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寒区路基工程与多年冻土间的相互作用分析研究-土木工程专业论文d

归档日期:10-15       文本归类:冰分凝      文章编辑:爱尚语录

  寒区路基工程与多年冻土间的相互作用分析研究-土木工程专业论文.docx

  摘要摘要 摘要 摘要 本文基于Harlan水热耦合模型,对多年冻土地区水分场、温度场耦合计算 进行探讨,研究在多年冻土地区修筑铁路路基对多年冻土稳定性的影响,提出 了影响多年冻土基本性质以及冻土冻结和融化的因素,分析了正冻土、已冻土 和正融土中的成冰作用,指出了未冻水的不等量迁移规律、冰的自净作用和冰 的共生生长现象,并对多年冻土区开发中存在的环境问题、防治冻害以及保护 和改善冻土进行研究,在此基础上,本文给出了多年冻土路基工程基本物理参 数的影响因素和计算方法,并进一步指出多年冻土地区路基冻害的主要形式和 影响冻土路基稳定的因素。 本文将Harlan一维水热耦合方程扩充为二维,阐述了水热耦合方程的有限 元和有限差分计算过程,充分考虑了各种影响因素,建立了水热耦合二维物理 计算模型。对该模型采用有限元和有限差分法进行数值离散,通过对该物理模 型数值计算,分析了修筑铁路路基对原天然路面热稳定的影响,铁路路基改变 了原天然地面的传热形式,但也有条件地提高了路基下多年冻土上限。而全球 气候的变暖,也影响到建筑在多年冻土上的铁路路基热稳定性。本文对某路段 未来十年内全球气候变暖对路基的影响进行了数值模拟,并对多年冻土上限的 变化进行分析,得出结论是在未来10年内,多年冻土及路基下温度场仍比较稳 定,但随着气温的升高,多年冻土上限下降是不可避免的趋势。 最后,对今后有待进行的工作进行了讨论。 关键词:多年冻土上限,未冻水量,地温年变化深度,有限元,有限差分,数 值模拟 ABSTltACTABSTRACT ABSTltACT ABSTRACT Based on Harlan model of coupled heat and moisture transference in partially frozen ground,coupled temperature field and moisture flow in permafrost regons and mutual effect of roadbed and natural ground ale presented.The rule of transference of unflozen water in frozen soils is also analyzed.Furthermore, calculation ofphysical coefficients offrozen soils and their effects on the stability of roadbed ate discussed. Through enlarging Harlan-one-dimension physical model to two—dimension coupled heat and moisture equations,the differential equations of temperature and moisture flow are established.An implicit finite—difference,Crank—Nicolson method, and Galerkin finite element method are used to solve these equations.According to the solution of the equations,construction of roadbed breaks the balance of thermal field and moisture transport of nature,but on the other hand natural permafrost table is enhanced.However,stability ofroadbed constructed on permafrost regions will be inevitably affected by global warming.According to the numerical simulation of these two coupled fields,natural permafrost table is inescapably going downward but roadbed will maintain stable in spite ofglobal warming during the next ten years. Key Words:permafrost table,unfrozen-water content,depth of zero annual amplitude of ground temperature,finite element,implicit finite.difiefence,numerical simulation Il 学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定,同意如下各项内容: 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定,同意如下各项内容: 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子 版,并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文;学校有权提供目录检索以及 提供本学位论文全文或者部分的阅览服务:学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构 送交论文的复印件和电子版;在不以赢利为目的的前提下,学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 ~~ 粥 咪日~叫~ ~ 一 经指导教师同意,本学位论文属于保密,在D年解密后适用 本授权书。 