深季节冻土区地基土的冻胀性

冻土、冻胀、道路冻胀、土体冻胀方面的资料

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　低　温　建　筑　技　术　　　　　　　　　　　　　　2003年第6期(总第96期)62

冻土与地基基础

深季节冻土区地基土的冻胀性

杨利民,　李晓东,　张　波,1

2

3

4

(11黑龙江测绘局,　哈尔滨　150086;　21哈尔滨理工大学后勤处,　哈尔滨　150080;　

31哈尔滨华能集中供热有限公司,　哈尔滨　150080;　41黑龙江省寒地建筑科学研究院,　哈尔滨　150080)

　　【摘　要】　季节冻土地区地表冻胀量极大值与北纬度和冻结指数的关系不能用随机正态分布规律来分析,它不是随机变量,不属数理统计范畴。通过分析认为,严寒气候条件下(北纬53°以上和冻结指数超过3000度 日)深季节冻土区(包括多年冻土区内的融区)的冻结速率仍处在适合地基土冻胀的范围之内。因此,深季节冻土区地基土的冻胀性绝不可轻视。

　　【关键词】　深季节冻土区;北纬度;冻结指数;冻结速率;冻胀性

【中图分类号】　TU445　　　　【文献标识码】　A　　　　【文章编号】　1001-6864(2003)06-0062-02

　　关于季节冻土区土的冻胀性问题,在前些年就存在不同的看法,有一部分学者认为随着北纬度数的增加,气候趋于严寒,气温越来越冷,地基土的冻胀性反而在逐渐降低,主要根据认为严寒的气候致使地基土的冻结速率太快,其下卧不冻土层中的水分来不及向上迁移而被原地冻结。但也有不少学者认为寒冷地区尤其严寒地区土的冻胀性仍很强烈,因这些地区出现了不胜枚举的冻害事故,如房屋开裂、变形,以及公路翻浆等等,胀的佐证。

,为此谈点我们的一些粗浅看法,与各位专家学者讨论。

一般认为标准冻深小于015m的季节冻土区,无论冻层厚度还是土的冻胀,对工程建(构)筑物(渠系工程除外)的设计、施工与使用都没有特殊要求与危害。因此,工程界所谈论的季节冻土区皆指标准冻深大于等于0.5m的地区。习惯上将标准冻深大于115m的地区称为深季节冻土区,深季节冻土区主要分布在东北和内蒙的大部分地区,新疆、青海与西藏的部分地区。在东北高纬度与青藏高海拔多年冻土区范围内也存在为数可观的深季节冻土融区。如东北大片连续多年冻土中就有25%～35%、岛状融区中有40%～50%、岛状冻土区中有70%～95%的融区,青藏高原多年冻土中大片连续区有25%～30%、岛状区有40%～60%的深季节冻土地基[1],即使是多年冻土地基,其上部的季节融化层,冬季的冻胀过程也与深季节冻土地基类似。因此,深季节冻土地基土的冻胀问题是一个不可忽视的重要工程问题。

“季节冻土区水工建筑物地基土冻胀性的统计分析"[2]

“季节冻土区水工建筑物地基土的工程分类"[3]文中的图1和图2根据新疆、青海、甘肃、陕西、北京、河北、内蒙和东北三省等十个省、市、自治区的多处测点数据绘制的,分布在北纬36°～50°之间,完整地代表了我国季节冻土的平面分布区域。具有可比性的粘性土统计样本671个。

从图1和图2可见,地表冻胀量的极大值(hmax)外包络线与北纬度(D)和冻结指数(F)具有良好的随机正态分布规律。

粘性土的h与D和F之间的关系可用公式(1)及(2)表示。

hFmax=

2

(μ)

exp[-]=0.45exp[-0.636172

2σσDD

hDmax=

(XD-10.0)2](1)

式中:hDmax(m);

μD0.88654,D=10.0;

,XD=0.222D。

(μ)2exp[-]=0.45exp[-0.636172

2σσFF

(2)

(XF-2.40)2]

式中:hFmax—粘性土在相应冻结指数可能最大冻胀量(m);

