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季节冻土

季节冻土简介
    冬季含冰冻结、夏季全部融化的岩土被称为季节冻土,包括季节冻结层和季节融化层。自地表面至冻结层底面的厚度称冻结深度。
季节冻土特征
    季节冻土受季节性的影响,冬季冻结、夏季全部融化。
季节冻土形成原因
    季节冻结层冬天形成时,随冻结锋面自上而下移动,土中水分向冻结锋面迁移并发生聚冰作用,冰层及冰透镜体主要集中在最大冻结深度的2/3~1/2部位。冻结后的土体体积增大,由此产生的冻胀可使各类建筑物产生变形和破坏。季节融化层的冻结有两个方向,一是自地表往下,一是自多年冻土上限往上。由于水分向两个冻结面迁移,因此季节融化层冻结后的聚冰现象及水分的重新分布与季节冻结层不同,在季节融化层上部 1/3处及冻土上限附近冰层和冰透镜体较为集中。
季节冻土分布
    季节冻结层分布于非多年冻土区,在南界以南(北半球)或下界(垂直地带)以下的广大地区,以及地带。具有明显的纬度及垂直带性,一般说随纬度及海拔的增高,其厚度增大,由0.1~0.2米增厚到2.0~3.0米。在北半球10月中下旬至12月,季节冻结层由北而南接连出现,2月下旬至6月初由南往北逐渐消失 。
我国季节性冻土区面积大约513.7万平方千米,占国土面积的53.5%,其南界西从云南章凤,向东经昆明、贵阳,绕四川盆地北缘,到长沙、安庆、杭州一带。季节冻结深度在黑龙江省南部、内蒙古东北部、吉林省西北部可超过3米,往南随纬度降低而减少 。
季节冻土危害
    夏天季节冻结层和季节融化层融化时,由于冰层及冰透镜体分布的不均匀,形成土层不均匀沉降是导致各类建筑物变形和破坏的重要原因。季节性冻土的冻胀性、融沉性等特性对工程影响重大。所以在季节性冻土地区的工程建筑或项目应特别注意考虑季节性冻土对工程的影响及防范措施。
铁路路基冻害
    路基冻害的分类:根据铁路沿线季节性冻土地区所出现的铁路路基冻害现象,主要形成了冻胀、融沉、翻浆冒泥等三种路基病害。
    1.冻胀
    冻胀是指由于土的冻结作用而造成的体积膨胀现象,这是季节性冻土区常常遇见的铁路病害。冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀两类,原位冻胀是指冻结锋面前进过程和已冻土继续降温过程中,正冻土中的孔隙水或已冻土中的未冻水原位冻结,造成体积增9%;而当土体冻结以后,由于土颗粒表面能的作用,土中始终存在未冻结的薄膜水。在温度梯度的诱导下,薄膜水会从温度高处向温度低处迁移,正是由于水的抽吸作用使水分集聚在前进的冻结锋面后方并冻结,分凝成冰透镜体,这一过程称为分凝冻胀,分凝冻胀过程造成体积增大1.09倍。冻胀本身不仅引起基床破坏,还可引起桥梁、涵洞基础的冻害 。
    2. 融沉
    季节性冻土融化时,冰晶和冰膜融化成水,土层在重力和上覆荷载的作用下,路基及基床会产生不同程度的沉降,即融沉。 融沉一般有两个特性:其一,由于自然营力和人为因素及土体各方面的差异,融沉在空间上具有不连续性,厚度上具有不均匀性。有的路段在以较慢的速度连续下沉一段时间,有的路段突发大量地沉陷,并使周围部分土体隆起。这是因为冻路基土融化后处于饱和状态,其承载力几乎为零,在外部荷载作用下,基床瞬间产生大幅度沉陷并有大量积水冒出。其二,融沉多发生在低路堤地段。由于路堤高度、坡向、填料类别、保温设施,以及施工季节和施工后形成的地表特征、水文特征及冻土介质特征等因素的综合影响,土体中各土层的散热和吸热有极大差异。当基底土层的散热超过吸热时,地温上升,冻土融化,人为上限下降,路堤就会产生融沉病害。路堤越低,意味着在从上界流向地中的传热过程中,热阻减小。路堤自身的储热能力变小,不利于热稳定,从而易导致路基发生融沉。
    3.翻浆冒泥
    由于铁路局管内独特的地质、地理环境,导致在某些路段冻结时间长,解冻缓慢,加之大量的积雪融化后雪水下渗,这样就在解冻层和未解冻层之间形成自由水。这部分自由水不能及时排出,造成土基软弱,强度急剧降低,在列车荷载作用下,路基面发生鼓包、唧泥现象,即为翻浆。翻浆冒泥导致道床下沉,轨道状态不良,几何尺寸变化频繁,需要不断进行紧急整修。翻浆冒泥引起钢轨水平差较大,导致钢筋混凝土轨枕产生纵横裂纹。
冻胀病害的整治措施及其原理
    1.换填基床土
    用较纯净的砂砾或中、粗砂换填季节性冻土,是削减地基土冻害的理想方法之一。在平面和纵断面受到限制的情况下,如岔区路基冻害及特大桥、大桥两端的路基冻害主要采用换填整治的方法。换土深度应至冻结深度之下,换土宽度应包括路肩在内的整断面。
    2.修建减少路基基床含水量的排水设施
    修建减少路基基床含水量的排水设施。如修建具有抗冻防渗能力的地表排水设施,以防治因地表水节而引起的冻胀;修建渗沟、暗沟、截水沟等,截断、疏导地下水或降低地下水位,以防治因地下水补给而引起冻胀。
   3.无机结合料稳定土保温法
   在基床表层铺设保温层,改善基床温度环境,使表层下的基床土不冻结或减小冻结深度。保温材料一般用炉渣,其导热系数小,成本低廉,也可用石棉、泡沫聚苯乙烯板等保温材料。
   4.人工盐化路基土
   溶于水中的盐类能使水溶液的冰点低于淡水,而且浓度越大,冰点越低。主要有挖轨枕槽铺盐,打孔注盐,稀释注人和土盐拌和等几种施工方法。
多年冻土与季节性冻土的区别
1、季节性冻土的时间一般为半月至数月,多年冻土的时间一般为数年至数万年以上。
2、多年冻土主要分布在亚欧大陆和北美洲的北部。中低纬度的高山和高原上也存在多年冻土。季节性冻土一般分布在温度不高或低纬度的地区。 冻土的存在主要受温度的影响。越往纬度高的地方温度就越低,因为南半球陆地面积少,所以多年冻土主要分布在亚欧大陆和北美洲的北部。同时越往高处温度就越低,在一些高山上那里的温度常年也低于零度,所以中低纬度的高山和高原上也存在多年冻土,如美洲的安第斯山脉,非洲的乞立马扎罗山以及我国的青藏高原。

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