多年冻土的名词解释.docx
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多年冻土的名词解释
多年冻土（permafrost），又称永久冻土，指的是持续三年或三年以上的冻结不融的土层。
其表层冬冻夏融，称季节融化层。
多年冻土层顶面距地表的深度，称冻土上限，是多年冻土地区道路设计的重要数据。
多年冻土分为两层：
上部是夏融冬冻的活动层；下部是终年不融的多年冻结层。
多年冻土是寒冷气候（年均气温<—2℃）区的产物。
多年冻土分布面积约占地球陆地面积的25%，包括苏联和加拿大近一半的领土，中国22%的领土，美国阿拉斯加85%的土地；在南极和格陵兰的无冰盖地段和被冰盖边缘覆盖的地下；南美和中亚的高山地区也有分布。
除澳大利亚大陆外，地球上所有的大陆均有多年冻土分布，甚至地处赤道附近的非洲乞力马扎罗峰顶也发现有多年冻土。
围绕极地的多年冻土为高纬度多年冻土。
其分布有明显的纬度地带性，在北半球自北而南多年冻土分布的连续性逐渐减小。
北部为连续多年冻土带，通常以-5℃年平均地温等值线作为分布的南界。
往南形成断续或广布多年冻土带，其南界大致与-4℃年平均气温等值线相符。
再往南为高纬度多年冻土区的南部边缘地区，形成岛状或散布多年冻土带，其南部界线即为多年冻土南界。
多年冻土南界以南、一定海拔高度上出现的多年冻土称为高海拔多年冻土。
分布有明显的垂直带性，其厚度一般自多年冻土出现的最低界线（即多年冻土下界）往上，随高度的递增而增加。
多年冻土南界以南还分布有岛状多年冻土。
它们是更新世寒冷期形成的多年冻土退化残存的结果。
如在西西伯利亚,多年冻土南界为北纬66°,而在63°N地下200米深处发现岛状多年冻土。
岛状多年冻土有时出现在多年冻土区南缘的地下深处，与现代多年冻土一起构成双层多年冻土。
如在西西伯利亚南部第一层多年冻土厚30～80米，其下有厚度为20～150米的融化层,该融化层下埋藏着残余多年冻土。
冰川下是否存在多年冻土取决于冰川冰温度和厚度，一般讲暖冰川底部温度接近0℃，其下无多年冻土;冷冰川底部温度低于0℃，其下往往有多年冻土。
在极地大陆架地区海底，有从过去寒冷期残留下来的海底多年冷土。
其温度接近0℃,其中很大部分因被海水所饱和，所以具有负温却不含冰，属多年寒土；另一部分则为多年冻土，但含冰量通常不大。
除地球上存在多年冻土外，一些学者推测月球岩石圈深处可能具有一定数量的地下冰。
一些学者利用遥感技术发现火星表面上存在类似于热喀斯特、多边形裂缝、石冰川等的冰缘地貌，推测火星上多年冻土的平均厚度在赤道为1500米，在两极为5000米。
中国的多年冻土面积约215万平方公里,占世界第三位，主要分布在青藏高原，东北大、小兴安岭和天山、阿尔泰山。
中国东北的多年冻土区位于欧亚大陆高纬度多年冻土区的南缘，其南端可达46.6°N。
在北美,多年冻土分布的最南端为51°N。
青藏高原的多年冻土区属于高海拔多年冻土，是世界上中低纬度地带海拔最高、面积最大的多年冻土区。
多年冻土
多年冻土随纬度和垂直高度而变化。
在北半球，其深度自北向南增大，厚度自北向南减薄以至消失。
如西伯利亚北部多年冻土的厚度为200米左右，最厚可达620米，活动层小于0.5米。
向南到中国黑龙江省，多年冻土南界厚度仅1～2米，活动层厚达1.5～3.0米。
多年冻土的厚度由高海拔向低海拔变薄，活动层也相应增厚。
如中国祁连山北坡4000米处多年冻土厚100米，3500米处仅22米！
在青藏高原北部的昆仑山区，多年冻土厚180～200米，向南厚度变薄。
无论在南北方向或者垂直方向上，多年冻土都存在3个区：
连续多年冻土区；连续多年冻土内出现岛状融区；岛状多年冻土区。
