季节性冻土地区土壤冻结深度的研究

�冻土与地基基础� 季节性冻土地区土壤冻结深度的研究 李 � 超, � 刘建军, � 程建军, � 徐 � 峰 (石河子大学, � 新疆 � 石河子 � 832000) � � 摘 � 要! � 季节性冻土在新疆分布广泛,冰冻期长达 3~ 6个月之久。因此, 抗冻是工程建设中必须重视 的问题。其中冻土深度的合理确定是季节冻土区防冻设计的主要内容之一。本文通过调查研究和理论分析,对 影响土壤冻结深度的气温、地下水位、土质和含水量等因素进行了分析探讨, 提出了冻土深度合理的取值方法,为 工程建设提供有益的参考。 关键词! � 季节性冻土;冻胀破坏; 冻土深度 中图分类号! � TU475�2� � � � � 文献标识码! � A � � � � 文章编号! � 1001- 6864( 2009) 10- 0081- 03 RESEARCH OF GROUND FROZEN DEPTH IN SEASONALLY FROZEN AREAS LI Chao, � LIU Jian�jun, � CHENG Jian�jun, � XU Feng ( Shihezi University, Xinjiang Shihezi 832000, China) � � Abstract: Seasonally frozen ground are widely distributed in Xinjiang with froze�up last ing three to s� ix months. So anti�freeze design must be paid high attention to in engineering constructions. Reson� ably deter� mining freezing depth is one of the main design contents in seasonally frozen regions. Th� rough the investiga� tion study and theoretical analysis, each impact of temperature, water table, soil and water content and other factors on freezing depth is discussed in this art icle. Reasonable deter� mination method of freezing depth is put forward, which may provide some beneficial reference for engineering construction. Key words: seasonally frozen ground; frost heaving damage; freezing depth [基金项目] � 建设部专项∀建设系统抗御暴风雪灾害对策研究# ;石河子大学科技发展基金项目(RCZX200822) � � 冻土是在温度下降到 0∃ 或以下时, 含有水分的土壤呈 冻结状态的一种现象。一般可分为短时冻土、季节冻土和多 年冻土。在我国,冻土也有广泛的分布, 季节性冻土和多年 冻土影响的面积约占中国陆地总面积的 70% , 其中多年冻 土约占 22. 3% [1]。新疆地处亚洲中部的中纬度地区,由于冬 季寒冷, 除了在阿尔泰山、天山、昆仑山的年平均气温 % - 3 ∃ 的高寒山区,有多年冻土存在外, 广大地区分布着 3~ 6 个月季节性冻土。季节性冻土层土体中的水分在冰冻过 程中体积增大, 产生冻胀力, 迫使土粒发生相对位移, 到了 春夏, 冰层融化, 地基沉陷, 即融陷。过大的冻融变形, 势 必造成有关水工建筑物的损坏。再者,在季节性冻土中敷设 的埋地管道最常见问题是冻害破坏。当气温降至冰点以下 时,土壤中水分的冻结伴随着水分向冻结前锋迁移, 产生不 均匀冻胀, 加之周期性不可逆冻融循环,成为管道发生严重 破坏的重要因素。