李 濤
(中石油管道聯(lián)合有限公司西部蘭州輸氣分公司,甘肅 蘭州 730070)
1.1 凍土的定義。凍土是指在0℃以下,含有冰層的各種巖石和土壤。一般情況下可分為短時凍土(指凍土存在時常為數(shù)小時、數(shù)日或半月)、季節(jié)凍土(指凍土存在時常為半月至數(shù)月)和多年凍土(指凍土存在時常為數(shù)年至數(shù)萬年以上)。目前,地球上的短時凍土、季節(jié)凍土和多年凍土的面積約占全球陸地面積的50%左右,其中,多年凍土的面積最大,占全球陸地面積的25%左右,其中高原因其寒冷的氣溫,主要為多年凍土,凍土是對溫度極為敏感的介質(zhì),經(jīng)過研究檢驗,其中含有豐富的地下冰,因此,也使凍土極具流變性和長期強度遠低于瞬時強度的特征。
1.2 凍土的形成。凍土主要由物理風化形成,且進程較緩慢,但在凍融交替時比較顯著,其生物分解和化學風化作用相當微弱,動圖中的元素遷移活動微弱,其中的粘粒含量較少,所以,凍土普遍存在粗骨性。另外,根據(jù)凍土中的各元素含量測算,可為工程基建提供數(shù)據(jù)支撐,例如:高山凍漠土的粘粒中,K2O化合物的含量很高,經(jīng)測算,可達每千克凍土50g,此數(shù)據(jù)表明,凍土中的還未脫鉀,其土質(zhì)處于初期風化階段。
因地球中的土壤內(nèi)都含有水分,但水分的含量不同,當接觸溫度降低到零度或零度以下時,土壤中的水分就會凝結成冰,從而將土壤凍結,進而形成了凍土。經(jīng)過研究,發(fā)現(xiàn)凍土的表層溫度是隨其凍土層的深度的增加而不斷降低的,但它存在一個臨界值,即其土壤層到達一定深度后,它的表層溫度就保持恒定,不再降低并常年保持,研究人員將溫度恒定的土壤層稱為恒溫層,由于該層再往下,會越來越接近地心,其溫度反而會逐漸升高,產(chǎn)生變化,不再恒定。
1.3 凍土的分類。根據(jù)科研人員的研究,凍土可因地理分布不同產(chǎn)生的成土過程的差異和診斷特征,主要可分為冰沼土和凍漠土兩大類。
目前,全球各界的凍土研究主要以“布里奇斯(英文名稱:E.M.Bridges WorldSoils)”的凍土研究材料歸納為以下三類:(1)極地荒漠土(英文名稱:Arcticdesertsoils),即原始冰沼土。它因地理分布不同,在美國,將此類凍土稱為典型冰凍潮濕新成土(英文名稱:Typiccryaquent),而聯(lián)合國的研究材料中顯示,該類凍土則被稱為冷凍粗骨土。(2)極地潛育土(英文名稱:Arcticgleysoils),即典型冰沼土。因各國的研究差異,在中國,它與典型冰潛育土是相同分類,而在美國的凍土研究分類中,稱為冷凍潮濕新成土(英文名稱:Cryaquents),其在聯(lián)合國的凍土分類中也有其固定名稱,為冷凍潛育土或冰凍有機土。(3)極地棕色土(英文名稱:Arcticbrownsoils),即灰化冰沼土。但根據(jù)美國的教材中名稱不同,將其稱為冷凍淡色始成土(英文名稱:Cryochrept),在聯(lián)合國的凍土研究中,材料顯示改分類被稱為冰凍始成土。