同济大学学位论文原创性声明本人郑熏声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,进行 同济大学学位论文原创性声明 本人郑熏声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体,均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名:,禾移回1 噼‘月7日 第1章引言第1章引言 第1章引言 第1章引言 1.1概述 在我国寒区工程建设中,尤其是西部大开发中,基础设施建设,、如西气东 输工程、青藏铁路等都会遇到土体的冻胀融沉问题,众多工程冻害问题本质上 是多孔多相介质带相变的固、液、气、热耦合问题。多年冻土地区兴建的道路、 工业设旌以及大型土木工程建筑工程等,都会受到多年冻土稳定性问题的影响。 冻胀、融沉、道路翻浆、融冻泥石流、边坡及路基失稳等是冻土地区工程冻害 的主要表现形式。 青藏铁路是世界上最大的冻土工程,要通过550公里连续多年冻土地带, 不连续多年冻土区82公里,其中平均地温高于一1.O。C的多年冻土区275公里, 高含冰量多年冻土区221公里,高温高含冰重叠路段约134公里,这是目前世 界上穿越多年冻土里程最长的高原铁路,其环境的复杂多变及恶劣程度举世罕 见。在工程的作用下,这些多年冻土极易发生变化而产生融化下沉问题。世界 上最成功的冻土工程是美国阿拉斯加输油管道。美国人财力雄厚,采用打桩把 整条管线高架起来,尽可能减少冻土的影响。100多年前俄罗斯在靠近北极的 冻土地带修筑了西伯利亚铁路。加拿大、美国,还有中国东北,全世界有冻土 铁路两万多公里。这些铁路都处于高纬度多年冻土地区,相对而言,这些区域 的冻土比较“老实”,而且连续通过冻土距离短,通过冻土总里程也大大小于青 藏铁路。即便如此,这些铁路的病害率仍达到30%左右。 冻土路基的最大特点,就是路基上部都有一层厚度1—5米的季节性冻融 层,其下为对温度极为敏感的多年冻土层,极易受天然因素或人为活动的影响 而融化,产生下沉或融陷;而寒季融化层再度冻结则会产生膨胀变形,这是多 年冻土地区路基变形破坏的主要原因,会极大地影响铁路路基和建筑物的稳定。 人为活动加上气候转暖会导致冻土退化。冻土的消融不仅对各种建筑,而且对 生态环境也会造成很大的影响。冻土下部是永冻土,相当于隔水层:冻土上部 是1到2米的活动层,水分在这里活动。一旦冻土上限下降,活动层厚度加大, 植物所需的水分就会减少,严重的会变成黑土滩和沙化地。而土壤中的热状况、 水分状况及其变化规律是引发冻害及严重程度的主要因素。 第1章引言青藏高原的多年冻士大多属高温冻土、极易受工程的影响产生融化下沉。 第1章引言 青藏高原的多年冻士大多属高温冻土、极易受工程的影响产生融化下沉。 因而,只有保护冻土,才能保证路基稳定。以往的办法是增加土体热阻,减少 进入路基下部的热量,从而延缓多年冻土退化,在一定时间内起到保护冻土的 作用。基于保护冻土设计原则设计的多年冻土地区建筑工程基础设计和施工的 要点是确保冻土的上限不会因为工程建设及施工等人为扰动而下移,传统的方 法是提高路基高度,这种措施对低温多年冻土区比较简便易行,但对高温多年 冻土若不采取积极的保护措施则很难保证路基稳定性。目前,采用保护多年冻 土路基最常用的方法有:单纯的抬高路堤高度或在路堤中铺设保温材料等。长 期的实践表明,在低温冻土区,抬高路堤高度或铺设保温材料均可有效的保护 多年冻土,即使多年冻土上限抬升。但是在高温多年冻土区,抬高路堤不但不 能使冻土上限上升,反而形成融化盘,若过高的抬高路堤,由于吸热面的增大 和阴阳坡的作用,又会造成融化盘的不对称,进而导致路基的不均匀沉降。若 铺设保温材料,则由于它既可在夏季阻挡上部热量传入,但在冬季又可阻挡上 部冷量传入和下部的热量传出,长时间的运行会在路基中形成热量累积,致使 多年冻土上限下降。可以说,抬高路堤高度或铺设保温材料保护冻土路基均是 被动消极的方法,不足以或不可能完全消除冻士路基的融化下沉,尤其在全球 气温升高的大趋势下更是如此。研制一种变导热性能结构材料,即:在路基中 设计一种热交换调控结构材料层,在吸热过程中,它具有绝热材料的性能,从 而阻止热量向下部多年冻土传输;而在回冻季节它具有导热材料的特点,使其 下部热量充分向上部释放。从物理意义上讲,这种结构材料应体现单向导热的 性能,称之为热半导体保温材料。在造价允许的范围内成功地将这种结构层用 于多年冻土区的道路工程,融化下沉问题将有望得到大幅度的解决,这将是目 前和未来着力研究的重要课题之一。 改变以往单纯依赖增加热阻保护多年冻土的方法,采用主动冷却路基思路、 主动保护多年冻土工程措施来确保工程稳定性。通常是根据不同的工程地质条 件采取相应的不同设计原则:在年平均地温较低的稳定型多年冻土区,采取保 持地基冻结状态的设计原则;在年平均地温较高,含冰量较少,路基沉降量可 以得到有效控制的地段,采用旋工及运营期允许融化的原则:在极不稳定的冻 土地段,采用铺设保温层、通风路基、清除富冰冻土、热桩、以桥代路等综合 技术措施;在不融沉或弱融沉的少冰冻土、多冰冻土地区,可采取不考虑建筑 物热力影响的常规设计方法。具体措旋包括块石路基、碎石护坡,在路基两旁 第1章引言埋设高效导热的热棒、热桩,在路基中铺设通风管,在路基顶部和路基边坡铺 第1章引言 埋设高效导热的热棒、热桩,在路基中铺设通风管,在路基顶部和路基边坡铺 设遮阳棚、遮阳板等。而以桥代路是最可靠、最安全的工程措施,旱桥桥桩穿 越冻土层而直接打在坚实的底层,桥上铺架铁轨即可最大限度地避免冻土的影 响。