这些区域的出现都与温度条件有关。
年均气温低于—5℃，出现连续多年冻土区；岛状融区的多年冻土区，年均气温一般为—1～—5℃。
按冻土的成因分为：
①后生冻土层。
是土层堆积后形成的，特点是含冰量少，多为整体结构或层状结构，具裂隙冰；
②共生冻土层是与堆积土层同时形成的。
特点是含冰量多，多为层状或网状结构。
确定融冻层（活动层）的深度（即冻土上限）对工程建设极为重要。
最基本的方法是在融化最盛季节，通过坑探直接观测，或通过电探确定冻土上限。
在衔接的多年冻土区，可根据地下冰的特征和位置推断冻土上限深度。
同一地区、不同地貌部位和不同物质组成的多年冻土的上限也是不同的。
易冻结的粘性土的冻土上限高；不易冻结的沙砾土的冻土上限低；河谷带的冻土上限低，山坡或垭口地带的冻土上限高。
表明了岩性、水文、气候、植被等对多年冻土活动层的影响。
编辑本段厚度和温度
多年冻土通常埋藏在地表下不深处，位于季节融化层（或活动层）下。
活动层的厚度通常为20～30cm至2～3m。
一般活动层的底板与多年冻土的上限相连，这种多年冻土称为衔接多年冻土。
有时活动层在冬季的冻结深度达不到多年冻土上限，在季节冻结层和多年冻土上限之间隔着一层融土，便形成不衔接多年冻土。
多年冻土上下限之间的距离即为多年冻土厚度。
当充填在土粒孔隙和岩石裂隙中的水为淡水时,冻结以后形成的多年冻土下限与0℃地温等温线一致。
当充填在土粒孔隙和岩石裂隙中的水为咸水或盐水时，或当岩石无裂隙时，或不含水的土冻结时,多年冻土下限则与0℃地温等温线不一致。
在含有地下冰的多年冻土层下还存在着干寒土层和湿寒土层时，冻土层、干寒土层和湿寒土层组成多年冷土层。
迄今为止，实测到的多年冻土最大厚度为1300米，见于苏联外贝加尔的乌达康山区56°N处;实测到的多年冷土层的最大厚度为1450米，见于雅库梯西北、马尔赫河源头的北极圈纬度上。
推测天山和帕米尔高山区的多年冷土层厚度可达2500～3000米。
多年冻土上层的地温在一年内随季节而变化。
这种变化随深度增加而衰减，至某一深度上，多年冻土的温度在一年内相对稳定不变（一年内不超过±0.1℃）,这一深度为地温年变化深度或零较差深度。
地温年变化深度一般为10～15米。
该深度上的年平均地温即为多年冻土的年平均地温，通常为0～-15℃。
推测天山和帕米尔高山区道多年冻土年平均地温低达-25℃,南极的山地则为-40℃。
在年变化深度以下，多年冻土的温度随深度增加而升高,在多年冻土或多年冷土层的下限处达到0℃。
因此在冻土层中存在着地热梯度，其值在不同的地区很不一样，可由每20米变化1度至每100米变化1度。
多年冻土厚度和温度的变化也受纬度地带性和垂直地带性的控制。
当其他条件相同时，在中国东北纬度每增加1度，多年冻土年平均地温平均降低0.5℃；在祁连山区海拔每升高100米，多年冻土温度降低0.6℃，厚度增加14～21米。
编辑本段形成和演变
当岩土的温度降至0℃以下,岩土中水就冻结形成冻土。
如果该处地表一年中的吸热量大于散热量，冷季形成的冻土在热半年全部融化，便为季节冻土。
如果该处地表一年中的吸热量小于散热量，冷季形成的冻土在暖季不全部融化，年复一年，就成为多年冻土。
多年冻土
多数多年冻土是在物质沉积之后自上而下冻结形成的，称为后生多年冻土。
在沼泽、冲积平原和洪积扇等堆积地区，有时在沉积过程中发生冻结，产生自下而上冻结的多年冻土，称为共生多年冻土。
由后生和共生作用混合形成的冻土称为多生冻土。
在地球历史上,多年冻土曾广泛发育。
迄今为止,有据可查的最老的多年冻土位于北极北部，自60万年前形成后一直保存到现在。
