冻土是指温度等于或低于0℃,含有固态水的各类土。冻土按其保持冻结状态的时间长短可分为3类:1.瞬时冻土,冻结时间小于1个月,一般为数天或数小时,冻结深度从数毫米至数十毫米;2.季节冻土,冻结时间等于或大于1个月,冻结深度从数十毫米至1~2m,为每年冬季冻结、夏季全部融化的周期性冻土;3.多年冻土,冻结状态持续2年或2年以上。在中国,季节冻土遍布全国各地,而多年冻土则主要分布在青藏高原、帕米尔及西部高山区——天山、阿尔泰山和祁连山等地区,在东北大、小兴安岭和其他高山的顶部也有零星分布。
土冻结时,不仅其温度处于0℃以下,更重要的是土体中出现冰晶体,逐步将原来矿物颗粒间的水分连结为冰晶胶结,使土体具有特殊的性质:具有很高的抗压强度;压缩性显著减小;增大了土体的导热系数和电阻率;较其融化状态时具有更大的流变性等。由于水在冻结为冰时,其体积将增加约9%,因此土的冻胀是指土在冻结过程中,土中水分冻结成冰,并形成冰层、冰透镜体、多晶体冰晶等形式的冰侵入体,引起土颗粒之间产生相对位移,使土体体积产生不同程度的扩胀现象。在多年冻土地区修建的结构物,有可能因冻害而受到损害。引起结构物受损的原因主要有:
1.冻胀引起的破坏
冻胀的外观表现是土表层不均匀的升高,冻胀变形常常可以形成冻胀丘及隆起等地貌形态。当地基土的冻结线侵入到基础的埋置深度范围内时,将会引起基础产生冻胀。当基础底面置于季节冻结线之下时,基础侧表面将受到地基土切向冻胀力的作用;当基础底面置于季节冻结线之上时,基础将同时受到地基土切向冻胀力及法向冻胀力的作用。在上述冻胀力作用下,结构物基础将明显表现出随季节而上抬和回落的变化。当这种冻融变形超过结构物所允许的变形值时,便会产生各种形式的裂缝和破坏。
2.融沉引起的破坏
融沉又称热融沉陷,指冻土融化时发生的下沉现象。它包括与外荷载无关的融化沉降和与外荷载直接相关的压密沉降,一般是由于自然或人为因素(如砍伐与焚烧树木、房屋采暖)改变了地面的温度状况,引起季节融化层深度加大,使地下冰或多年冻土层发生局部融化所造成的。在天然情况下发生的融沉往往表现为热融凹地、热融湖沼和热融阶地等,这些都是不利于工程建筑物安全和正常运营的条件。融沉是多年冻土地区引起结构物破坏的主要原因。结构物基础热融沉陷主要是由于施工和运营的影响,改变了原自然条件的水热平衡状态,使多年冻土的上限下降。具体原因可能有:a.施工期造成热平衡条件破坏;b.地面水渗入;c.结构物采暖散热使多年冻土融化。
在冻土地区修建结构物,除了要满足非冻土区结构物所要满足的强度与变形条件外,还要考虑以冻土作为结构物地基时,其强度随温度和时间而变化的情况。因此采取什么样的防冻胀和融沉措施来保证冻土区结构物地基的稳定,是关系到冻土区工程建设成败的关键所在。
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