但由于其造价太昂贵,每公里要耗资五千万元人民币之巨,而全长一千多 公里的青藏铁路全线总投资仅约三百亿元人民币。因此,早桥不能、也无法推 广使用,只是在冻土条件复杂、安全性要求高的区域采用。 1.2国内外研究概况 我国西部广大寒区的众多工程冻害问题本质上是多孔多相介质带相变的固、 液、气、热耦合问题。盛煜等人【11基于青藏公路沿线高温冻土区和低温冻土区地 温观测孔的地温观测资料,指出路基近地表地温明显高于对应天然地表下的地 温,路基近地表经历的融化期长于对应天然地表。高温冻土区路基内已形成贯 穿融化夹层;进入高温冻土区路基下伏多年冻土内的热收支处于持续不断的吸 热状态,进入低温多年冻土区的热收支也呈现出吸热明显大于放热的周期性变 化;高温冻土区接近0℃的地温及其持续不断的热积累是引起下伏多年冻土不 断融化的主要原因。低温冻土区进入多年冻土的热积累暂时以增高地温耗热为 主,随着地温的增高,低温冻土区也可能发生强烈的冻土融化。冻土及水热过程 与寒区生态环境有着密切的关系,冻土及水热过程不仅控制着地表状态的变化, 影响着植被的发育程度,同时二者之间也存在着强烈的相互作用的关系,一旦 地表条件被破坏,干扰了冻土水热过程与地表植被生长问的平衡关系,将引起 生态环境的退化,出现荒漠化,甚至沙漠化12】。 基于保护冻土设计原则设计的多年冻土地区建筑工程基础设计和施工的要 点是确保冻土的上限不会因为工程建设及施工等人为扰动而下移[31,传统的方法 是提高路基高度,这种措施对低温多年冻土区比较简便易行,但对高温多年冻 土若不采取积极的保护措施则很难保证路基稳定性[41。在这些地区,抬高路堤不 但不能使多年冻土上限稳定,反而有可能使路堤下融化深度增加嘲,这是因为边 坡面积的增加,使路堤侧向传入的热量增多,既使路堤较高,也不能阻止多年 冻土上限下降,在天然状况下,随着温度升高,多年冻土的上限会逐渐下降;为 防止多年冻土上限下降,采用同一温度下,加抛石、加遮阳棚均会明显抬升冻 土上限;在温度较高时,加抛石遮阳棚抬升多年冻土上限效果更为显著[61。 第1章引言冻土作为一种多成份、分散相颗粒集合体系,其冻结过程除原位水冻结膨胀 第1章引言 冻土作为一种多成份、分散相颗粒集合体系,其冻结过程除原位水冻结膨胀 外,水分还源源不断地向冻结锋面迁移、聚集并结晶,水分的迁移、聚集和结 晶过程通常在很大程度上受控于土体温度状况、溶质性质及应力场等条件,导 致其热力学行为比其它松散介质更复杂17_Sl。目前,比较广泛使用的冻土冻结过 程水热耦合迁移模型主要有二类:基于多孔介质中液态水分的粘性流动、热平 衡原理的Harlan模型f9】;应用不可逆热力学原理描述土壤水热通量的热力学模型 ¨o】。由于涉及到许多物理、化学参数,而许多参数难以测得,因而使模型应用受 到一定限制。 Harlan模型的基本思想是认为已冻土中未冻水的迁移类似于非饱和土体的 水分迁移,该模型实质上是把热和水的流动分别用各自系统的方程写出来,并 把冻土内未冻水含量作为温度的函数,连接了两个方程。Newman[”1在Harlan模 型的基础上,利用实测得到的土-水特征曲线和土.冻结曲线简化方程。当仅仅解 热平衡方程式时,对冻结锋面的位置会有低估作用,常用的表面张力粘性流动理 论不能准确描述冻结过程【12】。Shen等人【131在Harlan模型基础上考虑了冻胀变形及 冻土的蠕变综合效果与土应力变化的关系,但介质的力学性质并未与水热迁移 方程耦合。Ling等人11,J贝tj采用简化的Harlan模型,不考虑水分迁移,仅计及相变, 分析了高边坡路堤设置路堑后对路基融化深度及温度场的影响。Li等人m1通过对 退化型的多年冻土区道路稳定性计算分析,研究了路堤高度与路面材料性质之 间的关系。米海珍等116]则从相变熟传导理论出发,结合实测路面温度资料,计 算分析了青藏公路某路段沥青路面下多年冻土上限的变化趋势。令锋等【171探讨了 渗流对多年冻土区路基温度场的影响,计算结果显示:渗流作用加深了季节融 化深度,从而增加了多年冻土路基的不稳定性。由于Harlan模型相对简单,目前 仍广泛使用。 吴青柏等人u8I利用多年冻土分布下界的统计方程和关系模型及基于格网的 地理信息分析系统,对青藏公路沿线多年冻土下界分布和多年冻土地温带分布 进行计算机模拟。喻文兵等人””对多年冻土区铁路通风结构路基室内模型试验研 究指出:由于通风管的使用,使得路基的士体的温度场在沿着风向方向上,呈 不对称部分,这对寒区冻胀敏感性填土路基和高含水率路基是不利的,因为路 基温度场的不对称分布,可能造成整个路基不均匀冻胀或沉陷。 实际工程问题的土体在冻结过程中,不论是融土区、过渡区还是冻土区,所 涉及的问题通常不仅仅是温度场和水分场问题,往往还涉及到应力场问题,并 4 第l章引言且应力场对士体的变形过程及分凝冰的形成起着重要的作用。王建省等人【2。】指出 第l章引言 且应力场对士体的变形过程及分凝冰的形成起着重要的作用。王建省等人【2。】指出 进一步揭示冻土的基本性质,特别是建立其最本质的力学性质及力学模型的重 要性。何平等人【2l】依据连续介质力学、热力学原理,提出了土体冻结过程中的三 场耦合方程。Li等人[22】基于多相多孔介质的平衡、连续性以及能量原理,建立了 冻土基础水热变形耦合模型,该模型考虑到土骨架和冰颗粒相互间的作用办, 以及冰水相变的能量跳跃特征。陈飞熊等人【23l通过对冻土多孔多相微元体的平 衡方程、各相成分之间的变形协调方程,推导出冻土体(考虑土骨架与冰颗粒之间 相互作用力一冻胀力)的有效应力原理、正冻土单元的连续性方程及各相成分的 能量转换与传递方程;在此基础上提出了正冻土的控制微分方程的理论框架.从 而建立了在多孔固液介质的质量守恒方程与多孔多相介质的热、能守恒方程的 基础上的全面考虑冻土中骨架、冰、水三相介质水、热、力与变形真正耦合作 用的数理方程,比当前国际流行的正冻土流体动力学模型、刚冰模型和热力学模 型更全面地描述了正冻土的水、热、力与变形的实际状态。