中更新世的多年冻土也有一部分保留到现在，如苏联中雅库梯的多年冻土，其年代距今至少10万年。
晚更新世时，苏联多年冻土南界南进到48°N处，中国多年冻土南界达到北纬39°～40°,北美多年冻土南界至少比现在的位置南推2000公里。
全新世时期，多年冻土逐渐向北退缩。
北极地区一些近海低地的多年冻土开始退化，成为现今的海底多年冻土。
晚更新世时在苏联欧洲部分北部和西西伯利亚形成的多年冻土并没有全部融化，而以残余冻土的形式保存下来。
中国满归以北和西部高山高原区海拔较高处的多年冻土也没有全部融化。
约2000～3000年前出现了新冰期，多年冻土重新发展。
在西西伯利亚北部，新形成的多年冻土与更新世残余多年冻土衔接在一起；在南部，新形成的多年冻土覆盖在融化层上，故与融化层下的残余多年冻土组成双层多年冻土。
这一时期冻土的范围比更新世时小，所以在新冰期的多年冻土南界以南的地下深处仍有更新世残余多年冻土存在。
中国东北这一时期的多年冻土南界已超过了现今多年冻土南界的位置。
距今约700年前开始的小冰期，北半球多年冻土南界位置的变化很不一致，有的南进，有的北退。
现代多年冻土处在变化之中。
从全球范围看处在退化阶段，但不排除局部地区的多年冻土出现加积的可能。
编辑本段高原多年冻土地区处治结构研究
国内外研究概况?
用抗拉强度高的材料加固土壤并非新的想法，中国古代修筑万里长城的许多部位就采用芦苇和竹筋加固。
几个世纪以来，云杉树一直被用来加固软弱地基上的路堤。
二十世纪中期，土工合成材料以其性质均匀、强度高、韧性好、耐腐蚀、与土之间的连锁作用强等特点在世界各国迅速推广。
二十世纪60年代，法国和美国修建了第一批用现代土工合成材料加固的土工结构物，当时，聚合材料是用来加固排水性能良好的回填土。
1966年，美国DuPont公司开发并生产了Typar型土工织物，应用于加固海岸边坡、防止人造砂滩沉入淤泥质湖岸、加固软弱地基等工程中。
英国的Netlon公司近年来改进了土工格栅的生产工艺，并将土工格栅铺设在软弱地基上，用来增加路堤土体的长期稳定性。
德国的Huesker合成纤维公司还将其生产的Hatelit土工格栅应用到加固路面工程中。
据报道，这种格栅可增加沥青层底的抗拉强度，吸收层间的大部分水平拉应力，同时还可将沥青层内产生的拉应力扩散到一个较大的范围内。
1991年，苏格兰的Sutherland镇在新建道路路面结构层内增设一层土工格栅加固层，用于防止车辙及路面裂缝，并取得了很好的效果。
我国将土工合成材料应用到道路工程中在70年代还不太普及，进入80年代才迅速推广。
如：
在软弱土基与粒料基层间铺设土工格栅夹层用来改善软弱土基的承载能力；在路堤填土内水平层状铺设格栅，用来加固路堤；用作基层和面层间的界面层防止基层裂缝的反射；加固临时道路；用作路堤和道路工程中的水平排水层；用于岩面防护等。
应用土工合成材料处治纵向裂缝，此类问题属于连续介质中存在裂缝缺陷的问题，在路面力学分析中常用的弹性层状体系理论与弹性地基板理论显然不适合分析这类问题。
断裂力学是分析研究裂缝问题的学科，目前发展得也比较完善，但其计算参数的确定很复杂，这些参数与目前路面设计参数也不匹配，使得计算结果不易在设计方法中应用。
相对而言,有限元法则是简单、有效、可行的方法。
有限元方法作为一个强有力的数值分析的工具在道路结构的分析中起到了越来越重要的作用。
应用有限元方法进行结构的分析主要有以下优点：
1、在模型中反映各结构层材料的特性；
2、模拟各结构层之间的联结；
3、在一定程度上模拟边界条件和荷载；
4、模拟结构的不均匀变形；
5、提供大量的结构反映信息，如应力、变形的全过程；
6、部分代替试验，进行大量的参数分析，为制定设计规范和标准提供依据
问题的提出?
