)、井泉等地下水露頭的位置等均應(yīng)布置地質(zhì)調(diào)查測(cè)繪點(diǎn)。

5 鉆探、物探綜合手段探測(cè)多年凍土發(fā)育情況和場(chǎng)地地質(zhì)條件

多年凍土地區(qū)采用單一手段難以達(dá)到勘察目的，應(yīng)以鉆探，物探綜合手段探明凍土發(fā)育情況和場(chǎng)地地質(zhì)條件。

查明凍土結(jié)構(gòu)和含冰情況，取樣進(jìn)行土工試驗(yàn)，鉆探是一種重要的勘探手段。在多年凍土地區(qū)進(jìn)行鉆探，避免和減少凍土的融化，取得凍結(jié)狀態(tài)巖芯，是確保鉆探質(zhì)量的技術(shù)關(guān)鍵。依據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，鉆探工作應(yīng)從鉆頭選用.施鉆方法等方面著手，保證凍土勘探質(zhì)量。

1）鉆頭選用：鉆探采用的鉆頭，應(yīng)根據(jù)地層的巖性，設(shè)備能力，孔壁穩(wěn)定狀況，質(zhì)量要求等選用。對(duì)少冰凍土，使用團(tuán)結(jié)式硬質(zhì)合金鉆頭為宜；含冰量較高的凍結(jié)層，可采用單粒式硬質(zhì)合金鉆頭；凍土層內(nèi)禁止使用純磨鉆頭；

2）施鉆方法：路基鉆探，應(yīng)采用無(wú)泵干鉆法；橋基鉆探，凍土層內(nèi)應(yīng)采用無(wú)泵干鉆法，進(jìn)入基巖頂面后，應(yīng)下入套管隔住凍土層，可采用沖洗液循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；

3）鉆探回次：多年凍土地區(qū)鉆探，鉆進(jìn)回次控制是操作的重要環(huán)節(jié)。凍土回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)回次時(shí)間不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)，回次進(jìn)尺不宜過(guò)多，具體要求見(jiàn)表1。

表1 凍土鉆進(jìn)回次參考值表

6 多年凍土專項(xiàng)勘察應(yīng)完成的凍土測(cè)試項(xiàng)目

6.1 凍土物理性質(zhì)試驗(yàn)

顆粒分析、總含水率、未凍水含量、密度、液限、塑限、體積含冰量、鹽漬度、有機(jī)質(zhì)含量。

6.2 凍土熱學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

土的骨架比熱、土在凍結(jié)和融化狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)、容積熱容量。

6.3 凍土中水化學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

土壤水和地下水的化學(xué)成份。

6.4 凍土力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

融化抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)、凍脹率、融沉系數(shù)、融化壓縮系數(shù)、抗壓強(qiáng)度。

7 結(jié)論

青海地區(qū)高海拔地區(qū)多為凍土區(qū)，其地質(zhì)由于不良地質(zhì)及凍土熱融沉陷和凍脹特性，給這些地區(qū)的公路建設(shè)帶來(lái)諸多地質(zhì)問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)多年凍土的地質(zhì)勘察的技術(shù)要點(diǎn)研究，明確凍土地質(zhì)條件，為施工圖設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的凍土資料，使工程建設(shè)利用現(xiàn)有地址條件，減小凍土層的改變，在明確凍土層特性情況下在地址條件好的凍土地段進(jìn)施工建設(shè)，采用合理建筑措施，減少和防止凍土病害的發(fā)生。

[1]凍土工程地質(zhì)勘察規(guī)范（GB50324-2001）.

[2]巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-2001）.

[3]公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范（JTGC20-2001）.