李洪升等人Ⅲl将冻土 体视为空间弹性体,提出了士体在冻结过程中水分场、温度场、应力场三场耦 合的一般数学模型,并给出了相应的离散方程及其解法。Shoop等瞄l提出水热耦 合模型,该模型用于模拟大型冻融试验,以评估它预测土水条件的能力。并对 两种实验条件进行模拟:(1)土相当湿,地下水位浅(表面下1米)(2)土壤水 分低于持水率,地下水位深。该模型对冻结深度和冻胀预测得较好,然而,该 模型高估了冰形成(导致更慢的冰融化)、对干土中匹配总的含水率由低估了冻 胀。上述这些误差来源于非饱和土中冻结和冻胀的物理过程的描述。建议通过 伪三相流势和90%饱和度开始计算单位体积分凝冰含量。 制约西部发展的关键问题是道路工程问题,而其中的路轨冻胀隆起,公路路 基的融沉、翻浆则更是这一问题的瓶颈所在[261。其实质是冻土上限受到气温、人 为活动等多种因素影响发生上下波动变化,导致一系列灾害问题。应用保温处理 措施㈣保护多年冻土目前还不是一项成熟的路基融化下沉病害防治对策,尽管在 原理上保温层的隔热效应可以限制或延缓多年冻土上限的下降,但是它不可能 改变路基下冻土热收支的发展趋势。建筑后的经历时间对路基高度的影响很大, 尤其是对退化的永久冻土区。当沥青路面路基高度高于5米时,建筑10年后会在 人工永久冻结面上形成融化核,从而路基冻胀变形增加,但是对于混凝土和碎 石路面,不会形成融化核1281。冯恩民等人【29】从冻土温度场的实际背景、物理现实 及温度场的数值计算现状出发,阐述了参数辨识的重要性和必要性,将问题分解, 第1章引言把在无穷维空间的辨识转化为有限维空间的辨识。 第1章引言 把在无穷维空间的辨识转化为有限维空间的辨识。 马保国等人【30】首次提出热扰动半径的概念,建立单层圆筒壁稳态传热模型, 采用无穷极限积分和多次逼近等数学方法进行理论热工计算,推导出不同冻土种 类下扰动半径与水泥标号、品种及最高掺量、混凝土中心温度、回冻时间之间 的热学关系式。以此为指导经济合理的选择或确定水泥品种、标号及其混凝土 配合比方案。确保在满足工程施工和质量设计要求下,混凝土不破坏周围冻土结 构,因而避免冻土的冻胀和融沉而导致地基的破坏。研究发现,非传导因素引起 的热交换是显著的Ⅲ1,青海一西藏平原的土能量一水分布和冻融过程随地域而不 同【32】。 软土地基的存在使得路基路面体内的温度、湿度、温度梯度和湿度梯度的 变化不同于常规的水冻问题p3l。季节性冻土是一种冰水共存的特殊土水体系【341。 王文龙等人p5】建议:加强冻土物探数字信号的处理与研究,以便解决冻土中含 冰层的位置、含冰量、冻土的结构特征、冻土层的厚度等关键数据的计算问题; 加强多年冻土体分析计算,建立不同冻土模型的信号特征,提高解释水平;加 强冻土电性特征、电磁特征、弹性特征的系统研究。赵建军等人【361根据温度梯 度诱导薄膜水迁移的冻胀机理,建立了模拟标准样品无盐土冻胀过程的水热耦 合模型,Michalowsld等叫对于冰增长引起土体体积增加用现象学模型而不用 微观机理过程,描述了一个基于孔隙率方程的模型。Nakano[a8。91使用M1模型 分析了水的排斥问题,发现水的排斥作用取决于土型,水热条件,该模型准确 描述了冻结缘特性。 冻土介质水热耦合作用下温度场计算的一个突出特点是物理场的不连续突 变以及强非线性自由—移动边界问题。这类问题除极少数简单情况有精确解析 解外,绝大多数实际问题都难于构造解析解,通常都要依赖于数值求解方法。 毛雪松等人M在观测正冻土冻结过程中水分场和温度场随时间变化规律的 基础上,引用Flerchinger建立的垂直一维冻土系统水、热流耦合模型及相关的 联系方程和边界条件对观测结果进行数值模拟,刘鸿绪等人 1通过野外原位观测 发现,在北半球自然气温条件下,地表裸露、原状均质、冻胀性地基土的冻结 过程中,冻结速率越大越有利于土的冻胀,即冻结速率与冻胀速率呈单值升函 数规律。米隆等人[421应用有限元方法,对一通风路基的温度特性进行了三维数值 分析,指出通风路基有对冻土制冷的作用,能达到降低冻土路基温度,保证冻 土路基稳定的目的。赖远明等人㈣根据多孔介质中流体热对流韵连续性方程、动 6 第1章引言量方程和能量方程,应用伽辽金法导出了多孔介质对流换热的有限元公式,结 第1章引言 量方程和能量方程,应用伽辽金法导出了多孔介质对流换热的有限元公式,结 果表明,抛石路基有对其下面的冻土提供冷能的制冷作用,可以保证冻土路基 的稳定。因此,推荐该种路基作为青藏铁路高温冻土区的路基结构:可以最大 限度地保护冻土区的铁路。 利用数值模拟方法I“I,分析在多年冻土地区修筑路堤,夏季路基边坡积水通 过路堤及在其下土壤的渗流过程中,由于对流换热引起的路堤基底的不稳定。 Lai等人Ⅲ】根据热传输理论和渗流理论,首次提出了有相变的温度场和渗流场控 制微分方程耦合问题,并用Galerkin方法得出有限元方程,结果表明渗流对冻结 深度影响很大,因而,在冷区工程设计中应该考虑渗流的影响。通过计算机数 值模拟进一步证实,夏季路基边坡积水可导致路基基底之下的多年冻土上限下 降,并使路基下形成凹型融化核或扩大已有融化核的深度和范围,从而加大硌 堤的融化下沉量和冬季的冻胀量,造成路基稳定性程度明显下降。 李祝龙等人【461在历年观测资料的基础上,以路基内温度场和年最大融深(上 限)为主要指标,应用有限差分法,结合计算机等先进手段进行研究分析,着重 探讨多年冻土上限的变化,并分析不同路面结构对上限变化的影响。高含冰量多 年冻土区采用半挖半填结构产生的路基变形最为剧烈,在含冰量相对少且采用 较高路堤结构的地段路基变形过程相对平缓,多年冻土人为上限的下移、地下 冰的融化会在多年冻土人为上限以上的地质体中导致较强烈的层间错动和扰动 1471。吴青柏等人4Bl根据青藏公路沿线地温温度场的监测资料,对多年冻土热稳 定性模型进行了计算,并分析了多年冻土热稳定性与年平均地温、多年冻土顶板 温度和季节融化深度间的关系。王绍令等人[49.sol选择昆仑山垭口和66道班两种 不同冻土类型路段,首次在沥青路面上开展路面辐射和热量平衡观测,并同时 和路旁天然场地自然下垫面进行同项目的对比观测。 