学文网【摘要】论述了多年冻土地区冻土的特性，常见的工程地质问题， 介绍了多年冻土地区建筑物地基设计应针对冻土的地温特点和冻土的工程性质采用不同的设计原则.
【关键词】冻土；特性分析；地基设计
1.多年冻土的特性分析
所谓多年冻土是指数年（至少三年）甚至更长时间，土温保持等于或低于零度且含有水的土（石）。我国多年冻土分布的地区很广，均占全国总面积的五分之一，较集中地区是东北大小兴安岭和青藏高原。在冻土地区进行工程建设，就必须深入研究冻土的特性，以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性。
冻土区别于常规融土的最本质的特征是冰的存在，也就是说，通常情况下融土是三相体系，而冻土是四相体系。值得指出的是，即使土在较低的温度下，仍然有一部分未冻水存在。多年冻土中由于冰和未冻水的存在，它既具有一般土类的共性，又是因冰胶结具有较大强度而热力学又极不稳定，在受荷条件下的变形具有强烈的流变特性的特殊性岩土。在特定温度下，冻土在未受力时，未冻水与冰之间处于动态平衡状态；而在受力变形过程中，未冻水含量会增大，因此冻土的力学性质远比融土复杂。
1.1.冻土的抗压和抗拉强度
冻土的抗压强度极为明显地依赖于负温，温度越低其抗压强度越高。此外，加压时间越短，抗压强度越高。瞬间加压，其抗压强度可达30～40MPa，若长期加压，其抗压强度要小1/10～1/15。冻土的抗拉强度明显地小于抗压强度。此外，冻结粘性土的长期抗拉强度大于冻结砂土的长期抗拉强度。
1.2.冻胀力和冻胀量
冻胀力和冻胀量的大小取决于水分和负温。只有含水量达到一定程度后，土中孔隙不足以满足冰晶的生长，土中水的冻结才造成土的冻胀。作用于建筑物上的冻胀力，可分为垂直向上作用于基础底面的法向冻胀力和土层沿基础侧面向上作用的切向冻胀力。法向冻胀力受很多因素的影响，包括建筑所产生的外压力，但这一数值一般很大。因此位于冻胀土中的建筑物基础必须置于人为上限以下，避免基底产生法向冻胀力
1.3 土的抗剪强度
多年冻土的粘聚力在大多数情况下决定着抗剪强度的数值。因为它在总的抗剪强度中占有重要的地位。
2.多年冻土地区不良地质现象
2.1厚层地下冰
当冻结层上部地下水较发育， 其上季节融化层达到最大融化深度时， 下部多呈饱和状态。在冻结过程中， 水分向冻土上限附近聚流， 伴随着上限位置逐渐上升， 在土层中就会形成厚度很大的地下析出冰， 称为厚层地下冰。厚层地下冰多分布在含水量较大的粘土地段。
2.2冻胀丘与冰堆
在冬季冻结层上的地下水， 由于土层自上而下冻结， 使其过水断面减小， 形成承压水。当承压水压力增加到大于上覆土层的强度时， 地表便发生隆起，形成圆锥形丘状隆起的土丘， 称为冻胀丘， 有时也称为冰丘。冻胀丘突破上覆土层， 冰结堆积于地表， 则为冰堆。建筑物附近冻胀丘、冰堆多半是由于工程建筑拦截了地下水的通路， 使该处排水不畅所引起的。
2.3热融沉陷
由于自然营力或人为活动， 改变了地面的温度状况， 破坏了有厚层地下冰分布的多年冻土的热平衡状态引起融化深度加大， 使多年冰土层发生局部融化， 导致融化土层在土体自重和外压力作用产生沉陷， 所形成的洼地或积水洼地， 称为热融沉陷或热融湖塘。热融沉陷与人类活动有着十分密切的关系。在多年冻土地区几乎每一项工程都可能因有关问题处理不当而引起热融沉陷。
2.4热融滑坍
由于自然因素或人为活动， 破坏了斜坡的热平衡状态， 土体在重力作用下沿融冻界面向下滑移， 形成滑坍， 称为热融滑坍。热融滑坍主要分布在山岳和丘陵地区有厚层地下冰分布的斜坡上。热融滑坍的形成， 始自切割暴露了地下冰， 在融季地下冰融化， 使其上部的土层坍落， 坍落的物质掩盖了下部暴露冰层， 使上方又有新的地下冰暴露。地下冰再次融化， 又产生新的坍落。如此反复进行， 一直向上发展， 直到地下冰分布范围的边缘。
2.5冻胀
土层冻结时， 由于所含水分冻结成冰， 而造成土层体积膨胀， 使地面隆起成丘， 即所谓冻胀。土层发生冻胀的原因， 一方面是由于土层中水分冻结成冰时其体积增大9%， 另一方面是由于土层冰结时，周
围未冻结区土中的水分会向冻结区迂移集聚， 使冻结区土层中水分增加， 冻结后的冰晶体不断增大， 土体积也随之发生膨胀隆起。
3.多年冻土地区地基的设计
一般而言， 多年冻土区建筑物地基设计原则有： 保护冻土原则――多年冻土地基在建设过程和建筑物营运的整个时期保持冻结状态； 允许融化原则―― 控制多年冻土地基在营运过程中按允许的速率融化； 预先融化原则――预先融化冻土或挖除换填。保护多年冻土原则是寒区工程中应用最为广泛的一个方法。依照此原则， 不但可以克服冻土的融化下沉， 还可利用冻土强度高于融土的特性修建多年冻土区建筑物。
3.1多年冻土地区的路基路面设计， 需根据冻土温度， 冻土类型、道路等级、路面要求以及施工期限等情况， 要区别对待， 采用不同的设计原则：
（1） 冻土温度低、稳定， 宜于采取保护多年冻土的原则； 冻土温度高、不稳定， 融沉又不大时， 可考虑采取破坏多年冻土的原则。
（2） 富冰冻土地区， 当含水量较大， 或公路等级较高时， 宜采取保护多年冻土的原则； 当含水量较小， 或公路等级较低时， 也可按破坏多年冻土的原则设计。
（3）在厚层地下冰地段， 一般应采取保护多年冻土的原则； 在少冰冻土和多冰冻土地段， 一般可采取破坏多年冻土的原则。
3.2 多年冻土地区的路基高度， 应满足防止翻浆和冻胀的要求。在采取保护多年冻土和限制多年冻土融化深度的地段， 除满足防止翻浆和冻胀的要求外， 应同时满足防止热融及控制热融沉陷的要求。
3.3 为保护多年冻土不致融化， 除需满足路基高度的要求外， 还必须做好 路基排水工程， 并保护好路基附近的植被。
3.4多年冻土路堑的边坡或基底， 由于地下冰发育， 融化后呈流塑状态者， 基底土应进行全部或部分挖除换填， 边坡应做好保温， 加固及排水等措施。
3.5在富冰冻土、饱冰冻土、热融滑坍、热融沉陷、冰丘与冰堆、冻土沼泽及低填， 浅挖、零断面等地带，应根据具体情况， 进行个别设计。
总之在进行多年冻土地区路基时，应针对冻土的地温特点和冻土的工程性质采用不同的设计原则，采取合理的断面形式以及有效的防热融措施和防排水措施。取土坑应遵循远离路基主体、集中取土的原则，尽量移挖作填，充分利用弃土和保护地表植被；不适当的人为活动引起冻土环境的局部影响是剧烈的。
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