σμF=2.40;——特征常数,σF,μF—F=0.88654,

XF———横标换算值,XF=FΠ650;F为冻结指数,可用

多年平均值或年度实测值(℃ d)。

数理统计是从有波动的数据中找出其规律性的一种数学方法[3],所谓波动就是在完全相同条件下出现不依主观、客观为控制的差异即随机误差。如果以冻胀量的大小作为一个事件,当两个场地土的冻胀性(平均冻胀率)相同时,其冻深越深者的冻胀量越大,这是一必然出现的必然事件;又如,地点一定即D、F与土质均相同,冻胀性越强者的冻胀量越小,这是一不可能发生的不可能事件;再如,在同一观测点,处于同一环境与条件下连续观测三十年,由于影响冻胀各种因素年际的随机波动,所以测出的这三十个数据都是互不相同的,我们可通过数理统计来找出其规律,即它们的分布类型、均值μ、标准离差σ和变异系数c,以及在某一概率情况下最大可能的冻胀量hmax等。

图1与图2研究冻胀量时所采用的数据来自从西北的新疆到东北黑龙江的十个省市自治区,南北纬度范围从36°延过50°,冻结指数一直包含到3000℃ d,标准冻深由浅直至

3m以上,以及冻前地下水位自零下降到4m以下的所有资

料,它们的条件各不相同而且差异还相当的大,这些数据与

h之间的规律又是外包络线。我们认为所研究的最大可能冻

胀量对所分析的这671个数据不是随机变量,它们不属同一条件,画在同一张图上,解决不了要解决的问题。实质上该文也不是在进行数理统计分析,所采用的公式(1)和(2)不符合σ也不具备正态分布数正态概率密度函数的意义,其中的μ、

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杨利民等:深季节冻土区地基土的冻胀性63

字特征的含义。总之,这一问题不能用随机正态分布来分析,只能是根据图中这种外包络线的线型借用正态分布中的概率密度函数的形式来描述。

由图和公式得知,北纬55℃、冻结指数3000℃ d处最大可能的地表冻胀量hmax已趋于零,地基土没有冻胀性了。但是在黑龙江省北部大兴安岭地区,以及越过黑龙江进入俄罗斯幅员辽阔的西伯利亚,其冻胀不但存在而且对工程所造成的冻害事故,却屡见不鲜,绝对不可忽视。

选择了承德、哈尔滨与海拉尔三个地点来分析它们的气温变化与冻结过程,其中海拉尔冻土观测站的冻结指数F已

超过了3000℃ d(冻结深度为3.20m,冻胀量为1915cm,平均冻胀率为6%;气温随时间的变化见图3。由图可见,尽管三地的纬度不同、年平均气温有正有负、冻结指数有多有少,但气温在入冬时的冷却速率则基本上是相似的。三地冻深随时间的发展(冻结速率)曲线见图4,由图4可见,从进入稳定冻结开始(地表下20～30cm在初冬为冻融交变的不稳定深度)至最大冻深时,曲线的形状也基本相似。在冻深2Π3～3Π4范围内是地基土强烈冻胀阶段(主冻胀带),或者说这阶段的冻ΔT)最大,冻胀速率v(ΔhΠΔT)也最大,其中H结速率v(ΔHΠ

为冻深,h为冻胀量,T为冻结时间

。

图1　粘性土的冻胀量极大值与北纬度关系2　　站地处北极地区(67°34′N,86°37′E),多年年平均气温-7.9℃,其中2层厚度为114m,

=3.1cmΠd,最大

#

vmax=0.7cmΠd,冻胀量h可达15cm。由此可见,在北半球无论寒冷、严寒、亚北极以及北极地区的自然气候条件下,裸露的原状地基土在冬期冻结时,都不会出现限制、影响冻胀发展的高冻结速率v。冻结指数高的严寒地区,进入

图3　承德、哈尔滨、海拉尔三地气温曲线图　　　　　　　　　　　　图4　承德、哈尔滨、海拉尔冻深随时间的发展

冻结期的时间提前,在冻结过程中气温随时间将不断降低,由于单位时间内气温的负温度增量被该单位时间内冻层厚度增量产生的热阻增量所消耗或基本消耗,所以仍保持了某一不太高的冻结速率,这一不太高的冻结速率出现了比较强烈的冻胀速率与冻胀率。

综上所述,得出几点结 …… 此处隐藏：2064字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……