地球上的多年冻土面积约为35×10平方公里，而我国的多年冻土面积约为215万平方公里，位居世界第三，主要分布在东北大小兴安岭，西部高山和青藏高原等地。
近年来，我国先后组织力量对青藏公路进行了普查，调查发现青藏公路存在路面横裂、网裂、路基沉陷、波浪、纵向裂缝等病害。
青藏公路病害的整治一直被视为世界性的难题。
为治理多年冻土地区路基的病害，国内外也采用了多种措施进行了探索，浅色路面、聚苯乙烯或聚氯乙烯隔离层、泥炭土垫层、横向护坡道、冷管、预融、冬季施工、地表覆盖层、斜热虹吸管、土工织物加筋、轻质回填材料、桥基础及通风路堤等。
1972年～1984年青藏公路改建为沥青路面，由于沥青路面的吸热作用加上全球气候变暖造成多年冻土边缘地带冻土退化,冻土上限下降，从而加剧了路基不均匀沉降变形等病害。
90年代对病害严重路段进行了两期整治。
1992年～1996年为一期整治，全长339km，1996年～1999年为二期整治，累计长度204km，零星整治路段60km。
一期整治对路面波浪起伏和路基沉陷变形等病害的治理有了一定的效果，但路基路面纵向裂缝较八五改建工程严重，高出约三倍。
纵向裂缝的规模巨大，最大宽度可达30cm，最大深度可达2.5m，裂缝断续延伸可达500m～600m。
近几年来，土工合成材料在我国公路工程中得到了广泛的应用，以其可以组成各种形式结构、适应多种条件等特点受到工程界的欢迎。
在旧水泥混凝土路面改造、加筋陡边坡及处治路基不均匀沉降等方面均有应用，并取得了较好的效果。
本课题针对该情况采用土工合成材料处治青藏公路纵向裂缝，通过采用单层土工格栅、柔性枕梁、柔性枕梁加土工格栅等结构，从深层次解决青藏公路纵向裂缝的危害问题。
通过理论分析揭示处治机理，进一步完善处治结构，以达到减少和延缓路基路面的再次开裂的目的，并满足耐久性的要求。
通过对试验路的观察测试与分析，验证结构的稳定性，并选择出既能延缓和减轻路基病害，又便于施工的结构形式，以便为冻土地区病害的整治与施工提供依据。
主要研究内容及技术路线?
本文使用三维有限元法对单层土工格栅处治结构、柔性枕梁处治结构、土工格栅加柔性枕梁处治结构及土工格栅加筋路堤边坡处治结构进行了力学计算，对基层应力、面层最大弯沉及土工合成材料应力作了深入分析。
首先建立处治结构的计算模型，然后考虑汽车荷载在路面上的各种可能作用位置，分析了荷载位置、计算参数及路基变形的影响规律，还将各处治结构之间进行了对比分析及结构破坏分析，以便能够采取措施防止结构的破坏。
在对冻土地区的病害进行大范围的整治之前，修筑一定长度的试验路段是非常必要的。
通过修筑试验路，进行施工优化组合，以便发现问题，加以解决，总结经验以指导大面积的施工。
本课题的试验路主要针对直线型及边坡圆弧型两种纵向裂缝，试验路总长度287m，主要集中在安多、雁石坪、五道梁地区。
边界条件及计算参数?