可以说寒区道路,水利, 工业、民用建筑等 所有将冻土作为路基的工程都与土壤冻结深度息息相关。 1 � 土壤冻结深度影响因素分析 目前已有的许多研究表明[2, 3, 4, 5] ,气温、基土土质、地下 水埋深、表面接受的日照和遮阴程度和表面积雪等对最大冻 土深度均有不同程度的影响。 1. 1 � 气温 冻土是一种对温度极为敏感的土体介质, 因而气候是 对冻土有重要影响的因素, 气候变化将影响冻土的地区分 布和冰冻渗透深度。季节性冻结和融化层处在温度年变化 层的上部, 更接近地表, 对气候变化更为敏感, 反应更为迅 速。土体的冻结过程, 实际上是土体中温度的变化过程, 气温是衬砌渠道及建筑物产生冻胀破坏的先决条件, 在冻 土地区是不可抗拒的。新疆最大冻土深度对冬季气温变化 的响应十分明显。新疆多数地区属干旱气候区, 降水稀少, 一般在 150mm 以下,尤其是入冬前的秋季降水十分稀少,土 壤湿度多年变化很小, 因此, 在气候要素对新疆冻土变化的 影响中, 气温变化的作用更显得突出。据新疆气象资料档案 馆 1961 年入冬至 2002 年开春 41个冬季天山以北 10 个站点 冻土和气象资料[3]显示, 随着全疆气候变暖, 尤其是冬季气 候的变暖, 使全疆各地土壤的封冻期推后,解冻期提前, 冬季 冻土平均深度变簿, 最大冻土深度减小。特别是进入 90 年 代以来气候显著变暖, 使土壤解封冻期、冻土深度的变化更 显著。 1. 2� 地下水位 虽然从总体上说地下水对冻深的影响力度没有气温那 样大, 但是在有地下水,尤其是浅埋地下水时, 却对冻深的大 小有至关重要的作用。通过多年观测得出的冻深值可以看 81李 � 超等:季节性冻土地区土壤冻结深度的研究 出在无雪覆盖, 对同一地区的土质和温度可认为基本相同 时, 可以把地下水位的高低作为控制冻深大小的主要因素, 其表现为地下水位越浅 (指距地表的深度) , 冻深越小; 地下 水位越深,冻深越大。据吉林某试验场地得到的观测数据及 有关实测资料经统计回归分析后,得出冻胀率与地下水位呈 线性关系[6] : �= 26� 552- 0�137Zw ( 1) 式中,�为冻胀率( cm) ; Zw 为冻前地下水位。 1. 3 � 土质和含水量 基土对冻深影响一是,土质, 二是,含水量。 ( 1) � 土粒组成。冻土地区水利工程衬砌渠道及建筑物 是否产生冻胀主要取决于土颗粒的大小, 不同的土颗粒组 成对衬砌渠道及建筑物冻胀的影响程度也不同, 一般壤土 地基较轻, 黏土地基较重, 按粒径组成可划分为非冻胀性 土和冻胀性土。非冻胀土之所以不产生冻胀是因为土颗粒 间隙大, 存在网体, 水易渗透, 土体中无停留水。冻胀性土 之所以冻胀是因为土颗粒间隙小, 表面积大, 不存在渗水 网体, 与水相互作用的能量也相对增大, 使土体中的毛细 水不易渗透, 停留在土体中, 低温下结冰膨胀而产生冻胀。 ( 2) � 基土含水率。土体中水份的多少是引起土体冻胀 的主要因素之一。土颗粒不管粒径多大,总有一个与它的比 表面成比例的水分吸附着,这部分水分因分子间具有较大的 吸引力,在一般负温下不冻结。这个与土粒比表面成正比, 有较强分子束缚力的水, 就是每一种土质特定的未冻含水 量。如果某种土质中的含水量大于未冻含水量,那么多余的 这部分水量在负温下冻结,由水成冰, 体积膨胀。如果未冻 含水量与成冰的体积之和大于土壤孔隙体积,则该土在这个 含水量下发生冻胀,该冻胀界限含水量称为该土壤的起始冻 胀含水量。 某引水渠沙漠试验段沙层地基[7] ,天然含水状态下、模 拟渠道产生渗漏后仍保留含水率 18%以及饱和状态三种条 件下的冻胀性实验结果见表 1。 � 表 1� 渠基砂土的冻胀实验结果 干密度 冻胀率/ % 冻胀力/ kPa 冻胀量& h/ mm�= 2% �= 18%S= 100% �= 2% �= 18% �= 2% �= 18% 1. 58 0. 05 0. 14 - 0 12. 0 6. 0 - 1. 61 0. 05 0. 17 4. 3 0 17. 0 7. 3 184. 3 1. 64 0. 05 0. 24 3. 3 3. 0 17. 2 10. 3 141. 