3 冻土分类和冻胀、融沉性分级
3.1 冻土分类和定名
3.1.1 根据加拿大学者R.J.E布朗(1974)编的“多年冻土术语”叙述,多年冻土术语中一个主要的语义学上的问题是“冻结”一词的使用。有两个不同的学派,一派认为“冻结”应该用于指温度低于0℃的土岩,而不管其中是否有冰(固态和可能为液态)存在,另一派则认为只有含有冰的土岩才能认为是“冻结”的。从工程角度出发,我们认为有些土,诸如:寒土、含盐土,其温度虽然低于0℃,但由于含水率小或含盐量高而不含冰晶,其物理力学性质与含冰晶土的性质差异甚大,同时其中的物理过程也绝然不同。为突出冻土与未冻土在性质上的差别,应取后者作为冻土的定义。
本次修订按自然环境对寒区冻土进行了系统的分类:按冻结状态的持续时间分为多年冻土、隔年冻土和季节冻土;根据多年冻土形成和存在的自然条件,分为高纬度多年冻土和高海拔多年冻土;根据多年冻土分布的连续程度,分为大片多年冻土、岛状融区多年冻土和岛状多年冻土。
多年冻土分类,就目前国际上来看,均以多年冻土分布的连续性划分,分为连续多年冻土、岛状多年冻土。据新资料,将原附录A中表A.0.2换为周幼吾等《中国冻土》(2000年)的资料。我国东北高纬度多年冻土分为大片分布(或连续分布)多年冻土(多年冻土所占面积比例大于70%~80%)、大片-岛状分布多年冻土(多年冻土所占面积比例30%~70%)及岛状与稀疏及零星分布多年冻土(多年冻土所占面积比例5%~30%)。由于多年冻土分布与纬度、海拔高程、地质、地形地貌、气候等条件有关,面积的大小很难给出一定的范围。
3.1.2 冻土地区,不论是多年冻土区还是季节冻土区,地壳表层在每年的寒季都要发生冻结,暖季期间也都会出现融化,人们把这层称为“活动层”。为了区别多年冻土区和季节冻土区,按冻融活动层与下卧土层关系,分为季节冻结层和季节融化层。在多年冻土区,将该活动层称为“季节融化层”,其下卧土层属于多年冻结的冻结土层。在季节冻土区,将该活动层称为“季节冻结层”,其下卧土层属于非冻结的土层。
3.1.3 根据工程的病害调查,多年冻土地基的融化下沉性大小取决于多年冻土层的含冰程度。当冻土中肉眼看不见有分凝冰,只是在土体孔隙中见有细小的冰晶,冻土块融化时,土层的结构和体积不发生变化,也未见有渗水现象;当冻土中见有大量的分凝冰体,呈层状或网状构造,融化后见有许多水分渗出,出现流动状态时,土层完全失去原有的结构和构造,体积大幅缩小;随着冻土层中含有厚层或巨厚层的冰层,融化后冻土地基就会产生突陷。因此,根据冻土的含冰量多少及其融化后的工程特性,将多年冻土层分为五工程类别:少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层。
青藏公路沿线病害调查表明,相同的含冰程度冻土层,当多年冻土的年平均地温低于—1.5℃的地区,路基病害率较低或基本完好,而年平均地温高于—1.5℃的地区,路基病害率明显增加,且路基变形较大。多年冻土年平均地温表现出冻土对外界温度影响的敏感性,反映出多年冻土的稳定性,因而工程界又依据多年冻土的年平均地温,分为高温冻土和低温冻土,其划分界限,根据不同工程的要求确定,如青藏公路以年平均地温—1.5℃为界限,而青藏铁路则以—1.0℃为界限。
为此,多年冻土地区工程设计时,不仅要考虑多年冻土的含冰程度(即冻土工程分类),且要考虑多年冻土的年平均地温。
3.1.5 冻土中的易溶盐含量和泥炭化程度的界限值超过本规范表3.1.5-1和表3.1.5-2中的数值时,将会强烈的影响冻土的强度特性。这是因为,由于地基土中的易溶盐类被水溶解成不同浓度时,则可降低土的起始冻结温度,其未冻水量比一般冻土大得多,因此使盐渍化冻土的强度明显降低。例如,当盐渍度为0.5%时,单独基础与桩尖的承载力降低1/5~1/3,基础侧向表面的冻结强度降低1/4~1/3(见表1)。同样,泥炭化冻土的强度指标,在冻土工程地质勘察时,亦应慎重地按规定取值或专门进行原位测试确定(见表2)。