通过观测和计算,研究了 不同冻土类型路段沥青路面下热量收支状况及路基热量年周转,找出了致使路 基沉陷及产生融化核的根本原因,并对路基内融化核形成演化及其稳定性进行 分析,计算了路基下人为上限达到最大深度及所需时间和融化核的最终稳定厚 度,为青藏公路整治提出了可行性措施。刘志强等人口1l就青藏铁路线各种类型 的桩基础在冻土地区的应用利弊和选择、设计、施工及计算进行了分析,结果 表明,扩底桩由于底面扩大,除了可提高承载力外,在抗上拔方面也有其突出 的优点。 实际工程要求计算模型贴近现实以求得合理的解答。Seto等人瞰l对过度固结 第1章引言粘土状淤泥土样本进行有、无背压力的冻胀测试,并初步估计,在未冻结土保 第1章引言 粘土状淤泥土样本进行有、无背压力的冻胀测试,并初步估计,在未冻结土保 持饱和的条件下冻胀性能与施加的背压力无关。Tamawski等m1用De Vries模型 加强版程序快速估计土热传导性质。Konrad等人㈣应用迁移势理论计算了二维冻 胀问题。Li等人【551采用三场耦合模型计算了冻土区桩基的沉降以及周围土体内的 孔隙压力分布和温度场分布,并在进一步区分不同冻结区相互作用力的差别之 后,提出了一个改进的三场耦合理论模型㈣。Rarllos等人【571在不考虑耦合作用的 前提下,认为冻结过程仅由相变热传导控制,由群论理论得到无限域及半无限 域中相变自由边界位置的精确解析解。 Watanabe等人呻1用核磁共振技术测试温度下降和未冻水含量,发现未冻水含 量随着溶质浓度增加而增加。Simonsen等Ⅱ91指出迄今对于解冻的弱化作用研究不 足,研究发现,土特性、渗透性、排水条件以及解冻率是影响弱化程度的几个 最主要因索。Padilla等人㈣通过实验数据用来验证有限元程序MELEF,模拟饱 和和非饱和多孔介质中水流、热和溶液传输。首先,用数值模拟来预测土柱中 的冻胀。预测和实验的误差小于5%。其次,实验条件的灵敏度分析表明冻胀主 要受下列参数(定义土壤水分保持曲线)的影响:毛细管高度、孔隙分布和饱 和度。最后,用MELEF进行冻胀敏感性测试,以估计冬季不同条件下某一特殊 路段的冻胀。 使用神经网络预测温度场是一种新的尝试。人工神经网络具有学习、记忆、 计算和智能处理功能,具有较强的处理非线性问题的能力,可以直接根据试验 数据,通过学习培训,预报输出量与输入量之间内在的非线本文的主要工作 本文对影响多年冻土基本性质以及冻土冻结和融化的因素进行了分析,叙 述了正冻土、己冻土和正融土中的成冰作用,指出了未冻水的不等量迁移规律、 冰的自净作用和冰的共生生长现象,并对多年冻土区开发中存在的环境问题、 防治冻害以及保护和改善冻土进行探讨。在此基础上,本文给出了多年冻土路 基工程基本物理参数的影响因素和计算方法,并遴一步指出多年冻土地区路基 冻害的主要形式和影响冻土路基稳定的因素。 本文基于Harlan模型对冻土路基热稳定进行分析,并对其进行适当改进, 建立适于实际应用的水热耦合模型,找出具有一定精度、便于实际工程应用的 第1章引言多年冻土地区计算模型及数值分析方法。 第1章引言 多年冻土地区计算模型及数值分析方法。 实际问题的计算,往往很难求出精确解。本文采用有限元和有限差分法, 对水热耦合模型进行数值离散,并结合软件(Matlab)进行数值模拟,分析多 年冻土区修筑路基后若干年内温度场分布和最大融化深度的发展趋势,确定冻 土上限随气候变暖的变化情况。以天然地层为参照物,研究修筑铁路路基后对 温度场的影响,探讨铁路路基的热稳定性。对气候变暖影响冻土路基的热稳定 性进行评价,以期在工程实践问题上从理论计算方面进行探讨。 9 第2章冻土概述第2章冻土概述 第2章冻土概述 第2章冻土概述 2.1冻土含义、分类 凡是土体温度等于或低于零摄氏度、且含有冰的士(石),称为冻土。这种 状态保持二年或二年以上者,称为多年冻土。多年冻土的分类方式有多种,按 照土的类别及其总含水量,可分为:少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻 土及含土冰层五类;按成因来分:后生冻土——沉积作用完成后自下向上形成、 共生冻土——现代沉积作用形成的冻土、多生冻土——后生与共生交替;按年 代:古代(冰川期)多年冻土和近代(大陆性)多年冻土;按发展趋势:持久 性冻土和退化性冻土;按冻结状态:坚硬冻土、塑性冻土、松散冻土;按冻土 结构可分为整体结构、层状结构、多孔结构三类。整体结构冻土在冻结时水分 来不及迁移,冰粒散布于空隙中,解冻时强度不降低,其一般为沙类土;层状 结构冻土则是粘性土中有水源补给单向冻结产生冰夹层,解冻成可塑状,强度 突降;多孔结构冻土中水源充足非单向冻结,解冻强度不大幅度降低。 土的冻胀性、融沉性以及各类不良工程地质现象都是取决于土质、水分条 件、温度状况,取决于工程的性质及其对地质环境的影响。对于季节冻土,主 要考虑其冻胀性分类,根据土质、天然含水量、冻结期间地下水位低于冻深的 最小距离,将地基土分为不冻胀、弱冻胀、冻胀和强冻胀。而对于多年冻土,‘ 则主要考虑其融沉性分级,根据多年冻土的含冰情况,土的级配、总含水量和 融化后的潮湿程度,对其进行融沉性分级评价。 2.2冻土的基本性质 2.2.1多年冻土的量大融化深度 多年冻土的最大融化深度一般发生在9月底或10月初(特殊情况除外),此 时空气的热传导系数远大于土层。虽然9月底或lO月初以后土中热量还会有很 小一部分往下传,导致冻土融化,但是大气开始降温,地表很快冻结,致使多年 冻土上限以上温度逐渐下降,形成从上而下的冻结。同时,由于其下多年冻土的 10 第2章冻土概述影响产生自下而上的冻结,故认为取该月平均温度为最大融化深度对应的温度, 第2章冻土概述 影响产生自下而上的冻结,故认为取该月平均温度为最大融化深度对应的温度, 深度为相应的最大融化深度,即取9月份对应的温度。 