4 1. 68 0. 20 0. 47 2. 3 5. 0 28. 0 20. 1 98. 0 1. 70 0. 24 0. 46 2. 0 5. 5 19. 7 19. 7 85. 7 � � 不同含水状态下干密度与冻胀率关系分别如图 1, 图 2 所示。从图中可以看出, 同一干密度的砂,含水率越大冻胀 越强; 含水率相等情况下,粒径细的砂冻胀率稍高于粗粒径 砂的冻胀率 ;当砂样到达饱和状态时, 其密度小的冻胀率大 于密度大的冻胀率, 冻胀率为 2% ~ 4% ; 含水率增大到 18% 时,冻胀力随密度增大而增大。 1. 4 � 积雪覆盖 季节性冻土在中国段天山山地分布广泛,其大部分在冬 季被较为深厚的季节性积雪覆盖。季节性积雪对其覆盖下 的冻土的热状况的影响是显著的。中国科学院新疆地理研 究所马虹[8]取了两个相距 5m 左右测点, 除了积雪覆盖条件 以外, 两个测点处在相同的气象条件之下。在有积雪覆盖的 测点,冻土深度要比无积雪覆盖测点处的冻土深度浅得多, 而且对外界气象条件的响应敏感性要弱得多, 由此可以看, 出积雪的存在对冻土热状况的影响。 2� 冻深的基本方程及近似解 在不考虑土中水分迁移, 且假定土的冻结和融化温度为 0, 则土中最大冻结深度计算,可简化为有内热源的一维热传 导问题[9]。 2. 1� 基本方程 冻土区: t f ! = ∀f 2 t f x 2 ( 2) 未冻区: t u ! = ∀u 2 t u x 2 ( 3) 初始条件: ! = 0, x > 0, tu = tu( x ) , t f = t f ( x ) ( 4) 边界条件未冻区: x = 0 � ! > 0 � t = f ( !) ( 5) 冻结界面上: #f t f x x= ∃= #u t u x x= ∃+ Q 0 d∃ d! ( 6) 式中, tu , t f 分别为未冻区和冻结区的温度; ∀u , ∀f 分别 为未冻区和冻结区土壤的导温系数; #u, #f 分别为未冻区和 冻结区的导热系数; ∃为冻深; Q 0 为单位土体积中水相变放 出的热量。 2. 2� Stephen 冻深近似解析解 简化假定: 未冻区温度呈直线分布,其上边界温度为 t s ; 未冻区温度恒等于 t0 ,即 t u( x ) = t0。可以得到: ∃= 2#f( t f - ts ) !Q0 ( 7) 如果考虑空气放热及表面有保温材料时, 修正后得如下 82 低 � 温 � 建 � 筑 � 技 � 术 2009年第 10期(总第 136期) 公式: ∃= 2#f ( t f - ts ) ! Q0 + S2 - S ( 8) 式中, S 为空气热阻和表面保温材料热阻之和。S = ( 1 a + %#I ) ; a 为空气放热系数, kJ�( m 2 � h� ∃ ) ; %为保温材料的 厚度, m; #I 为保温材料的导热系数 , kJ�( m� h� ∃ )。 2. 3 � 列本庄冻深近似解析解 简化假定:冻结区温度为直线分布, 土表面负温保持常 数 t s ,未冻区的温度初始状态为多年平均气温 tm , 温度分布 按半无穷大平面求解。可以得到冻深解为: ∃= 2#f ( t f - ts ) Q0 ( 1 + A 2 - A ) ( 9) 其中, A = 0�399 tm - t f t f - ts #uCu#fQ0 2. 4 � Neuman近似解析解 简化假定:初始状态下的未冻区温度及冻结开始后未冻 区的无穷深处温度均为 tm ,冻结开始时, 表面温度突然降低 为 t s。可以得到: ∃= m ! ( 10) 式中, m 为超越方程的解, 即: Q0 &m 2 = #f ( t f - ts ) e- m 2 4∀ f ∀f erf ( m 2 a f ) - #u( tm - t f ) e- m 2 4a u au [ 1- erf ( m 2 au ) ] 2. 5 � 鲁基扬诺夫近似解析解 简化假定:在冻结期表面温度取平均值 t s , 未冻区流向 冻结区之热流 q 取平均值,冻结区温度分布取直线。