在中國,科研人員根據(jù)地里的差異和凍土表象,將凍漠土分為三個類別:(1)典型凍漠土(英文名稱:Typicfrozendesertsoils),具有凍漠土類較明顯的特征。(2)鹽化凍漠土(英文名稱:Salinizedfrozendesertsoils),該類凍漠土中存在較多鹽積特性。(3)龜裂凍漠土(英文名稱:Takyricfrozendesertsoils),此類凍漠土中存在較多的龜裂特征,在我國主要分布于西藏羌塘高原北部邊緣、帕米爾高原和昆侖山內(nèi)部的山脈,海拔在4200m~4500m之間。
當氣候由寒轉(zhuǎn)暖時,根據(jù)凍土是否會產(chǎn)生融化現(xiàn)象,凍土又可分為季節(jié)凍土和多年凍土。當氣候轉(zhuǎn)暖時,會產(chǎn)生融化現(xiàn)象的凍土稱為為季節(jié)性凍土(英文名稱:seasonally frozen ground)。但有些凍土不會隨著氣候的轉(zhuǎn)暖而融化,因此,研究人員將兩年或者兩年以上保持凍結狀態(tài)的土壤稱為多年凍土(英文名稱:permafrost)。例如:我國的青藏高原,因高原氣候寒冷,常年溫度均保持在零度以下,所以,青藏高原上的凍土基本保持常年不融化,據(jù)數(shù)據(jù)表明,比較溫暖的氣候中,凍土只融化了表面的薄層,幾乎可以忽略。
在研究中發(fā)現(xiàn),凍土的土質(zhì)及結構、水質(zhì)、土壤溫度是產(chǎn)生凍害的三大主要因素,多年凍土層在土壤自重和外力的作用下,會產(chǎn)生沉降,造成地基被破壞的現(xiàn)象時有發(fā)生,例如:路肩及邊坡開裂、下滑、路塹邊坡溜坍等。三大因素的存在將導致凍土的凍脹和融沉,對公路、鐵路和工程基建的建設結構產(chǎn)生嚴重凍害,造成坍塌、傷人等事件。為避免出現(xiàn)此類事故,可從三大因素入手,破壞三大因素的組合,改善凍土環(huán)境,均可避免或減輕凍害。
根據(jù)產(chǎn)生危害的三要素,研究人員發(fā)現(xiàn),根據(jù)以下幾種措施,可改善凍土帶來的影響和減輕危害。
(1)采取額外措施。對凍土的土質(zhì)進行改良,添加化學物質(zhì),加促分解,讓其完全融化,或者通過換填等措施使凍土消失,該類措施主要適用于南北界限或凍土島上。(2)不采取額外措施,例如:中國高山嶺地區(qū),該地區(qū)的凍土較穩(wěn)定,不易融化,土質(zhì)較穩(wěn)定,不易產(chǎn)生凍脹和融沉,不需采取額外措施。(3)保護凍土。適用于中國的大部分地區(qū),根據(jù)凍土的嚴重程度不同,可分為主動保護措施和被動保護措施。其中,被動保護措施主要有:為凍土層加保溫板、抬高工程架構地基。主動保護措施有:石塊地基、遮陽棚、通風管地基、復合地基等。(4)對于特殊凍土區(qū)域的工程建設,需要采取特殊措施,例如:架設旱橋,適用于工程地質(zhì)極為復雜的地區(qū)。(5)在我國的高山和中高山地帶,當其凍土溫度為-5.0℃~-1.5℃時,目前我國一般采用保護凍土的措施,按照“溫度存在上限不變和略有上升”的原則設計工程建筑的結構和地基,采取提高地基和在凍土表面設置隔熱層等措施。
凍土是危害公路、鐵路、工程基建的主要危害之一,在我國尤其以高原地區(qū)較為嚴重,本文重點分析了凍土的形成及分類和其帶來的嚴重危害,并從產(chǎn)生危害的因素入手,對凍土區(qū)域的工程建設提出保護措施,推進凍土區(qū)域建設的發(fā)展。
[1]袁忠淮.我國東北寒區(qū)建筑中的凍土研究回顧[J].冰川凍土,1988(03).