实际上冻土(尤其是细颗粒土)的融化温度一般总是低于O℃的,如果以 --0.2℃作为实际冻土融化温度,则高温冻土区在某一范围内已经形成了终年不 冻的融化夹层,而且融化夹层呈扩大趋势旧1。 2.2.2相变特性 冻土是低温的多相体系。对于松散土,其冻结温度Tf取决于土的矿物成分、 粒度成分、水分和盐分。在矿物成分和粒度成分相同时, Tf=-aW+1S“ (2.1) 式中:w——含水量;卜含盐量;a,b1,b2——经验系数:主要和土的 粒度成分、矿物成分和构造有关。从上式可看出,冻结温度随含水量的增大而 升高,随含盐量的增大而降低。 当含盐量达到某一临界值以上时,Tf足够低,甚至低于在当地条件下所能 达到的最低温度,于是土不发生冻结。随温度的变化,某些盐分的结晶水含量 将发生变化,而令土发生盐胀。 在土开始冻结的瞬间,土的全部含水量w也是未冻水含量w。,而土温则 等于土的冻结温度Tf,于是,式(2.1)可改为: 矾=ablSb LIr-丽 (2.2) 于是对于同一级配的土,未冻水含量将随着含盐量的增高而增大,随着负 温值的增大而降低。 令n=l/bl,m=口6-S“,则有: 耽=mO” (2.3) 式中:口为负温。 o—椰u m.vl 对式(2.3)取导数,便有 dO 0”1 (2.4) 式(2.4)表明,在负温情况下,随着土温的降低(即随着土负温绝对值的 第2章冻土概述增大),未冻水含量对温度的变化率的绝对值趋于减少,也就是说,在温度较高 第2章冻土概述 增大),未冻水含量对温度的变化率的绝对值趋于减少,也就是说,在温度较高 时,对应于单位温度的变化,未冻水含量有较大的变化;而在温度较低时,对 应于单位温度变化,未冻水的含量变化不大。可见,水的相变主要发生在冻结 点以下某个温度范围内,这个温度范围,也就是剧烈相变区。 由于冻土中有冰,而且,随着温度的变化,冰的含量和冰水之比也发生变 化。因此,冻土各方面的性质随温度的变化而变化。可归结为物质迁移特性、 热物理特性、体积膨胀——收缩特性和强度特性。 2.2.3物质迁移特性 当土体的一部分(正冻区)冻结成冰时,其液态水含量在降低,而固态冰 含量在增大,这就导致冻结过程中的物质迁移。 对于黏性士而言,在冻结成冰的过程中,冻结抽吸力的产生、结合水膜的 减薄和土水势的降低,导致未冻区的水分向正冻区迁移。在有外界水源补给时, 特别是在慢速冻结过程中,这种迁移量会相当大。随着温度的降低,液态水的 减少(未冻水转化为固态水以及冰阻塞水分迁移通道减少了外来水源的补给)‘, 水分迁移会逐渐减少。 在水分迁移的同时,也发生不等量的盐分迁移。首先,在冻结过程中未冻 区的土壤溶液带着盐分向正冻区迁移,使其含盐量和含水量增大;第二,在结 冰时,盐分自生长着的冰晶向正冻区内的未冻土壤溶液析出,使其浓度增大; 第三,在浓度梯度的作用下,盐分从正冻区的未冻土壤溶液向未冻区反迁移。 但是,第三过程中的盐分反迁移在数量上总是少于第一个过程。这是因为,随 着第二过程的进行,正冻区中未冻溶液的浓度越来越大,这就导致:其一,如 果正冻区未冻溶液的浓度超过了盐分的溶解度,一部分盐分就沉积在正冻区内; 其二,正冻区中的未冻溶液温度越降低,以致正冻区的前缘已达到冻结点并开 始结冰时,“老”正冻区中的低温溶液仍处于液态,它的前缘冻结成冰,从而阻 塞盐分反迁移。结果,在渗透性不良的黏性±冻结过程中,盐分总的迁移趋势 是由未冻区指向正冻区。而在水溶液和良渗透性土冻结过程中,水分和盐分总 的来说是由正冻区向未冻区迁移。于是,在从融化状态到冻结状态的过程中, 黏性土的含水量和含盐量趋向于增大,而良渗透性土的含水量和含盐量则趋向 于减少。 第2章冻土概述2.2.4热物理特性 第2章冻土概述 2.2.4热物理特性 冻土的物理性质是各相热物理性质的综合反映。因为冰的比热是液体水的 一半,在其他条件相同时,土冻结后的比热总是小于它在融化状态时的比热。 只有在土的含水量极小,或者在土的绝大部分含水量都保持在液态时,土在冻 结和融化状态下的比热才没有显著变化。 冰的导热系数是液态水的4倍,因此,当其他条件相同时,冻土的导热系数 一般大于融土;只有在土非常疏松和非常干燥,士的组成颗粒非常小或含盐量 很大时,由于冻结后冰晶极少,它在冻结前后的导热率才不会有实质上的区别。 水具有非常高的融化(冻结)潜热。在标准大气压和273.1K时,冰的融 化潜热为333.5kj/kg。实际上,土温变化所吸收(放出)的热量,远远不如相变 所消耗(或放出)的热量。高含水量的活动层每年的熟周转,大部分都消耗在 相变热中。高含冰量冻土生成(融化)时,就要放出(或吸收)大量的热,这 一热作用,限制了冻结(融化)深度的增大,也抑制了土温及环境温度的剧烈 变化。 2.2.5体积膨胀一收缩特性 当大量的水分从液相转为固相时,土便发生冻胀;当水从固相转为液相日寸f, 土发生融化下沉,在有外荷载作用下还会发生融化压缩:当大量的水分转入盐 类结晶格架成为结晶水时,就会引起土体的盐胀。这些与温度和水的相变相伴 而生的体积变化,严重影响着地基土的工程性质。 所谓冻胀,就是土在冻结过程中,土中水分(包括土体孔隙中原有水分以 及从外部迁移到土体来的水分)转化为冰,引起土颗粒间的相对位移,使土体 体积产生膨胀、土表升高。如果土体在冻结过程中均匀膨胀、在融化下沉过程 中均匀下沉并且是基本等量的,这种过程称之为土的冻融脉动。如果脉动的幅 度不超过建筑物的承受能力,它就对建筑物没有多大的危害。但是冻胀一般是 不均匀的,不均匀而且巨量的冻胀将导致建筑物的破坏。此外,土在冻结时和 它所夹持的物体(如石块、桥墩、桩基等)冻结在一起并共同胀起,由于某种 原因,在土融化时,这些物体不能回到原位,在一个或若干个冻融循环的过程 中,这些物体就会被排挤到土体上部或挤出土体,导致粗大物体向冷端迁移, 这种作用称为冻融分选作用,生成各类冰缘产物,如石环、拔石、石条等,导 第2章冻土概述致建筑物破坏。 第2章冻土概述 致建筑物破坏。 冻胀变形的基本特征是冻胀量和冻胀率,土层冻结前后厚度差,、称为冻胀 量,冻胀量与该土层原始厚度的比值,称为冻胀率r/。 ,7;一All+100%=hx-h竺,100% (2.5) ho 矗。 式中:ho_一冻结前土层的厚度:h,一冻结后土层的厚度。 土的冻胀率,受土的机械组成、土的密实程度、±的含水量、土的冻结速 率以及土体与地下水位的距离等因索的控制。 土的机械组成对土的渗透性和土粒表面吸附能力有很大的影响。在纯净的 粗颗粒土(小于O.05ram颗粒含量低于12%)中,土的比表面积很小,因而其 表面吸附能力也很小,不利于薄膜水的存在和迁移,所以在封闭性冻结情况下, 一般不形成明显的冰体,冻胀性很小。而在开放性冻结也即有外界水源补给情 况下,可以形成侵入型冰体而导致冻胀。随着土中颗粒含量增大,士粒的比表 面积和吸附能力也在增强,土的薄膜水含量也在增高,因而在冻结过程中成冰 和水分迁移的能力也在增大,从而导致土的冻胀性增强。以O.05~0.005mm(粉 粒级)颗粒居多的土,既有较强的吸附能力,也保持有较好的渗透能力,因而 其成冰——冻胀性最强。颗粒进一步变细,小于0.005mm(黏粒)含量进一步 增多,此时虽然薄膜水含量较高,但渗透性却在减弱,在达到一定的级配界限 后,冻胀性反而减少。当水分、温度及冻结条件大体相似时,各类土的冻胀性 强弱按下列顺序递减:粉质土、亚砂土亚黏土黏土砾石土(小于0.05mm颗 粒的含量超过12%)粗砂砂砾石。 土的密实程度对冻胀也有一定影响,当土非常疏松时,土具有较大的孔隙, 冰只充填于孔隙中而不能使土粒的距离明显增大,所以它是弱冻胀性的。随着 土的密实程度增大,士颗粒间的距离趋于减少,冻结时薄膜水的迁馥趋于活跃, 冰的形成将使得土粒间的距离增大,于是,冻胀率随干容重增大而增大。在达 到某一临界值以后,随着千容重的增大,土架格的连结力增大,渗透性降低, 因而冻胀率也趋于降低。 土的含水量与地下水埋藏深度对冻胀率有很大的影响。当含水量小于塑限 (大体上就是起始冻胀含水量)时,土冻胀性很弱,随着含水量的增加,土的 冻胀性在增强。当正冻土体与地下水位很接近时,冻胀性强,因为地下水位源 源不断地补充给正冻土;随着地下水埋藏深度增大,冻胀率降低,到某一临界 14 第2章冻土概述值以下土冻胀率很小,可忽略。 第2章冻土概述 值以下土冻胀率很小,可忽略。 冻结速率对冻胀有重要影响,当冻结锋面移动很快时,水分来不及迁移和 聚集,因而冻胀率也比较小。在慢速冻结时,水分可以充分迁移和聚集成冰, 造成较大的冰体,导致较强的冻胀。此外在外载的作用下,冻胀将减弱。 随着含盐量的增大,土的冻结温度降低,在~定的温度条件下;含盐量高 的土体具有较高未冻水含量和较小的含冰量,因而,其冻胀性较弱。当含盐量 达到某一数值以后,土的冻结温度便低于当地可能达到的最低土温,在整个冬 天也不发生冻结,因而也就没有冻胀。然而,由于土中含有大量的Na2SO。,在 温度改变时,Na2S04含结晶水增多,这就导致土体膨胀,也即盐胀。除Na2S04 外,含Na2C03的土也可能产生盐胀,但其含盐量一般不大,盐胀量一般可以忽 略,因此,一般所指的盐胀,是由于硫酸钠结晶水增加而造成的膨胀。 在温度升高,冰融化时,士体在自重作用下产生一定量的下沉。在土的自 重和外载作用下,水逐渐排出,使土体进一步下沉。冻土融化时在自重作用下 发生的下沉称为融化下沉,融化时在外载作用下的体积压缩称为融化压缩。为 便于研究,将测定融化下沉和压缩分成两步。第一步,在等于自重的荷载作用 下令土充分加热和融化,定义土层在无侧向压缩时融化前后厚度差Ah为融化下 沉量,融化下沉量Ah与士融化前的厚度110之比~为融化下沉系数。 A0:些+100% (2.6) h0 第二步,在土完全融化后,对土逐级加载,士孔隙比的变化△£和相应的荷 载增量AP之比‰称为融化下沉系数。 ∞:垒曼 (2.7) AP 表征土的融化下沉和融化压缩能力的两个指标Ao和0【0,取决于土的机械组 成、含冰量以及土的干容重;砾石土的融沉性最低,砂类土次之,黏性土,特 别是有机质土最高。在一定的含水量界限下,土的融化下沉量很小甚至可以忽 略,在此界限以上,融化下沉系数随含水量的增加而增大。同样,在一定的于 容重界限以上,土的融化下沉与融化压缩系数很小,甚至可以忽略,在此界限 以下,随着干容重的减小(孔隙比增大),融化下沉和压缩系数在增大。 冻土的融化下沉特性除了与土体的平均含水量(含冰量)和平均密度(孔隙 比)有关,还与土体的结构和物质分布的不均匀性(冻土的冷生构造)有关。在 机械组成、平均含水量和平均干容重大体相近的情况下,具有层状冰和网状冰 第2章冻土概述的冻土体的融化下沉系数总比整体构造冻土大,而在融化后的压密过程中,前 第2章冻土概述 的冻土体的融化下沉系数总比整体构造冻土大,而在融化后的压密过程中,前 者的压缩系数又总比后者的小得多。这是因为,层状——网状构造冻土的矿质 部分本已具有较大的干容重,在融化过程中,层状——网状冰的融化及融水的 排出,使得固结过程已经大部完成。而在整体构造冻土中,胶结冰均匀散布在 土的孔隙中,融化时在自重作用下,融水未能充分排出,只有在外荷作用下其 大部分固结才能完成。 2.3土季节冻结和融化的影响因素 一般情况下,冻土在九月末到达最大融深后,自下向上(由最大融深向地 表)的冻结随即开始,不久,自地表向下的冻结出现,最后两个方向的冻结汇 合,季节融化层消失。在冰析和冰融过程中,冻结和融化界面会较长时问滞留 于某一深度不变。相变结束后土温才能升高或降低,冻融界面得以下降或抬升。 就季节融化层整体而言,其冻结后的总含冰量不超过该土层融化状态的饱和容 水量。在有地下水源补给时,季节融化层中部一般不存在含水量小的那一层。 影响土的季节冻结和融化因素很多,诸如雪盖、植被、地形、水体、岩性和含 水量等等。它们积极参与大气与地面问的热交换,影响地面和地中温度状况, 从而决定土的季节冻结和融化特征。换句话说,即各种因素对土的季节冻结和 融化的影响,是通过季节冻结和融化层底面的年平均温度(或年变化深度处的 年平均温度)及地面年平均温度较差表现出来。