可解得 ! = [ Q0 + C f2 ( t f - tu ) ] [ #f ∋t q 2 ln #f ∋t - qS#f ∋t - q ( ∃+ S) - ∃ q ] ( 11) 其中: ∋t = t f - t s 3 � 结语 冻土深度的合理确定对基础工程的冬季具有极为 重要的意义, 应当引起重视。在工程应用中采用标准冻深, 其参数的取得较为方便, 但取值一般较大, 不太符合工程 的实际运行情况, 使工程投资增大, 造成浪费。对于新疆地 区而言, 地下水位较深,因而不作为冻深主要影响因素, 但冬 季积雪覆盖对冻深的影响是不容忽视的。在有积雪的条件 下,由于雪的低导热性和比较大的热容量, 阻隔了地中热能 的向外散失, 从而起到了保持和提高地温的作用。因此可以 在以往无雪覆盖冻深基础上, 考虑雪的覆盖厚度对于冻深的 折减, 比较真实地反映了实际情况, 可供工程参考。其计算 式为: � � h = h0 - kh∋ ( 12) 式中, h0 为无覆盖条件下的冻深; h∋为覆盖雪厚度 cm; k 为系数,对松雪取 3,堆雪和散雪取 2,初融雪为 1. 5。 参考文献 [ 1] � Zhao Lin, Cheng Guodong, Ding Yongjian. Studies on frozen ground of China[ J]� Journal of Geographical Sciences, 2004, 14( 4) : 411- 416� [ 2] � 郭慧,李栋梁,张强,等.甘肃河西季节冻结深度年代际变化特 征及其气候成因分析[ J] .冰川冻土, 2005, 27( 4) : 503- 508. [3] � 王秋香,李红军, 魏荣庆,等. 1961- 2002年新疆季节冻土多年 变化及突变分析[ J] .冰川冻土, 2005, 27( 6) : 820- 826. [ 4] � 高春香,苏立娟,宋进化,等.内蒙古东北部冻土分布与地温关 系[ J] .内蒙古气象, 2004, ( 1) : 19- 22. [ 5] � 高荣,韦志刚,董文杰,等. 20 世纪后期青藏高原积雪和冻土变 化及其与气候变化的关系 [ J] . 高原气象, 2003, 22( 2) : 191- 196. [ 6] � 江丽艳,刘迎春,杨柏松.地下水位与冻深及冻胀的关系[ J] .吉 林水利, 2001, (1) : 1- 2� [ 7] � 张立德.沙漠明渠工程设计施工关键技术研究与实践 [M ] .北 京:中国水利水电出版社, 2005� [ 8] � 马虹,胡汝骥积雪对冻土热状况的影响 [ J] .干旱区地理, 1995, ( 3) : 23- 27. [ 9] � 徐学祖,王家澄, 张立新.冻土物理学 [M ] .北京:科学出版社, 2001� [10] � 张展羽,吴玉柏.渠系改造[ M] . 北京: 中国水利水电出版社, 2004� [收稿日期] � 2009- 07- 16 [作者简介] � 李 � 超( 1982- ) ,男,四川隆昌人, 硕士研究生,研 究方向:水工结构。 (编辑 � 王亚清) 欢迎订阅∀低温建筑技术#(月刊) 立足三北 � 面向全国 � 独具特色 � 内容丰富 ∀低温建筑技术#1979年创刊, 国际标准大 16 开版本,面向广大基本建设领域的建筑设计、科研、教学、施工和管理人员, 是指导我国三北地区(东北、西北、华北)建筑科学技术和冬期施工技术发展的唯一综合性的科技期刊。 订阅办法:全年 12 期,每期定价 10� 00元, 全年 120�00 元整。全国各地邮局均可订阅, 邮发代号 14- 122, 请到当地邮局 订购。错过邮局征订期的单位与个人也可通过邮局汇款到哈尔滨市南岗区清滨路 60号低温建筑技术编辑部订阅, 并每套 (全年)增加邮资费 40�00 元,即每套(全年)定价 160�00 元整。 刊 � 址:哈尔滨市南岗区清滨路 60 号 � � � � � 邮政编码: 150080 电话�传真: 0451- 86334097� 86335022 � � � � � 电子信箱: Lowtem@163. com 83李 � 超等:季节性冻土地区土壤冻结深度的研究