模型边界条件为土基底面为完全固定面；x轴方向和y轴方向的边界节点水平方向位移为零；模型的上表面是自由的。
计算参数主要根据《公路沥青路面设计规范》选用材料设计参数。
土基回弹模量根据二级自然区划确定。
青藏公路主要集中在Ⅶ3区，土基回弹模量为20Mpa～80Mpa。
面层为沥青碎石混合料，弹性模量为1200Mpa～1600Mpa。
基层为水泥稳定碎石，弹性模量为1300Mpa～1700Mpa。
土工格栅层为了计算方便，将其简化为2mm厚的各向同性的弹性层。
处治结构用的土工格栅为ss20聚丙烯，应变2%时的抗拉强度为7KN/m，其割线模量为175Mpa，应变5%时的抗拉强度为14KN/m，其割线模量为140Mpa，因此将土工格栅层的弹性模量定为160Mpa。
最后选用的计算参数如表2-1所示。
有限元计算用材料参数表2-1
结构层
弹性模量E
/×10MPa
泊松比
u
面层
1.2～1.6
0.25
基层
1.3～1.7
0.25
土工格栅层
0.16
0.25
土基
0.02～0.08
0.3
模型尺寸及单元划分?
模型尺寸：
在计算时模型尺寸主要以工程实际尺寸为依据。
图2-5模型尺寸示意图（cm）
土基尺寸的确定：
在实际的路面结构中，地基为弹性半空间体，在确定土基长度、宽度及深度之前对基层的最大应力σx、σy、τyz进行了收敛性试算分析，其中不同土基宽度（L2）对基层应力的影响如表2-4所示，不同土基长度（L3）对基层应力的影响如表2-5所示，不同土基深度（h4）对基层应力的影响如表2-6所示。
土基尺寸收敛性试算分析选用计算参数如表2-3所示。
有限元计算用基本参数表2-3
结构层
弹性模量E
/×10MPa
泊松比
u
面层
1.4
0.25
基层
1.5
0.25
土工格栅层
0.16
0.25
土基
0.06
0.3
h1=5cmh2=20cmh3=0.2cmL1=1.2m裂缝宽度=2cm
不同土基宽度对基层应力的影响表2-4
土基宽度（m）
8
9
10
σxmax（kPa）
487.3
487.5
487.5
σymax（kPa）
396.9
397.4
397.7
τyzmax（kPa）
173.4
173.5
173.5
注：
1、设土工格栅层与土基为层间连续
2、荷载位置为荷载位置1
不同土基长度对基层应力的影响表2-5
土基长度（m）
8
9
10
σxmax（kPa）
487.2
487.5
487.6
σymax（kPa）
397.2
397.4
397.5
τyzmax（kPa）
173.5
173.5
173.5
注：
1、设土工格栅层与土基为层间连续
2、荷载位置为荷载位置1
不同土基深度对基层应力的影响表2-6
土基深度（m）
5
6
7
σxmax（kPa）
487.5
487.5
487.6
σymax（kPa）
397.4
397.4
397.5
τyzmax（kPa）
173.5
173.5
173.5
注：
1、设土工格栅层与土基为层间连续
2、荷载位置为荷载位置1
从表2-4至表2-6可以看出，当土基尺寸为9m×9m×6m时,基层应力计算结果趋于收敛，当土基与土工格栅层层间光滑时可得到相似的结论。
因此计算时确定土基尺寸为9m×9m×6m。
经试算分析后，选定的主要模型尺寸如图2-5及表2-7所示。
模型尺寸表2-7
位置
h1
h2
h3
h4
L1
L2
L3
尺寸（cm）
5
20
0.2
600
120
900
900
单元划分：
为保证计算结果的精度并不致使计算过于复杂，采用了8节点三维块体单元，并对结构中预计将产生最大应力的部位适当加密了单元网格的划分，远处网格逐步扩大，其中结构层厚度方向采用了较密的单元划分。
经试算调整，本模型最后定义的单元数为8000～9000。
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