在其他条件等同情况下,季节 冻结和融化深度在年平均温度等于0℃的地带达最大值,随着年平均温度降低或 升高,季节融化深度或季节冻结深度相应减少,与此同时,深度随地面年平均 温度较差增大而增大。 2.3.1叠盖的影响 在东北和内蒙古北部,冬季积雪主要起升高地温作用,结果是加大季节融 化深度和减少季节冻结深度;与此同时,雪盖减小地面年平均温度较差,使季 节融化和季节冻结深度都减小。因此,可认为,雪盖的升温作用对季节融化深 度影响不大,而减少季节冻结深度的作用明显。在青藏高原,积雪以春秋两季 较多,冬季较少,积雪的厚度不大,雪盖的升温作用微弱。而夏季积雪的融化 16 第2章冻土概述 第2章冻土概述 对地面起降温作用。全年总的效应尚缺系统观测。 2.3.2植被的影响 植被能减少地温年较差,对地面可起冷却作用,也可起保温作用。 2.3.3土的成分和含水量的影响 季节冻结和融化与土的热物理性质关系极为密切,而土的热物理性质又诀 定于土的成分、密度、孔隙度及含水量等。冻土和融土的导热系数、导温系数 和容积热容量均随干容重增大而增大。这是由于千容重增大,单位体积土中矿 物骨架数量增多,孔隙减少,矿物骨架的导热系数和导温系数远远大于气相充 填物之故。当干容重相同时。上述土的热物理参数随总含水量增大而增大,但 随含水量多少和水的相变而阶段性增大,并且冻土和融土有些差别。在干容重 和含水量相同时,一般是粗粒土的导热系数、导温系数比细粒土的大。细粒土 中又以泥炭的导热系数和导温系数为最小,而比热最大。因而,在其他条件等 同情况下,粗粒土中的季节冻结和融化深度比细粒土中的大。在青藏高原(青 藏公路沿线).季节融化深度在砂砾卵石中为3.O~3.5m,皿砂土中为1.5~2.5m, 亚粘土中1.1~1.8m,草炭中只有0.8~1.1m。土的融化与冻结状态互相转变过程 中,土的导热系数要发生变化,即土在冻结状态时的导热系数(kf)不等于其在 融化状态时的导热系数(kIJ)。于是在季节冻结或融化层内产生温度位移。土壤 表面多年平均温度(t0)与季节冻结和融化层底面多年平均温度(k)的差值称 为温度位移(△t),当kfk时,tc总是低于to;当k—(u时,则相反。由于温度位 移,b为正值的地方可以有多年冻土存在。 2.3.4地寰沼泽化的髟响 地表沼泽化对土壤可起保温作用,也可起冷却作用。这与地区雪盖厚度、 沼泽化地段地面积水情况、苔藓和草被对地面的覆盖程度及其饱水状况等有很 大关系。沼泽化在我国多年冻土区主要起冷却作用,即降低地温和减少季节融 化深度。 17 第2章冻土概述2.3.5地形的影响 第2章冻土概述 2.3.5地形的影响 地形对季节冻结和融化有多种多样的影响,首先是海拔高度。随海拔增高 年平均地温降低,地表温度年较差减少,因此,在其他条件等同的条件下,随 海拔增高季节融化深度减少。而季节冻结深度变化不大。其次,坡向和坡度直 接影响地面接受太阳辐射的强度。同一时间不同坡向、相同坡度情况下,阳坡 比阴坡地温高、融深大;同~时间在同一坡向、不同坡度情况下,坡度大处地 温比坡度小处高、融深大。 2.3.6水体的影响 首先是沼泽的积水,使得沼泽地地温降低和融深减少,起冷却作用。其次, 湖塘对冻土的影响,湖塘可升高底部沉积物温度。第三,河流对冻土的影响主 要表现在升高土层温度,加大季节融化深度,越接近河床融深越大,第四,季 节冻结和融化层与冻结层上水之间有着密切的动力联系,主要表现在:其一, 冻结层上水的补给延缓上覆土层的季节冻结和融化过程,水的相变形成的“零 点幕”较长时间停留在一定深度,致使冻结和融化过程呈阶梯状进展;其二: 地下潜水位随土的季节冻结和融化进程而波动,冬季,潜水位受上覆土层冻结 承压而上升,这也正是冻胀丘、冰锥等冻土现象产生的直接原因。 2.4地下冰分类与冷生构造 地壳中的任何一种冰,不论其成因和埋藏条件如何,统称地下冰。地下冰 是冻土所特有的特征,其形成、存在和融化对地形、水文、生物、土壤和工程 建筑等均有重大影响。 地下冰按成因来分,可分为内成冰和外成冰。内成冰(地壳内形成的冰) 又可分为脉冰、重复脉冰、侵入冰、孔隙冰、分凝冰、重复分凝冰、洞穴冰。 外成冰(埋藏冰)又可分为雪冰(粒雪冰、冰川冰)、水成冰(冰锥冰、河冰、 湖冰、沼泽冰、海冰)。脉冰是存在于多年冻土各种裂隙中的冰。重复脉冰是由 长时间以来在差不多同一位置形成的一系列脉冰组成,通常具有垂直叶理,并 在地表形成多边网。侵入冰是承压地下水贯入多年冻土或季节冻土后冻结而形 第2章冻土概述成的冰,参与侵入冰形成的水是自由重力水。贯入的水的冻结能顶起上部冻土 第2章冻土概述 成的冰,参与侵入冰形成的水是自由重力水。贯入的水的冻结能顶起上部冻土 层,当侵入冰在接近地表处形成时产生冻胀丘;当其形成在深部时,地形上无 明显反映。孔隙冰是存在于土孔隙中的冰,是冻土中最常见的组成部分。孔隙 冰与胶结冰不能等同。胶结冰作用是水面原地的冻结作用,可以发生在孔隙中, 也可以发生在岩石裂隙和洞穴中。孔隙冰只是胶结冰的一种,其特点是当其融 化时产生的水的体积不超过土冻结前的孔隙体积。分凝冰是在松散土中,由薄 膜水向结晶锋面迁移而形成的冰体。在一定条件下,其体积可大大超过冻结前 士体中的孔隙。重复分凝冰由重复分凝作用造成,洞穴冰则是分布在洞穴内的 冰。 冷生构造是指冻土固体组分间的相对空间排列,它表征冻土组分空间分异 作用的宏观特征。冷生构造取决于形成构造冰包裹体的形状大小及与土骨架之 间的相互位置。工程上通常分为三种基本的冷生构造:搂体状、层状和网状构 造。整体状构造冻土内一般为孔隙冰所充填,无肉眼能看到的冰体,系在无水 分迁移的情况下,由含水量小的土冻结而成,融化后其强度特性的降低也较小: 层状构造冻土中冰呈透镜状或层状分布。系由冻结时发生水分迁移的情况下形 成,融化后土的强度明显下降;网状构造冻土中,不同大小、形状、和方向的 冰体组成大致连续的网络,融化后土的强度急剧下降。 冷生结构指微观水平上矿物颗粒及其集合体、冰晶的形状和大小、以

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