gb50324-2001-条文说冻土工程地质勘察规范明

'@www.sinoaec.comUDC中华人民共和国国家标准PGB503242001冻土工程地质勘察规范CodeforengineeringgeologicalIvestigationoffrozenground冻土工程地质勘察规范资料编号GB50324--200120010928发布20011201实施中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局联合发布中华人民共和国建设部@第1页共1页 @www.sinoaec.com中华人民共和国国家标准冻土工程地质勘察规范GB50324-2001冻土条文说明工程地质勘察规范主编部门:国家林业局批准部门:中华人民共和国建设部施行日期:2001年12月1日资料编号GB50324--2001中国建筑资讯网2001北京@第2页共2页 @www.sinoaec.com目次1总则···································································································43冻土分类和冻胀融沉性分级································································54冻土工程地质勘察基本要求···································································105冻土工程地质调查与测绘·······································································186冻土工程地质勘探与取样·······································································227冻土试验与观测······················································································258工业与民用建筑冻土工程地质勘察························································279铁路与公路冻土工程地质勘察·······························································34冻土10水利水电冻土工程地质勘察·································································40工11管道冻土工程地质勘察·········································································44程地质勘察规范12架空线路冻土工程地质勘察·································································48附录D土的季节融化与冻结深度·····························································51附录F冻土融化压缩试验要点··································································55附录G冻土力学指标原位试验要点··························································59附录H冻土地基静载荷试验要点·····························································61附录L冻土地温特征值计算·····································································65资料编号GB50324--2001@第3页共3页 @www.sinoaec.com1总则1.0.1冻土工程地质勘察规范是在我国国民经济发展的总方针指导下充分体现国家的技术与经济政策适应基本建设的需要从生产实践出发认真总结经验广泛采用有关科学研究成果借鉴国外先进技术标准为提高勘察质量和经济效益不断促使冻土工程地质勘察事业进一步发展而制定的1.0.2由于本规范系首次进行编制对于季节冻土和多年冻土地区那些专业性较强在技术上有特殊性要求的工程(如高温建筑地下建筑和大型采矿工程等)还未能编入本规范因此本规范只适用于工业与民用建筑铁路公路水利水电管道和架空线路工程的冻土工程地质勘察并以这些工程建设项目为基础待本规范冻土进行修订时就可不断的将那些条件成熟的特殊工程项目编入本规范工1.0.3在季节冻土和多年冻土地区由于地基在冻结与融化两种不同状态下其力程地质勘察规范学性质强度指标变形特点与构造的热稳定性相差悬殊并且从一种状态过渡到另一种状态时在一般情况下将发生强度由大到小变形则由小到大的巨大突变因此本规范规定在进行建(构)筑物冻土工程地质勘察时除应符合本规范的规定外尚应符合国家现行有关标准规范的规定以确保工程安全与稳定资料编号GB50324--2001@第4页共4页 @www.sinoaec.com3冻土分类和冻胀融沉性分级3.1冻土分类和定名3.1.1根据加拿大学者R.J.E.布朗(1974)编的多年冻土术语叙述多年冻土术语中一个主要的语义学上的问题是冻结一词的使用有两个不同的学派一派认为冻结应该用于指温度低于0的土岩而不管其中是否有冰(固态和可能为液态)存在另一派则认为只有含有冰的土岩才能认为是冻结的从工程角度出发我们认为有些土诸如:寒土含盐土其温度虽然低于0但由于含水量小或含盐量高而不含冰晶结果其物理力学性质与含冰晶土的性质差异甚大同时其中的物理过程也绝然不同突出冻土与未冻土在性质上的差别应取后者为冻土的定义冻土我们将上述定义归纳成按冻土冻结状态持续时间把我国冻土分为多年冻土工程地质勘察规范隔年冻土和季节冻土三大类(详见附录A)从工程目的出发冻土勘察的重点应为多年冻土和冻深>0.5m的季节冻土而隔年冻土则是一种过渡类型的冻土可视情况按多年冻土或季节冻土进行处理3.1.2按冻土基本物理性质的冻土分类和定名对各工种及冻土学理论研究均适用为了加强国际间冻土资料的可比性1988年在英国诺丁汉召开的第五届国际地层冻结会议上由美国加拿大意大利联邦德国日本和前苏联等六国共八名国际知名冻土专家组成的人工冻土分类实验室试验国际编写小组联名提出把Pihlainen和Johnston(1963)Linell和Kaplar(1966)的冻土分类系统用于人工冻土分类的建议资料编号为了使我国新编制的冻土工程地质勘察规范尽可能向国际标准靠近采用了该分类并对该分类表进行了简化(附录B表B.0.1)在此基础上进行冻土的描述和定名GB50324--2001为便于表B.0.1的推广和使用表1列举了典型野外调查中关于冻土描述和定名的例子冻土描述和定名资料的图示推荐步骤包括列举土的类型所用的符号及其冻结条件随后是对土和包裹冰的特性进行描述冰层也可进行类似鉴别和描述为了简化冻结层位的鉴别可在表1之左框边上画一条宽带@第5页共5页 @www.sinoaec.com典型野外调查中冻土描述和定名举例表1深度(cm)符号土的描述含冰特性0.0OL含有机质砂质粉土未冻无0.15棕色级配良好砂砾石中GW无密潮湿未冻0.55GW棕色级配良好砂砾石冻未见分凝冰砾石上略有薄冰膜Nf结强胶结且含大孔隙0.13GW棕色级配良好砂砾石冻未见分凝冰Nbn结强胶结1.65水平层状冰透镜体平均10cm长ML黑色层状砂质粉土冻发丝至6mm厚间距1218mm可见Vs结过剩冰约占总体积的20冰透镜体硬2.35清洁无色2.77硬略浊无色含少量粉砂包裹ICE冰体冻土黑棕色泥炭冻结强胶结约5可见冰饱和度高工3.20网格状不规则定向冰透镜体厚6程地质勘察规范MH浅棕色粉土冻结18mm间距7.510cm可见冰约占总4.36Vr体积的10冰软多孔呈灰白色4.88基岩层状由页岩至4.88m的裂隙中有1.5mm厚的冰顶部风化透镜体以下未冻勘探底部注为地面标高293.6m3.1.3冻土中的易溶盐含量和泥炭化程度的限界值超过本规范表3.1.3-1和表3.1.3-2中的数值时将会强烈的影响冻土的强度特性这是因为由于地基土中的易溶盐资料编号类被水溶解成不同浓度时则可降低土的起始冻结温度其未冻水量比一般冻土大得多因此使盐渍化冻土的强度明显降低例如当盐渍度为0.5%时单独基础与桩尖的承载力降低1/51/3基础侧向表面的冻结强度降低1/41/3同样泥炭化冻GB50324--2001土的强度指标在冻土工程地质勘察时亦应慎重的按规定取值或专门进行原位测试确定3.1.4坚硬冻土在荷载作用下表现出脆性破坏和不可压缩性这时坚硬冻土的温度界限对分散度不高的粘性土为-1.5对分散度很高的粘性土为-5-7但是对于塑性冻土来说其负温值高于坚硬冻土在外荷作用下具有很高的压缩性因此-1无论是压缩系数mv0.001MPa并为冰和水完全饱和的高压缩性冻土或者是饱和-1度小于0.8的高温低压缩性冻土(mv0.010.001MPa)都可以使地基基础产生明@第6页共6页 @www.sinoaec.com显沉降所以在冻土工程地质勘察时应按本规范附录F的规定进行冻土融化压缩性试验如无条件取得试验资料时可按本规范附录K的K.0.3条有关规定处理3.2土的冻胀和多年冻土融沉性分级3.2.1关于土的冻胀性分级问题我国多年来进行了大量实测和理论研究工作有关工程部门根据冻胀对工程安全的危害程度早在1973年就提出了土的冻胀性分级(中铁西北科学研究院铁道第一勘测设计院和中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室共同编写的青藏高原多年冻土地区铁路勘测设计细则)1982年吴紫汪研究员提出了综合冻土工程分类被铁路建筑规范采用1989年建筑地基基础设计规范GBJ17-89在1974年地基基础设计规范TJ774的基础上按冻胀率提出了四个地基土冻胀性等级1991年水利水电行业标准渠系冻土工程抗冻设计规范SL2391按在具体工程条件下可能产生的冻胀量为指标提出了五个地基土冻胀性等级冻土地区建筑地基基础设计规范JGJ11898在建工程地质勘察规范筑地基基础设计规范GBJ1789的基础上与公路桥涵地基与基础设计规范TJ02485相一致并以冻胀率为指标将地基土冻胀性分为五个等级因此本规范经分析研究采用冻土地区建筑地基基础设计规范JGJ11898中的地基土冻胀性分级为了使地基土冻胀性分级更为合理本规范编制组进行了粘性土地基冻胀性判别的可靠性专题研究研究表明:地基土冻胀除与气温条件有关外主要与土的类别冻前含水率和地下水位有关当粉粘土颗粒增多时土的冻胀性显著增大如土中含水率超过起始冻胀含水率时在没有地下水补给的情况下土层仍有资料编号水份迁移现象存在含水率发生重分布并产生冻胀影响地基土冻胀的地下水主要深度是各类土毛细水高度有关的临界深度粘土粉质粘土为1.22.0m粉土为1.01.5m砂土为0.50m当地下水位低于临界深度GB50324--2001时可不考虑地下水对冻胀的影响仅考虑土中含水率的影响属封闭系统情况当地下水位高于临界深度时可按开敞系统考虑即考虑土中含水率和地下水补给的影响如多年冻土活动层粘性土冻胀问题可按封闭系统处理即在没有地下水补给的条件下土中含水率和冻胀率间的关系为:1.09ρdη=(ω−ω)≈0.8(ω−ω)(1)pp2ρω式中冻胀率(%)@第7页共7页 @www.sinoaec.com3d土的干密度取1.5g/cm3水的密度取1.0g/cmp分别为含水率和塑限含水率(%)但是当季节冻土的冻胀性问题按开敞系统考虑时即在有地下水补给情况下冻胀性将会提高如表3.2.1中当大于p+15时为特强冻胀3.2.2关于多年冻土的融沉性分级问题我国的生产教学和科研部门作了大量工作取得了可喜成果如1984年前将多年冻土的融沉性主要以土的类别总含水率和融化后的潮湿程度为依据划分为:不融沉弱融沉融沉强融沉四级(工程地质试验手册中国铁道出版社1984)但是随着生产发展和科学研究工作的深入已经证明多年冻土的融沉性应以融沉系数为指标进行分级是正确的因为这在一定程度上反映了冻土的构造和力学特性(见表2)并与设计原则有密切联系为此冻土本规范采用了冻土地区建筑地基基础设计规范JGJ11898中多年冻土的融沉工性分级(见本规范表3.2.1)这也是本规范与国标岩土工程勘察规范GB5002194程地质勘察规范附录九多年冻土融沉性分级未能取得一致的原因冻土的融沉性与冻土强度及构造的对应关系表2级别融沉名称不融沉弱融沉融沉强融沉融陷评价融沉系数01103301010025025强度名称少冰冻土多富冰冻土饱冰冻土含土冰层评价相对强度值1.01.00.80.40.4微层微网冷生构造整体构造层状构造斑状构造基底状构造状构造界限含水量p+4资料编号pp+15(粘性土)pp+p+3p+4+35()15工业与民用建筑铁路公路和水利等工程对冻土地基的融沉性适应程度是不GB50324--2001相同的一般对第I级融沉(10<3)建(构)筑物结构设计时无须考虑多年冻土地基融沉影响因为一般建(构)筑物的主要承重结构在设计和使用过程中都容许有一定变形量以适应地基的融沉性但是当V级融沉土的融沉量超过建(构)筑物的容许变形值时对建筑物而言则必须采取相应的设计原则适当的基础型式以及能适应不均匀沉降的柔性结构等特殊措施对线性建筑物而言除采用保持冻结状态的设计原则外还必须保证有一个合理的路基最小填土高度注意环境保护以及路基排水等措施是至关重要的经多年研究和本规范的专题研究大兴安岭北@第8页共8页 @www.sinoaec.com部多年冻土地区路基沉陷问题的研究工作表明:高含冰冻土即包括富冰冻土饱冰冻土和含土冰层地段的路基沉陷如果工程影响下的季节融化深度大于多年冻土天然上限时其融沉特点是:(1)沉陷值较大(莫激公路测试路段达0.290.51m)有时产生突陷沉陷量可达12m(2)不均匀沉陷因为相邻断面或同一横断面上的不同位置其沉陷量不同(3)沉陷量过程曲线无收敛趋势这在饱冰冻土和含土冰层的路基地段特别突出由以上可知第V融沉性土从冻结至融化状态时的变形是建(构)筑物设计施工和使用过程中都需要认真对待的问题为此应注意采取以下几点措施:冻土(1)加强选址工作工(2)根据冻土的冻结与融化状态确定地基设计原则程地质勘察规范(3)提出地基土融沉变形不超过建筑物允许变形值的相应措施或符合设计原则的其他正确措施资料编号GB50324--2001@第9页共9页 @www.sinoaec.com4冻土工程地质勘察基本要求4.1一般规定4.1.1冻土工程地质的研究对象是冻结的岩土体系它的研究内容除了具有常规岩土的基本性质的研究整治改造和利用问题之外还有其独特的性质岩土体内水分的相变温度的变化以及未冻水的动态变化都不断地改变着冻结岩土的工程性质因此它比非冻结的岩土工程地质勘察要复杂的多它包含了冻土区的工程地质调查测绘勘探取样定位观测原位测试和室内试验等内容各个程序及其内容都具有特殊的要求更重要的是对建筑场地的冻土工程地质条件作出评价和预报这是由于冻土工程地质条件对人类工程活动的干扰具有特别的敏感性和冻土脆弱性所致本条规定主要侧重考虑:冻结岩土具有特殊性和复杂性非同一般工程地质勘察规范在设计和施工中必须以建筑场地冻结岩土的实际状况作标准勘察成果评价中应该考虑到人类工程活动对冻土工程地质条件变化的预测及环境保护的方案强调对重大工程必须进行监测特别注意冻土工程地质条件的变化以保证建筑物的安全与稳定4.1.2冻土工程地质的工作内容主要取决于冻土工程地质条件的复杂程度地基基础的特殊要求及人类工程活动(包括建筑物修建后)对冻土工程地质条件的影响这三个因素不但对确定冻土工程地质勘察工作内容和工作量有关系而且也影响着工作方法的选择和程序化因此在进行冻土工程地质勘察之前应该比非冻结的岩资料编号土工程勘察花费更多精力去搜集勘察区及邻近地区的有关资料它包括区域性的气象及冻土资料科研文献和勘察试验方法编制工作大纲时应明确该勘察区的主要冻土工程地质问题确定取样部位及应测试的参数给出试验参数的温度和环GB50324--2001境条件因为冻土工程地质问题及设计参数受冻土温度和环境条件的影响且变化较大在勘察报告中应特别说明4.1.4建筑场地复杂程度等级划分除了根据地形地质及岩土等因素之外应特别注意冻土条件(包括冻土工程类型及分布季节冻结与季节融化深度冻土的含冰量与温度状态地表植被和雪覆盖状态等)的破坏情况因为它们的存在及变化都直接影响着冻土工程地质条件的变化因此场地复杂程度等级划分时主要考虑冻土工程地质条件其中多年冻土的年平均地温直接影响和决定着多年冻土工程地质@第10页共10页 @www.sinoaec.com条件的稳定状态按我国多年冻土年平均地温可分为四级:极不稳定状态(年平均地温高于-0.5)不稳定状态(年平均地温为0.51.0)基本稳定状态(年平均地温为-1-2)和稳定状态(年平均地温低于-2以下)各种状态下的冻土工程地质条件稳定性相差甚大它们对气候地质生态环境及人类工程活动的反应各不相同不稳定状态下的多年冻土的反应极其敏感以致完全改变冻土工程地质的全部性质出现大量的冻土工程地质问题所以冻土地区的场地复杂程度等级划分主要取决于冻土的含冰条件及年平均地温4.1.64.1.7勘探点线网的布置是在常规工程地质勘探要求的基础上特别考虑和注意冻土及地下冰的分布特点尤其是在岛状多年冻土地区和地下水分布不均匀的地段可适当地加密勘探点线间距和加深勘探孔的深度目的是要获得建筑场地各个重要部位的冻土工程地质条件和设计参数由于建筑物与冻结地基土相互作冻土用的下介面是设计中沉降计算所必须考虑的深度在控制孔地段增加钻孔的深度是工为充分了解建筑物地基的冻土工程地质条件以便正确地评价建筑场地的适宜性和程地质勘察规范稳定性4.1.8冻土物理力学与热学性质的试验与测试是冻土工程地质勘察工作主要内容之一在可行性研究阶段勘察通常只简单地测定冻土的几个物理参数如含水率干密度及其颗粒成分等在初勘与详勘阶段就应做一些原位的力学参数测定与试验由于各种原因无法获得实测资料时可按本规范附录K确定冻土的物理力学与热学参数虽然根据土的物理指标选取计算冻土物理力学与热学参数是一种简捷近似的方法但因地基土的矿物成分有机质含量粒度和结构构造及水分含量的差异资料编号就可能造成有5%11%的均方差同时选用土物理指标的代表性和可靠性直接影响计算与选用参数的正确性有关土物理指标的选用问题应注意以下几点:(1)在计算场地和地基土天然冻结或融化深度温度场和力学强度等指标应注GB50324--2001意总含水率的瞬时测定值与平均值的关系特别是地表以下0.5m深度内含水率变化甚大时瞬时值不能代表平均值(2)计算相变时所用的总含水率指标应以春融前的测定值为准未冻水量的计算应以冻结期土体达到的最低温度为准(3)在确定冻土地基强度所需的温度值均以基础下持力层范围内建筑物使用期间的最高温度为准(4)在计算冻土地基的融化下沉时所需的含水率及容重应以基础下持力层范围内土体冻结期达到最低温度时的冻土含水率及干密度为准@第11页共11页 @www.sinoaec.com(5)在确定衔接多年冻土区采暖建筑的基础埋置深度时应考虑冻土融化后土体结构破坏(如多冰地段冻土融化后一般呈饱和或过饱和状态)(6)在确定保温层厚度时应考虑选用的保温材料(如干草碳砌块或炉渣等)长期使用后受潮的可能性同时还应注意选用大孔隙保温材料时由于对流和辐射热交换对热参数的影响4.1.9冻土地区场地与地基条件的复杂性主要反应在厚层地下冰分布以及冻土年平均地温的稳定地段建筑物修建后改变着冻土工程地质条件及温度和水分的扰动导致冻结地基土发生冻胀与融化下沉等现象的产生和发展影响建筑物的稳定性甚至破坏所以在重要建(构)筑物中必须设立定位观测点以监视和掌握建筑物下冻土工程地质条件及冻土年平均地温的变化状况和过程以便及时采取措施保持建筑物的稳定性通常的观测项目应包括多年冻土地温地基土的冻胀和融沉特性冻土人类工程活动及自然条件变化而引起的有关现象和变化过程可按本规范有关规定工执行程地质勘察规范4.2冻土工程地质勘察的任务4.2.1多年冻土区的冻土工程地质勘察工作内容除了常规工程地质勘察要求外特别在本条规定了十项内容因为多年冻土及其分布特征决定着建筑物的设计原则基础埋置深度地基土的工程性质和冻土的稳定性工程建筑的施工和运营都可能改变冻土工程地质条件与冻土环境甚至可导致与原冻土工程地质条件相差巨大的变化因此冻土工程地质勘察的要求与内容就远比常规岩土工程地质勘察复杂更重要的是本条规定的项目都直接涉及建筑物的安全和稳定性由于未能了解上述资料编号内容而导致建筑物破坏的事例较多本条规定的勘察内容可按勘察阶段及各工程的特殊要求选择和确定各项工作深度和广度在进行冻土工程地质勘察时可通过搜集资料踏勘现场的详细冻土测绘及勘探等方法来获得GB50324--20014.2.2季节冻土区的冻土工程地质勘察工作在常规岩土工程地质勘察的基础上加强对季节冻结土层厚度含水与含冰特征地下水位及其变化冻土现象等内容的勘察与有关资料的搜集工作同时对地基土的冻胀性作出评价如果采用浅基础设计方案时必须对季节冻土的融化下沉特性作出评价因为季节冻土地区的主要冻土工程地质问题是地基土的冻胀性浅基础设计时还有冻结地基土的融沉性这些冻土工程地质问题及与气候水文地质地质地理环境有着密切的关系所以季节冻土区进行工程地质勘察时必须查明本规定的六项内容@第12页共12页 @www.sinoaec.com4.3冻土工程地质区划原则4.3.1冻土工程地质区划首先应反映勘察区内多年冻土或季节冻土分布的区域性和地带性特征其次在常规岩土工程地质区划原则的基础上按地质构造地貌特征结合冻土地温的地带性和主要基本特征再作分区第三依据冻土工程地质条件主要物理力学热学特征地下冰及冻土现象的分布再进一步分区该分区原则在通常情况下可按三级进行冻土工程地质区划不论何级区划各区划单元都必须充分地反映冻土的基本特征与主要自然环境因素的生存关系同时应考虑不同建筑项目的要求和勘察阶段便于工程建筑设计时使用其比例尺可由工程项目要求及勘察阶段和所反应的区划内容决定4.3.2冻土工程地质区划应分三级进行原则上可行性研究及规划阶段可给出一冻土级分区初步勘察作出二级分区详细勘察阶段应该进行三级分区特殊情况下应按工程要求增减各级区划的内容工程地质勘察规范本区划内容主要用于第四纪沉积物(包括基岩的强风化带)的冻土工程地质分类对于冻结的完整坚硬基岩其工程地质性质取决于基岩本身的性质地貌单元(如分水岭山坡与河谷等)的多年冻土类型表征它的形成条件和现阶段的存在条件每一种地貌都反映了一定气候和地质条件下土的共生或后生冻结多年冻土的形成与厚度变化多年冻土的冷生组构气候转暖和变冷时多年冻土的局部或全部消融与冻结等特征冻结沉积物的成因决定了沉积物的成分空间分布的不均匀性组构埋藏条件及石化程度也决定着沉积物的共生或后生冻结类型及相应的冷生组构资料编号土的成分决定着冻土工程地质性质及冻结过程的重要特征冰包裹体的性质及分布决定着冻土的冷生组构各种成因和构造不仅可以评价冻土的工程性质还可以表征冻土融化时的状况和热融下沉量冻土的强度特征及GB50324--2001冻结过程中的有关现象显然表征冻土稳定性的最重要的指标是多年冻土的年平均地温(Tcp)它决定了土的热交换动态以及冻结过程的特点并影响冻土的物理力学和热学性质按多年冻土地温的稳定状态可分为四种类型:(1)稳定型多年冻土:Tcp低于-2.0它的热状态较为稳定水分迁移过程较弱冰包裹体具有明显的脆性冻土强度很高(2)基本稳定型多年冻土:Tcp为-1.0至-2.0之间它的热状态属稳定它的工@第13页共13页 @www.sinoaec.com程性质介于稳定和不稳定型多年冻土之间(3)不稳定型多年冻土:Tcp为-0.51.0属于高温冻土它的热状态不稳定含有较多的未冻水冻土强度较低具有半塑性(4)极不稳定型多年冻土:Tcp高于-0.5属于高温冻土含有大量的未冻水在一年和多年的地温动态影响下冻土中未冻水分会发生强烈的相变和迁移存在的冰包裹体具有极大的塑性它的热状态极不稳定在气温变暖及人类工程活动影响下冰包裹体极易融化具有较低的冻土强度冻土厚度不仅要考虑冻土地温带所特有的厚度变化范围而且要考虑建筑物热作用下的变化特点厚度为20m之内的多年冻土在一般建筑物的热影响下往往可在510年内全部融化厚度为2050m的多年冻土在大型散热建筑物或建筑群的影响下可能产生相当大的融化通常情况下冻土可以保存下来厚度为50冻土100m的多年冻土在水工建筑物影响下会出现明显的融化但不会影响冻土的存在工厚度大于100m以上的多年冻土可以保持不变仅出现自上而下的局部融化可见程地质勘察规范冻土厚度的变化与冻土地温带是相适应的冻土的埋藏条件反映在20m深度内有无融化夹层融区及季节融化层与下卧多年冻土层的衔接关系如无融化夹层时可视为冻结地基若不衔接和局部融区的多年冻土可视为冻结或融化地基这取决于剖面上冻土与融土的比例冻土含冰量与性质及所采取的施工方法和技术措施由此可见冻土工程地质区划的内容必须反映冻土工程地质的基本特征它是在常规工程地质区划的基础上突出了冻土特征其相应的内容更明确更具体有资料编号关冻土的物理力学及热学性质往往在图上难以表示时必须列表叙述4.4冻土工程地质及其环境评价4.4.1冻土工程地质及其环境评价除了按照建筑物设计所需的冻土工程地质条件及GB50324--2001设计参数作出评价外本条提出由于人类工程活动或自然因素对冻土工程地质条件可能产生影响也要作出评价实践经验表明原始的冻土工程地质条件可能比较良好但在建筑物修建和运营期间冻土工程地质则发生明显的乃至很大的改变甚至恶化导致建筑物破坏这是由于冻土对自然条件地表扰动温度变化地表水流的侵蚀和人类工程活动等影响都具有特别的敏感和表现出它的脆弱性为此第4.4.5条特别提出在冻土工程地质评价中必须提出相应的保护冻土工程地质条件以及预测其变化时应作出的超前或及时的防治措施@第14页共14页 @www.sinoaec.com4.4.2冻土工程地质条件评价的内容必须与冻土工程地质区划的内容相对应这是由于冻土的特殊性所要求的依据以往许多工程事故与教训的总结如对本条的内容都能作出较详细评价的话不少的冻土工程地质条件变化是可以预见的工程事故也可以减少因此本规范超出岩土工程勘察规范GB50021-94的要求这样严格的要求是出自于以往的教训4.4.34.4.4冻土带是地圈表层的重要组成部分之一多年冻土带内部发育的冷生过程直接影响着地表和景观的稳定性如地表的植被和雪盖被铲除地表的开挖和再沉积作用岩体的破坏水文及水文地质条件的扰动等方面的变化都直接影响着冻土地区环境工程地质条件的稳定性因此冻土工程地质环境调查不仅仅应把它看成是环境保护的问题更应当看作是冻土工程地质资源的合理利用问题在冻土工程地质勘察过程中必须按照工程设计阶段了解比选方案范围内的环境地质冻冻土土的现状充分而合理地利用冻土工程地质资源避免引起不良的后果所以用工来布局各项工程建筑物的地基土和冻土工程地质条件等都应该看成是工程地质资源程地质勘察规范和自然环境资源的范畴形成一个工程建筑地质环境系统冻土现象对自然环境和人类工程活动干扰的反应表现极为敏感因而应对冻土现象的形态分布形成与发育历史原因和过程等作详细调查同时因工程修建后改变冻土工程地质条件引起新生的冻土现象作出预测和评价并提出相应的环境保护措施建议大量的工程实践证明工程建筑物修建后完全或局部地改变了原地的冻土工程地质条件和水文地质条件形成大量的冻胀丘冰椎融冻滑塌和融冻泥流等等这都是由于在冻土工程地质勘察和设计时未能就自然与人类工程活动资料编号的影响提出正确评价及环境保护措施的结果引起冻土工程地质条件变化的最敏感部分是地形植被及雪盖的扰动情况与此相关联的因素还有冻土类型分布特征冻土的地温稳定性地下冰与埋藏特点GB50324--2001因此冻土工程地质环境调查应与冻土工程地质勘察工作密切结合这样可以减少许多重复工作人类工程活动可能加剧了地表破坏和冻土地温的扰动所以本条要求对建筑物修建后的冻土工程地质环境变化作出预测和评价也是冻土工程地质环境调查比一般环境调查要求更高的原因4.4.5冻土是在综合自然因素作用下生存与发展的自然综合体是各种自然因素之间有着复杂的相互关联体系一些因素的变化会引起另一些因素的变化因此由于工程作用造成的破坏其结果是导致冻土生存的破坏特别是清除自然覆盖物或改变覆盖物的性质如清除植被洼地积水或疏干和排除地表积水平整地形清@第15页共15页 @www.sinoaec.com除或换填上部土层和建筑物的热作用等等都可能改变冻土的存在条件使地温升高季节融化深度增大冰包裹体融化等从而引起地基下沉山坡坍塌以及融冻泥流等现象出现因此本条强调对冻土环境保护作专门评价冻土地基的利用原则应该根据冻土的自然条件及变化后的冻土条件而定局部因素的改变可以按合理的技术经济评价提出利用和保护措施对建筑物而言应该根据建筑物的重要性场地冻土条件(特别是冻土的温度条件)建筑物的热作用及冻土环境条件的变化等综合考虑提出冻土地基的利用原则4.5冻土工程地质勘察报告4.5.1由于冻土工程地质条件比较复杂和不均匀性加强原始资料的编录工作是保证勘察成果报告质量的基本条件也是冻土工程地质分析和编写成果报告的基础冻土过去在冻土地区的工程地质勘察测试工作做得不少但多数都是按常规工程地质的勘察要求进行的未能对冻土的特殊性加以注意例如冻土中地下冰的分布情况工程地质勘察规范多年冻土上限的确定冻土的地温变化水文地质条件与冻土存在和发育的关系等等因而不能如实地反映实际情况导致分析评价的失误造成建筑物失稳和破坏因此本条强调对冻土工程地质分析所依据的一切原始资料均应进行整理检查分析鉴定确认无误后方可使用4.5.2鉴于冻土地区的工程建设规模大小各不相同各工程特点勘察阶段目的要求亦不尽一样冻土区的自然条件和工程地质条件相关甚大因而冻土工程地质勘察成果报告内容的详细程度也应该随着任务要求勘察阶段而定4.5.34.5.4所列的冻土工程地质勘察成果报告的基本内容是各个工程勘察报告所资料编号必须的与常规的工程地质勘察成果报告相比它突出和增加了下列内容:(1)突出冻土特征及其工程性质冻土现象的描述和评价(2)地基土冻胀性融沉性稳定性和适用性评价GB50324--2001(3)冻土参数的分析与选用(4)场地的利用整治改造方案和建筑设计原则(5)工程施工和运营期间可能发生的冻土工程地质问题的预测监控和预防措施的建议(6)在图件中增加冻土地温观测冻土利用整治改造方案冻土工程计算简图及计算成果等有关图表但是由于各工程要求勘察阶段不同图件比例尺的要求也各不相同无法@第16页共16页 @www.sinoaec.com制定一个统一的适用于每个工程的图件比例尺所以本条只规定勘察成果报告应附的基本图件其比例尺应由各工程要求和勘察阶段来规定4.5.5本条提出除综合性的冻土工程地质勘察成果报告外尚可根据任务要求提交某一专题性的单项报告如工程沉降观测报告验槽报告冻土融沉或承载力试验报告浅埋基础设计以及场地冻土环境工程地质评价等等冻土工程地质勘察规范资料编号GB50324--2001@第17页共17页 @www.sinoaec.com5冻土工程地质调查与测绘5.1一般规定5.1.1冻土工程地质调查与测绘是冻土工程地质勘察的基础工作它的任务是查明对工程建设有较严重影响的各种冻土现象和场地的冻土工程地质条件并为勘探试验和专门性冻土工程地质问题进行必要的补充勘探提供依据因此冻土工程地质调查与测绘工作必须在可行性研究勘察和初步勘察阶段之前进行然后对某些专门性的冻土工程地质问题(如厚层地下冰热融滑塌和冻土沼泽等)在详细勘察阶段进行必要的补充工作5.1.2关于冻土工程地质调查与测绘的范围因本规范包括专业较多所以仅将铁冻土路公路架空线路和管道工程等线性工程的调查与测绘范围作了统一规定对水工程地质勘察规范利水电工程和工业与民用建筑工程的测绘与调查范围除应包括建筑场地我们把对该场地可能产生不利影响的地段(如融冻泥流地段等)也列入在调查与测绘的范围之内关于测绘所用地形图的比例尺由于上述各专业性质不同不能作统一规定只能在各专业内按勘察阶段提出相应要求由此可知冻土工程地质测绘所选用地形图的比例尺不仅取决于建(构)筑物的性质和重要性而且还与勘察阶段区域冻土和场地冻土工程地质条件的复杂程度密切相关所以本条特别规定对冻土工程地质条件较复杂的场地和对工程安全影响较严重的冻土现象比例尺可适当放大资料编号5.1.3冻土工程地质调查与测绘的主要内容本条首先列出了地貌地貌与第四纪地质岩性构造地表水地下水和冻土现象的关系因为这是划分地貌单元评价冻土工程地质条件以及论证建筑物稳定性等方面的重要依据GB50324--2001还应该强调的是在调查与测绘的内容上必须将冻土的分布特征作为重要问题进行研究这样才能达到除了常规性的调查与测绘目的外查明冻土的区域自然条件及其相互关系才能为建(构)筑物提出合理的设计原则适宜的技术措施和建筑物在施工及其使用期间的稳定性预报以便提高冻土工程地质勘察的水平5.2冻土现象调查与测绘5.2.15.2.3冻土现象是冻土工程地质调查与测绘的主要内容之一因为在冻土地区由于土中水的冻结和融化不断的发生着因冻融作用而形成的中小型地形@第18页共18页 @www.sinoaec.com这些冻土现象直接威胁着工程建筑物的安全如冰椎和冻胀丘是冻土区最为引人注目的冻土现象它可造成房屋裂缝道路变形桥涵破坏等现象给工程建设带来极大损失因此可根据冻土现象对工程的危害性和地质条件的复杂程度决定所采用的标测方法:(1)目测法:该法一般在可行性研究勘察阶段对冰椎冻胀丘融冻滑塌等冻土现象以目估或步量其规模的大小(2)半仪器法:在初步勘察阶段可借助罗盘仪气压计和步数计(或测绳)等简便仪器设备测定冻土现象的方位高度和距离(3)仪器法:在详细勘察阶段对专门性的地质问题如厚层地下冰和冻土沼泽等冻土现象进行补充测绘时可使用经纬仪水准仪等精密的仪器测定其位置和高程如需了解和掌握地质资料还可用适宜类型的钻机进行勘探冻土5.2.4冰椎是由河水或地下水在冬季流至冰面或地面以上随流随冻而形成的它多工分布在冻土区的山间洼地河床漫滩阶地以及山麓的洪积扇边缘地带但是程地质勘察规范与冰椎相反冻胀丘则是土层自上而下冻结时地下水向冻结锋面迁移并不断形成冰层使地表面隆胀为丘状体的现象它多分布在冻土区的河漫滩阶地沼泽地平缓山坡以及山麓地带但是由于冰椎或冻胀丘的形成与分布具有独特的地质地貌条件所以在进行调查与测绘时其气象植被水文地质工程地质以及对建筑物的危害性等等方面都应列为主要因素为了给工程勘察设计和施工提出最佳方案和可靠勘察资料提出冰椎或冻胀丘的调查与测绘的范围和要求是十分必要的因为工程建设在资料编号冰椎或冻胀丘的形成区范围以外进行则是经济和安全的如果工程建设必须设置在冰椎或冻胀丘的形成区范围以内则必须采取相应的有效措施其安全才会有保证GB50324--20015.2.5在冻土地区地表面以下的任何一种冰不论其成因或埋藏条件如何统称地下冰地下冰按其形成原因可分为构造冰脉冰和埋藏冰等三种类型随着科学技术的发展地下冰还有其他一些分类方法但是厚层地下冰(冰层厚度大于0.3m)一旦融化对工程建设的影响是极其严重的因此厚层地下冰是进行工程地质调查与测绘的主要对象地下冰形成和存在的特殊性决定了进行其调查与测绘的范围即除了厚层地下冰分布的具体地段外其围岩部分也是调查与测绘的主要地带要有效的在上述范围进行调查与测绘应以钻探和物探相配合进行勘探并进行钻孔测温和取冰样@第19页共19页 @www.sinoaec.com试验其物理化学指标以评价厚层地下冰的稳定性与对工程的侵蚀性地下冰调查与测绘的内容与重点最重要的是分凝冰侵入冰以及埋藏冰等类型的厚层地下冰的埋藏深度冰层厚度温度和分布面积等主要因素因为这些因素要求建筑物结构和技术条件有一定的适应性5.2.6缓坡上的季节融化层(细颗粒土)在夏季融化至一定深度时土中水分不能下渗土壤呈饱和或流动状态时沿着山坡向下蠕动这种现象称为融冻泥流现象表层泥流具有分布广规模较小流动较快的特点深层泥流多呈阶梯状缓慢向下移动其发生规模较大对建筑物危害性强但是热融滑塌现象常常发生在厚层地下冰分布的斜坡上其原因可由气候转暖或人为活动因素所造成与融冻泥流相反热融滑塌现象是自下往上发展的滑体多呈舌状或簸箕状热融滑塌物常常流过路基堵塞桥涵孔道危害交通冻土融冻泥流(滑塌)调查与测绘除应查明融冻泥流或热融滑塌发生与发展的场地条工件及其发生原因和类型外还应特别注意的是深层泥流的移动速度比较缓慢肉程地质勘察规范眼不易观察随着时间的推移可能使建筑物遭到严重破坏所以应适当的布置融冻泥流或热融滑塌的移动标志并定期进行观测以便采取相应的防治措施融冻泥流或热融滑塌调查与测绘应着重提出其形成区的季节融化特点土颗粒成分土壤渗透性以及冻土和地下冰的分布等方面的工程地质资料另外还须对气候和人为活动条件的变化以及融冻泥流或热融滑塌的移动速度提出预报5.2.7热融湖塘(洼地)现象主要发生在塔头和沼泽等低洼积水地段其原因是气候转暖或人为破坏地表植被加大季节融化深度导致地下冰或高含冰量多年冻土局部资料编号融化所造成的结果因此进行热融湖塘(洼地)调查与测绘时应将其形成区的地质地貌水文地质条件气候变化和人为活动等内容作为重点进行工作对热融湖塘(洼地)进行调查与测绘时将其形成区及其影响范围包括进去是适宜GB50324--2001的同时在勘探方面钻孔深度必须穿过多年冻土上限12m主要是为了查清其分布范围观测地温和评价其稳定性以便为工程提供正确的设计原则和可靠措施热融湖塘(洼地)由于地表景观明显调查与测绘范围比较直观所以其调查与测绘的工作重点可放在勘探观测以及预报等方面以便为工程建设确定设计原则和应采取的安全措施创造条件5.2.8冻土沼泽现象是在多年冻土区适宜的水热环境条件下形成的同时冻土沼泽的发育又促进冻土层形成它可分为低位中位和高位三种类型在东北冻土区的泥炭沼泽多数由于下卧多年冻土或地下冰层的存在而形成由于地面积水的温度很@第20页共20页 @www.sinoaec.com低多生长塔头(苔草墩)和少量幼松等植物但落叶松(幼体)常常因营养不良生理干旱和低温而死亡冻土沼泽现象在东北从低位到高位型均具有分布面积较大季节融化深度小和泥炭层较厚等特点相反在青藏高原冻土区仅形成类型单一的低位型泥炭沼泽冻土沼泽的调查与测绘应在冬春季进行地质钻探和挖探工作在夏季可以钎探获得季节融化深度资料但是必须注意冻土沼泽形成区的多年冻土或地下冰和季节融化层的热平衡状况以避免在人为条件下演变成为热融湖塘现象为此应进行地温观测并及时地进行预报冻土沼泽现象多分布在河漫滩阶地或台地上与公路铁路桥梁等建(构)筑物的关系十分密切因此其调查与测绘的重点应突出冻土沼泽分布特征地质勘探试验和原位测试等方面冻土工程地质勘察规范资料编号GB50324--2001@第21页共21页 @www.sinoaec.com6冻土工程地质勘探与取样6.1一般规定6.1.16.1.2冻土工程地质勘探的手段和方法可因工程类别和勘察阶段的不同而不尽相同另外勘探区的冻土特征交通条件气候变化以及地质地理环境等因素都会影响勘探方法的选择和应用钻探坑探是冻土区常用的冻土勘探方法物探作为勘探工程的辅助手段指导配合钻探工作可起到提高勘探质量缩短勘探周期节省费用以及顺利完成任务的作用6.1.3通过室内遥感判释现场验证以及地质调查测绘和物探工作在初步了解冻冻土土分布特征和各种冻土现象的基础上根据工程需要布置勘探点以达到使勘探工工程地质勘察规范作量满足冻土工程地质勘察要求6.1.4勘探工作量的多少应视不同工程的需要而定本规范第812章对此均有明确规定应遵照执行6.2钻探6.2.1冻土钻探回次进尺在铁路地质钻探技术规则中定为5min但不超过0.3m根据经验冻土钻探进尺随含冰量的增加土温降低而加大但对含卵砾石较多的土层应少钻勤提以避免冻土全部融化实际上过去的冻土钻探对于富冰冻土饱冰冻土和含土冰层回次进尺可达1.0m对卵砾石含量较多的土层钻进0.10.2m即需资料编号提钻在冻土钻进过程中当土温较高或近似塑性冻土或为了判定是否多年冻土及钻探取样较困难时采用击入法取样可取得较好效果当冻土中含有碎(卵)石时钻进时间过长取出冻土样品困难可加少量水取出GB50324--20016.2.2钻孔开孔直径宜按钻机性能和冻土取样的需要采用最大口径如100型钻机一般为130mm为满足柱状土样直径80mm的要求终孔直径应不小于91mm以采用110mm为宜6.2.3在冻土层钻探过程中钻探所产生的热量破坏了原来冻土温度的平衡条件引起冻土融化孔壁坍塌或掉块妨碍了正常钻探为此除采用泥浆护孔外在冻土中采用金属套管下入孔内防止孔壁坍塌或掉块现象是较适宜的措施但是必须有一定的孔口标高以防止地表水或钻探用水流入孔内@第22页共22页 @www.sinoaec.com钻探期间对场地植被的破坏都将引起冻土工程地质环境条件的变化这关系到建筑物选择适宜的设计原则和基础类型及其结构形式等措施因此及时恢复破坏了的植被自然状态保护冻土工程地质环境条件是极其重要的6.3坑探槽探6.3.16.3.2冻土层的浅部土层勘探包括坑探槽探钎探和小螺旋钻等方法其目的是为了查明地质构造线的产状属性和形态断面破碎带的宽度充填情况岩性分界以及冻土上限冻土含冰情况以及季节融化与冻结深度等内容坑探槽探一般使用人力机械或爆破法进行但是必须采取适宜措施保证勘探工作安全并及时恢复自然环境状态在勘探期间利用坑探槽探方法是查明季节冻结与融化深度的最好方法另外冻土除用直接观测方法(如AH丹尼林冻土器)或间接观测方法(如利用钻孔测地温)确定天然季节融化与冻结深度外还可以利用钎探即用钢钎打入融土层中直到冻土工程地质勘察规范硬界面为止再用专门工具将其拔出这是实测季节融化深度最简单和最省力的方法其效果也很好钎探方法特别是在沼泽及泥炭化发育地段实测季节融化深度更为灵活在未饱水的细颗粒土层中使用钎探时可把塑性冻结状态的土层穿过直至坚硬冻土界面深度处虽然利用坑探槽探方法可以直观冻土层中有无冰夹层土层的胶结程度及其颜色的变化以确定季节冻结与融化深度不过利用坑探槽探方法应注意适宜的挖探季节一般在78月份进行最大季节融化深度的挖探34月份进行最大季节冻结深度的挖探这对工程建设是有用的主要数据之一资料编号6.4地球物理勘探6.4.1物探是冻土工程地质勘察的重要方法它配合测绘工作可迅速的探测冻土状况为其布置勘探工作提供依据在各勘察阶段的物探和钻探应紧密相结合及时GB50324--2001地用少量而适宜的钻探成果验证物探方法的有效性随着勘察阶段的提高以钻探为主物探则作为勘探工程的辅助手段了6.4.2根据冻土的物理特性及场地条件合理选用电法勘探震法勘探或地质雷达等方法并紧密结合钻探工作以探测多年冻土的分布范围上限波速及动弹性模量等同时对厚层地下冰和地下水的类型贮存条件与变化规律等方面的内容亦可进行物探工作6.4.3除被探测对象的物理特性十分明显可采用单一的物探方法外一般应采用@第23页共23页 @www.sinoaec.com多种物探方法互相验证和补充以克服条件性多解性和地区性等不利因素的影响对重点工程和复杂的建筑应采用综合物探工作以提高勘探与经济效益6.4.5冻土物探参数是保证物探质量的关键因素该资料是进行内业解释的重要依据必须收集有关不同方法实测的冻土物理参数当该资料缺乏时应在测区实测以满足工作需要6.4.6由于测区冻土的自然环境不同一般对不同环境中形成的多种物理现象(异常)的解释(除少数情况外)难以得出单一的结论而形成多解性因此应采用多种物探方法进行综合判释以取得较好效果对工程具有重要意义的地质问题还必须进行钻探验证解释工作6.5冻土取样与运送冻土6.5.16.5.3在冻土工程地质勘察中采取保持天然冻结状态供试验室分析试验的土样是钻探工作的主要目的之一也是对冻土地基作出正确工程地质评价的基工程地质勘察规范础但是按工程要求和现场条件还可采取保持天然含水量并允许融化的冻结土样以及不受冻融影响的扰动土样保持天然冻结状态的土样采取主要取决于钻进方法取样方法以及取土工具三个环节为取得保持天然冻结状态的土样必须保证孔底待取土样因不适当的钻进方法受到扰动或压力作用所产生的热影响要求取样前应使孔底待取土样有恢复天然温度状态的时间(最好测量钻孔底部土壤温度)然后在接近取样深度时控制每一回次的进尺(深度视土层情况决定)以保证取出的土样仍保持冻结状态(粗颗粒土及大块碎石土除外)取出的冻结土样应及时装入具有保温性能的容器或专门的冷藏资料编号车内送验如不能及时送验时应在现场测定土样在冻结状态时的密度GB50324--2001@第24页共24页 @www.sinoaec.com7冻土试验与观测7.1一般规定7.1.1冻土的室内试验包括原状土和重塑土试验野外现场试验指原位试验7.1.2为了加强试验资料的可比性和通用性地层冻结会议国际编写小组已提出人工冻土的分类与实验室试验的推荐意见本规范力图向国际标准靠近采用了其中单轴压缩试验的有关建议因此若土工试验方法标准GB/T501231999部颁试行标准与国际编写小组的建议有矛盾时建议按后者执行7.1.3有关冻土动力学特性等试验目前尚无统一试验标准如工程需要进行诸如此类的试验时应详细说明试验方法冻土7.2室内试验工程地质勘察规范7.2.2勘察期间首先开展冻土物理性质试验进行冻土分类同时为随后开展其他试验积累基本资料季节冻土区应对土冻胀敏感性作出评价随后根据需要分别测定土的切向或法向冻胀力多年冻土区则应根据设计原则(如保持地基土处于冻结状态或允许地基土融化等)选定有关试验项目按保护多年冻土原则设计时应侧重选择与冻土的温度状况长期强度和蠕变性能有关的试验项目按允许冻土融化原则设计时应侧重选择与冻土融化时的变形特性和融后强度特性有关的试验项目7.2.3本条规定系根据人工冻土分类和实验室试验国际编写小组的建议提出资料编号以加强试验方法的统一性及试验资料的可比性7.3原位测试GB50324--20017.3.1原位系指在冻土内所处的原来位置包括基本上原位状态和原位应力条件原位测试已成为工程勘察中广为应用的重要测试手段由于它在较大冻结岩土体的原位状态和原位应力条件下进行试验因此测试结果更接近于冻结岩土体的实际情况一般认为取土供室内试验及分析均会受到各种人为因素的扰动与影响岂不知绝大多数原位测试也都有其不同程度的扰动问题同样存在一些不定因素如应力条件应变条件时间条件排水条件以及边界条件等等但总的来说原位测试的结果与取样进行室内试验相比更接近实际@第25页共25页 @www.sinoaec.com7.3.27.3.3有些单指标或单参数的原位测试比较简单和容易可广泛应用但有些项目虽然并不复杂要求的时间周期却很长如地基土的冻胀量冻胀力和年平均地温等取得一个数据需连续观测一个冬季而年平均地温则需时一年由于冻土地基的承载力高需要施加大量荷重又由于其强烈的流变性稳定时间需要很久所以荷载试验做起来费时费工与费材料一般很难大量进行尤其是已建建筑物基础的原位载荷试验更加困难只有在万不得已的情况下进行但桩基础的静载荷试验却相对容易有些单指标单参数的原位测试虽然在道理上讲完全可以从未冻土中移植过来由于受到仪器设备的强度容量量程等的限制还不能适应冻土强度高变形小的特性要想达到实用阶段尚需做大量试验对比工作7.3.47.3.5进行原位测试最主要的一条即强调一个原字也就是说原状地基土原应力场原温度场原水分场其试验荷载的性质尽量接近实际情况否则冻土失去原位的意义工试验过程中对小尺寸短时间的试验结果应考虑边界条件的不同尺寸效应程地质勘察规范时间效应温度参数等的修正7.4定位观测7.4.17.4.3定位观测的目的有两个其一是对重要建筑物观察其使用情况对复杂地基或特殊建筑监视其质量情况对所采用的新技术为全面了解其地基土性状作用周围有无成熟经验可以借鉴以及拟采取的新措施新设计新试验的有效性应建立定位观测站前者是工程结束后开始建立而后者则是从选址定点后即可开始定位观测及观测大纲应由设计单位根据其对设计的成熟性把握程度以资料编号及要取得何种数据与资料统一在设计文件中确定否则定位观测很难立项和观测定位观测站的观测时间应根据观测内容的不同而有所区别有的可能很短时间即可完成观测冻胀冻胀力则需一个冬季考虑其变异性一般连续三年观测GB50324--2001融化盘当建筑物跨度稍大时达到稳定的延续时间少则七八年多则十几年才可获得一个数据又由于冻土的强烈流变性其沉降观测没有几年时间也不说明问题为了积累资料指导今后勘察设计工作更好地进行其观测报告应留给勘察设计单位参考而建设单位保存则是作为说明工程质量情况的基本证明材料@第26页共26页 @www.sinoaec.com8工业与民用建筑冻土工程地质勘察8.1一般规定8.1.1本章适用于冻土地区工业与民用建筑的冻土工程地质勘察但对冻土地区的融土地段除应按本规范执行外尚应符合岩土工程勘察规范GB5002194或其他规范的有关规定8.1.2勘察阶段的划分应与设计阶段相适应一般分为可行性研究勘察(选址勘察)初步勘察和详细勘察三个阶段施工勘察不作为一固定阶段只在特殊情况下进行施工勘察对冻土工程地质条件简单并且又具有建筑经验的场地可适当简化勘察阶段冻土8.1.3冻土工程地质勘察工作应符合各勘察阶段的技术要求并在明确工程特点及工程地质勘察规范任务要求的情况下对综合考虑的几个因素要求作定量的冻土工程分析和预测提出冻土工程设计参数以及冻土地基基础设计原则和设计方案的建议8.2可行性研究勘察8.2.18.2.2这两条内容是可行性研究勘察(选择场址勘察)应做的冻土工程地质工作其中第8.2.2条对场址选择应尽量避开那些对建筑物有害的地段场址方案应选择在对工程建筑有利特别是融区面积大第四纪砂砾石层透水性好以及前第四纪(基岩)埋藏浅的地段碎石类土厚度大分布广泛多为少冰冻土地段以及冻土工程地质条件均匀稳定的地段资料编号8.2.3可行性研究阶段工程地质勘察报告的内容应在收集资料和调查研究的基础上结合必要的勘察和测试工作对拟选场址的稳定性和适宜性进行技术经济论证提出设计方案比选意见和建议GB50324--20018.3初步勘察8.3.48.3.5勘探孔的数量与深度应根据建筑场地冻土工程地质条件复杂程度和工程要求适当增减关于冻土场地类型表8.3.4划分三级:一级(复杂场地)是指冻土现象强烈发育地层变化复杂地下冰分布普遍为极不稳定场地直接威胁着工程安全二级(一般场地)是指冻土现象较发育冻土含冰量较高以富冰冻土和饱冰冻土为主对工程@第27页共27页 @www.sinoaec.com安全影响不严重三级(简单场地)指冻土现象不发育岩土种类比较单一地基土含冰量低以少冰冻土为主对工程无影响8.3.7初步勘察阶段不同地貌单元应设立地温观测孔地温观测孔数量不应少于一个但对于每个重要建筑场地不应少于两个地温观测孔深度应大于地温年变化深度值该深度在大兴安岭地区约为820m青藏高原则为1015m左右8.3.9初步勘察报告的内容中多年冻土地基利用原则有下列三种:原则I多年冻土以冻结状态用作地基在建筑物施工和使用期间地基始终保持冻结状态适用于多年冻土年平均地温低于-1的场地或地基土处于坚硬冻结状态的场地原则多年冻土以逐渐融化状态用作地基在建筑物施工和使用期间地基土处于逐渐融化状态适用于多年冻土年平均地温0.51.0的场地或地基土处冻土于塑性冻结状态或在最大融化深度范围内的地基土为变形所容许的弱融沉土工原则多年冻土以预先融化状态用作地基在建筑物施工之前使地基土融程地质勘察规范化至计算深度或全部融化适用于多年冻土年平均地温不低于-0.5的场地或地基土处于塑性冻结状态或在最大融化深度范围内的地基土为融沉强融沉或融陷土若冻土层全部融化可按岩土工程勘察规范GB5002194规定进行工程地质勘察8.4详细勘察8.4.3详细勘察应进行的工作共有八款内容较多要求较细特别是在塑性冻土地区预测建筑物沉降差异沉降或整体倾斜预测施工运营期间地质环境可能发资料编号生的变化或影响提出预防措施和建议方面8.4.48.4.5详细勘察阶段对勘探点布置要求和勘探点间距应按冻土场地的复杂程度和建筑等级确定冻土建筑物场地复杂程度除了地震动力地质地质环境等不GB50324--2001稳定因素外主要指冻土现象发育程度在第8.3.4条已有说明冻土场地条件和地基土质条件二者相互影响如饱冰冻土含土冰层直接威胁场地的安全所以将两个条件综合起来划分冻土场地类型考虑同一类型场地建筑物等级不能相同因此每一场地分别列入三个建筑物安全等级8.4.6详细勘察勘探孔的深度应考虑冻土类别和工程性质对面积小荷重大的高耸建筑物(如烟囱水塔等)应适当加深另外对热影响较大的建筑物(如热电站锅炉房等)如其融化盘较深或者冻土层变化较大时可适当增加勘探孔的深度在实@第28页共28页 @www.sinoaec.com践工作中多年冻土年平均地温低于0.5时多利用多年冻土作为地基所以在制定表8.4.6-1时参阅了国内外有关规范特别是前苏联加拿大美国冻土规范的规定以基础荷重不同确定勘探孔深度尽量少破坏地表保护周围环境避免温度场有大的变化或破坏对于塑性冻土以融化状态用作地基时可按岩土工程勘察规范GB5002194第3.1.15款执行但必须进行变形验算即考虑融化盘的深度又要满足冻土融化后计算基础沉降的需要所以一定数量的勘探孔深度应达到计算的压缩层深度以下在采用箱形基础或筏式基础时弱融沉土和融沉土的地基上可采用经验公式(2)确定勘探孔深度:Z=d+mc+b(2)式中Z勘探孔深度(m)冻土d箱基或筏基的埋置深度(m)工mc与土的压缩性有关的经验系数与土的类别有关按表8.4.6-2取值程地质勘察规范b箱基或筏基基础底面宽度(m)压缩层的深度和经验公式以及融化盘的深度不是决定勘探孔深度的唯一依据当钻孔达到预定深度遇有厚层地下冰时应适当加深或钻穿8.4.7本条内容主要是对详细勘察取样和测试工作的要求对重要工程建筑物或缺乏建筑经验的场地应进行定位观测对有特殊要求的工程应在建筑物施工和使用期间进行观测温度场的变化融化盘的稳定情况地基土融化下沉性状预报建筑物地基基础的稳定性及周围地质环境变化的影响对冻土试验与观测按本规范第7资料编号章执行采暖房屋地基融化深度的计算是一个复杂的课题国外冻土学者早就在进行试验研究并提出了许多计算方法但都有局限性我国从70年代中期开始研究也GB50324--2001提出了一些计算公式这些计算公式有待于今后实践中验证地基土融化深度受采暖温度冻土土质类型冻土温度等因素的影响而且是一个三维不稳定的温度场其中热源是起主导作用的由于建筑物在使用过程中热量传导作用地基土融化是持续的直到吸热和散热相对平衡使得融深稳定在最大值称稳定融化盘这里仅推荐冻土地区建筑地基基础设计规范JGJ11898中建筑物地基最大融化深度的计算公式:λTubHmax=ψJ•B+ψchc−ψ∆•∆hλT−λTubfcp@第29页共29页 @www.sinoaec.com式中J综合影响系数由图1查取u融土(包括地板及保温层)导热系数f冻土的导热系数Tb室内地面温度Tcp多年冻土年平均地温B房屋宽度c土质系数由图2查取hc计算融深内粗粒土层厚度h室内外高差室内外高差影响系数由图3查取冻土工程地质勘察规范资料编号GB50324--20018.4.8桩基是多年冻土地区主要基础形式之一根据沉桩方式分为:钻孔打入桩钻孔插入桩与钻孔灌注桩桩基必须采取架空通风地面保温措施不破坏地表桩基勘察内容包括:(1)查明桩侧以及桩端以下压缩层计算深度范围内各类冻土埋藏条件物理力学性质热学性质包括室内试验和原位测试的各项指标和参数以满足桩基础设计@第30页共30页 @www.sinoaec.com和施工需要为原则冻土工程地质勘察规范资料编号GB50324--2001(2)通过钻探坑探地球物理勘探定位观测掌握冻土地温年变化状态与季节融化层变化规律(3)查明地下水类型埋藏条件水位变化幅度渗透性能判别地下水对桩基材料的腐蚀性和对工程建筑的影响程度@第31页共31页 @www.sinoaec.com(4)查明基岩的顶板埋深风化程度特别是强风化带冻土发育情况基岩构造断裂裂隙发育程度破碎带的宽度和充填物等8.4.9桩基础作为多年冻土地区建筑物基础通过多年来在我国多年冻土地区基本建设中的实践取得很多宝贵经验因此只有符合冻土地基的客观规律才能保证建筑物的安全和正常使用桩基勘察工作量应满足设计与施工要求:(1)勘探点的布置和间距应以查明建筑物范围内冻土分布规律为主勘探点应布置在柱列线位置对群桩基础应布置在建筑物中心角点和周边的位置上(2)勘探点间距应根据场地冻土条件的复杂程度持力层层面和持力层厚度变化的情况一般采用1230m不宜大于30m(3)大口径桩墩(800mm)承载力较高当冻土条件复杂时宜按每个桩(墩)布置一个勘探点冻土(4)勘探点总数中应有1/31/2为控制点工8.4.10桩基勘察时勘探点深度要求既考虑融化盘深度计算和基础沉降的需要又程地质勘察规范要考虑桩尖平面算起压缩层深度的需要:(1)勘探点深度的确定原则除满足设计施工要求外尚应考虑不同建筑场地特点和桩尖平面以下冻土变化情况对于基岩持力层控制性勘探点的深度应深入微风化带35m一般性勘探孔应深入持力层12m查清基岩顶面起伏变化情况(2)对塑性冻土按融化状态原则设计控制性勘探孔深度应超过融化盘底面35m一般孔应等于融化盘深度对需要进行变形验算的地基控制性勘探点深度应超过桩尖平面算起的压缩层深度在实际工作中二者可进行比较验证资料编号8.4.11冻土地区桩基勘察原位测试和室内试验工作为桩基设计提供物理热学力学技术参数其中原位测试的主要内容为:季节冻层的分层冻胀与冻融过程以及桩基静载荷试验融化压缩试验与冻胀力试验等原位测试可根据地区经验冻土条GB50324--2001件和工程需要选择适宜的测试手段室内试验应满足下列要求:为验算基础在切向冻胀力作用下的稳定性和强度应作冻结强度的试验以代替原位试验或补充原位试验的不足为测定冻土融沉系数和融化压缩系数应作冻土融化压缩试验为验算冻土地基和边坡稳定性应进行冻土抗剪强度试验室内试验和原位试验可互相验证和补充但对于部分物理试验项目如冻土天然密度冻土总含水量等为减轻运送上的困难可在野外直接试验除了对常规的物理力学试验要求外又强调了以下试验项目:(1)季节冻土地区的建筑物桩基应根据实际需要进行冻胀性试验因为地基土@第32页共32页 @www.sinoaec.com冻结过程中土中水部分转变成冰土体膨胀(冻胀)基础侧面就产生了切向冻胀力作用从而导致不均匀变形上拔冻裂或破坏因此必须验算切向冻胀力作用下桩基稳定性及强度试验方法为现场原位测试和室内模拟试验一般现场原位测试数据比较可靠但周期长难度大费用也较高室内模拟试验到目前为止尚未得到统一认识(2)多年冻土地基中桩的承载能力由两部分组成即桩侧冻结力和桩端反力在桩的施工中桩周的天然温度场受到干扰和破坏桩侧冻结力还没有形成不能承载只有在桩周土体回冻后桩才能承载回冻时在相同回冻方法下时间的长短与桩的种类和冻土条件有关可参照有关地区的桩基试验确定其回冻时间试桩时间应选在夏末或冬初因为此时多年冻土温度受到大气影响使冻土抗压强度和冻结强度均达最小值如试桩选在这个时候进行试验则可以找出桩的最冻土小承载力工试载方法可采用慢速维持荷载法近年来为了缩短试验时间在美国和前苏程地质勘察规范联采用快速维持荷载法(3)对有建筑经验的冻土地区利用适当的原位测试和室内试验系指掌握地基土类别及工程性质地温观测冻土总含水量及天然密度等物理特性按本规范附录K查取冻土热学和强度指标本款主要适用于二三级冻土工程8.4.12施工勘察不是一个固定的勘察阶段主要解决与施工有关的工程地质问题共有三款遇有其中之一的问题就需进行补充工程地质勘察工作资料编号GB50324--2001@第33页共33页 @www.sinoaec.com9铁路与公路冻土工程地质勘察9.1一般规定9.1.4冻土工程地质图上地质点的数量和要求应随工程的性质和冻土工程地质条件的不同而异因为道路工程建筑有它的特点:即是一条线同时又是一个狭长的面在一段图幅内冻土工程地质条件是不相同的在条件简单的地段可能需用复杂工程(如深挖桥隧)通过而在条件复杂的地段可能采用简易工程(如填方浅挖小桥涵)通过因此硬性规定地质点的密度而不结合工程考虑显然是不合理的故在本条仅作了原则规定9.1.5施工冻土工程地质工作应把重点放在冻土现象发育地段冻土条件复杂地段冻土和重点工程上应特别注意开挖过程中冻土工程地质条件和水文地质条件的变化工程地质勘察规范及其对建筑场地稳定的影响施工冻土工程地质工作的具体任务有以下两点:(1)根据开挖暴露的冻土地质情况推断和预测冻土工程地质条件的变化及时预报和指出施工进程中可能出现的冻土工程地质问题(2)根据开挖出来的实际冻土地质情况修改和补充冻土工程地质资料编制竣工图件中的冻土工程地质图件和说明供运营养护或改建扩建使用9.1.6铁路公路运营期间冻土地质环境变化和冻土现象发生发展过程的监测是认识病害发生发展规律及时采取有效措施的基础运营期间的系统监测资料是既有线改造和增建第二线时评价冻土工程地质条件的依据运营铁路和公路冻土资料编号工程地质工作的具体任务如下:(1)对沿线地质病害工点进行监测做好病害工点履历登记为维修养护及改建扩建积累资料GB50324--2001(2)对新产生的地质病害工点做到及早发现及时调查勘测为病害整治设计提供必要的资料(3)对各项地质资料进行整理归档9.1.7目前我国基本建设工程的设计大体分为三种情况:即三阶段设计两阶段设计和一阶段设计三阶段设计为初步设计技术设计和施工图设计两阶段设计为扩大初步设计和施工图设计扩大初步设计可参照三阶段设计的@第34页共34页 @www.sinoaec.com初步设计和技术设计内容编制设计文件一阶段设计可参照三阶段设计的初步设计和施工图设计的内容结合具体情况编制设计文件铁路公路冻土工程地质工作应与设计阶段相适应这里指的是不论采取哪种情况设计均应按初测和定测进行当采用三阶段设计时为满足施工图设计可以进行必要的补充定测工作采用两阶段设计和一阶段设计时冻土工程地质工作必须在初测的基础上搞好方案比选在确定了方案的前提下再为施工图设计搜集地质资料9.1.11多年冻土区现存的地表形态和地面覆盖是地质历史时期的产物是一相对稳定的热平衡剖面保持现有形态和现存地热平衡条件则地基是稳定的当这种平衡破坏时则产生一系列冻土工程地质问题如热融下沉和热融滑塌等在多年冻冻土土区进行工程建筑不可避免地要引出许多冻土工程地质问题我们在多年冻土区工进行建筑的原则是:利用冷生过程的有利方面尽量减少对多年冻土的热干扰选择程地质勘察规范冻土条件良好的地段进行建筑避开冻土现象发育地段采用合适的建筑结构减少和防止冻土现象的产生多年冻土区的建筑实践表明:挖方零断面和高度小于1.0m的路堤将对地基多年冻土带来严重干扰多年冻土上限将下降路基将严重热融下沉而高于1.0m的路堤可使其下多年冻土上限保持不变或上升从而可消除多年冻土融化而引起的下沉保持多年冻土地基的稳定故在本条中提出线路应避免挖方并应减少零断面及高度小于1.0m的低填方资料编号山岳丘陵区的冻融坡积层在其缓坡部分往往有较厚的地下冰层存在当坡脚被破坏时往往产生热融滑塌而使山坡失去稳定故选线时最好将线路布设在缓坡上部当线路通过热融滑塌区时应从滑塌体下方通过这是因为热融滑塌是GB50324--2001朔源发展的滑塌体下方山坡是稳定的不受滑塌过程的影响河谷地带的高阶地一般地下水不发育地质条件较好冻土现象不多见多年冻土较稳定故河谷线应选择在高阶地上多年冻土不稳定地段系指多年冻土边缘地带融区和多年冻土区的过渡带以及高温多年冻土带这些地带的共同特点是年平均地温较高多年冻土处于不稳定状态稍有热干扰多年冻土就产生退化从而引起一系列冻土工程地质问题对路基和其他建筑物将产生不利影响因此线路经过这些地带时应以最短距离通过以减少不稳定多年冻土带对道路工程的危害@第35页共35页 @www.sinoaec.com冻土地基和融土地基的物理力学性能有着巨大差别尤其在压缩下沉特性方面因此多年冻土区桥址选择时应查明桥渡区多年冻土的分布特点力求保证桥梁地基的均匀性避免将同一座桥的墩台设置在不同设计原则的地基上以确保桥梁建筑的稳定9.1.13旧线改造的冻土工程地质勘察具有如下特点:(1)线路方向明确冻土工程地质勘察沿旧线进行(2)既有工程建筑物多年冻土地基利用原则和工程建筑措施可以借鉴(3)既有线的冻土工程地质资料可以充分利用旧线改造冻土工程地质调查测绘的宽度可根据横断面轮廓取土场地位置及堑顶排水范围确定冻土工程地质条件复杂地段应根据需要加宽在铁路增建第二线时测绘的重点应放在增建第二线一侧对冻土工程地质条件复杂影响方案选冻土择的地段应进行较大面积的测绘和必要的勘探为方案比选提供依据工旧线改造的勘探测试工作原则上应比照新线冻土工程地质勘探和测试要求程地质勘察规范进行但既有线已经多年运营考验各种工程设计是否合理已为实践证明旧线改造设计中采用和既有线相同的冻土地基利用原则基础类型和埋置深度一般说是合理的但由于冻土地基的复杂性和运营期间冻土条件的变化完全按既有线的条件进行设计显然是不合理的因此旧线改造的勘探和测试工作量可在充分利用已有资料的基础上根据实际情况确定9.1.14料场开采对多年冻土区环境的影响主要是指开采可能引起的多年冻土退化热融作用等导致的地面下沉热融滑塌沼泽化等对这些影响如果重视不够将资料编号可能危及工程安全给工程运营留下后患多年冻土区地面覆盖的完整性是保证多年冻土稳定的重要条件在多年冻土上限附近常常有高含冰冻土和冰层存在地面覆盖的破坏导致多年冻土融化产GB50324--2001生地面下沉塌陷形成热融洼地热融湖塘等因此多年冻土地区的取土是受到严格限制的在多年冻土区料场勘察时应从保护多年冻土出发确定取土位置和数量多年冻土区的特殊水文地质条件决定了多年冻土区地表地下水的数量和质量均较小且差在料场勘察中应注意合格工程及生活用水的调查9.2工程可行性研究(踏勘)阶段勘察9.2.1区域冻土地质条件系指多年冻土分布成分冷生构造年平均地温地温@第36页共36页 @www.sinoaec.com年变化深度融区的形态和成因季节融化层和季节冻结层的成分性质和深度冷生过程和成因多年冻土分布地区的地质构造等影响线路方案的主要冻土工程地质问题系指冻土现象的危害多年冻土边缘地带和高温冻土带的冻土退化高含冰量冻土分布地区的热融下沉以及地基基础严重冻胀等9.3初测阶段勘察9.3.3地温年变化带多年冻土的温度状况和变化特性是多年冻土稳定与否的标志年变化带深度是一般工程建筑的热力影响深度因此了解和掌握年变化带内多年冻土温度的状况和变化规律对于评价多年冻土的稳定性是极其重要的地温观测孔的深度不小于地温年变化带深度的规定就是基于上述理由提出的1020m的规冻土定是根据东北和青藏高原多年冻土区地温年变化带深度值而提出的必要时应在现场实测地温年变化深度工程地质勘察规范在地温孔钻探时钻具旋转切削所做的功有相当部分转变为热能从而使多年冻土的温度状况破坏当钻孔成孔后应立即进行地温观测以了解地温逐渐恢复平衡的全过程和评价冻土的稳定性地温恢复大概时间除按现场资料外可参照俄罗斯联邦建设委员会多年冻土地区建筑工程地质勘察规范的有关规定9.3.5电法勘探地震勘探和地质雷达等是近年发展起来的地质勘探新技术它具速度快精度高使用操作方便等特点据介绍:地质雷达的探测深度可达2030m分辨率达1020cm用它在最大融化季节探测多年冻土上限是十分理想的与钻探配合可查清多年冻土成分构造以及多年冻土上限在平面和剖面上的分布资料编号多年冻土的工程性质除取决于它的岩性成分外更重要的还取决于它的含冰量冷生构造和温度因此从工程角度看多年冻土在平面和剖面上的变化较非多年冻土要复杂得多为了查明多年冻土条件及其对工程的影响其勘探孔(点)的数量和GB50324--2001深度较之一般地区要大路基勘探孔地温观测孔以及房屋工程钻孔的数量和深度便是基于上述理由和多年来的实践提出的9.3.6多年冻土区的工程实践表明:路基工程对多年冻土的热影响深度一般在1.03.0倍上限深度范围内所以在这里提出路基工程地质调查时应查明路基基底下1.03.0倍上限深度范围内的多年冻土特征以满足路基设计需要冻土地质环境的保护应给予足够重视冻土区地质环境是地质历史时期的产物保护好地质环境就保护了多年冻土从而保障多年冻土上工程建筑的稳定在多年@第37页共37页 @www.sinoaec.com冻土区取土减少了地面覆盖的热阻因而通过地面传入地中的热量增加多年冻土将产生退化如果在高含冰冻土或厚层地下冰分布地段取土多年冻土融化将引起地面严重下沉并可能形成热融洼地或热融湖塘这对工程建筑和生态环境将产生不利影响因此多年冻土区的取土和弃土都应从保护冻土地质环境出发合理布置严格控制在青藏公路改建工程中由于在路基两侧取土造成多年冻土融化地面下沉路基两侧积水从而引起路基下沉破坏这样的实例在青藏公路多年冻土区路段是很多的各主要多年冻土国家的工程实践都证明:保护好冻土地质环境是多年冻土区工程稳定的先决条件9.3.7多年冻土区的大河一般均有融区存在融区按贯通多年冻土层的情况和形态可分为贯通融区和非贯通融区贯通融区是指融区已贯通多年冻土层与多年冻冻土土层下的融土连在一起非贯通融区是指融区下仍有多年冻土存在若为贯通融区工或融区厚度很大的非贯通融区桥梁的设计可按季节冻土区或一般地区考虑但桥程地质勘察规范头引线设计应注意冻土向融土地段的过渡若为一般非贯通融区则应根据融区的厚度和其下多年冻土的特性确定桥梁基础的类型结构以及埋置深度并采取措施确保地基基础的稳定9.3.8隧道通过地段的多年冻土及其水文地质条件是隧道工程地质调查与测绘的重点据多年冻土地区已有隧道工程建筑的经验处理好地下水是保证多年冻土区隧道工程稳定的关键从大兴安岭已通车的隧道病害情况看地下水危害是主要的由于地下水浸入隧道造成衬砌开裂掉落洞顶挂冰轨面积冰等如牙林线(牙资料编号克石满归)岭顶隧道由于修建时未注意对地下水的处理致使衬砌大量开裂洞内积水挂冰无法通车在查明地下水情况后在隧道下方修建了泄水洞消除了病害又如嫩林线(嫩江西林吉)西罗奇2号隧道和呼中支线翠岭2号隧道都是由GB50324--2001于地下水未处理好致使洞内积水衬砌开裂严重妨碍行车与此相反在没有地下水时多年冻土区隧道一般都没有病害所以在进行隧道工程地质调查时应着重查明多年冻土及其水文地质条件以便考虑是否改移线路位置或采取相应的防水措施9.3.10沿线冻土工程地质说明是指对详细冻土工程地质图(1:20001:5000)的说明是为了不需编制单独工点资料的地段提供设计所需的工程地质资料同时也是进行方案局部改动的依据所以应根据导线里程或纸上定线里程按地形地貌或不同冻土工程地质条件分段认真编写@第38页共38页 @www.sinoaec.com9.4定测阶段勘察9.4.1受冻土工程地质条件控制的地段应根据地质纵横断面及其他定线原则综合确定线路位置这里的其他定线原则是指第9.1.1条的规定和一般地区的定线要求多年冻土区沿线取土坑的取土与一般地区不同在多年冻土区取土坑可供取土的最大厚度一般为活动层厚度活动层下的多年冻土一般不宜作为路基填料为了减少对多年冻土的热干扰保护冻土地质环境取土厚度一般不宜超过2/3活动层深度当取土坑下多年冻土为少冰冻土时在不影响周围冻土地质环境的前提下允许取土深度达活动层底部在含土冰层和厚层地下冰分布地段不允许取土因此在路基取土坑调查时应查明取土地点多年冻土的特性而后确定取土范围和冻土深度多年冻土地区的建筑物宜采用柔性结构以适应冻胀和下沉的不均匀性多年工程地质勘察规范冻土地基的利用原则一般可分为两种原则一:在建筑物施工和整个运营期间都保持地基土处于冻结状态原则二:允许地基土在施工和使用过程中逐渐融化或施工前预先融化地基土利用原则应根据地基多年冻土的特点经过经济技术比较确定如果保持地基土处于冻结状态的措施是经济合理的则可采用原则一通常在坚硬冻土地区按原则一利用多年冻土当地基中存在石质土或者其他低压缩性土融化时其变形不超过建筑物的允许值且从建筑物的技术和结构特性以及冻土条件看采用保持地基冻结措施并不能保证要求的建筑可信度水平时应采用第二种原则资料编号土的热改良措施包括:人工冷却地基措施和无源冷冻技术前者指机械制冷系统液氮冷冻和机械通风措施等后者是指热桩冷冻技术自然通风措施等地质环境恢复和保护措施包括:现场的恢复交通管制地表地下排水的处理GB50324--2001取土控制等定位观测内容包括:多年冻土温度季节融化和季节冻结动态冷生地层的发育情况及其形成物的观测等@第39页共39页 @www.sinoaec.com10水利水电冻土工程地质勘察10.1一般规定10.1.1多年冻土地区水利水电工程的冻土工程地质勘察是冻土工程地质勘察中的一个重要而特殊的组成部分多年冻土的存在对工程地质条件和工程方案的选择具有不同程度的甚至是重大的影响因此在这样的地区进行工程地质勘察时除应按常规要求外还必须按不同的工程等级进行冻土勘察一二级和主体工程地段冻土条件复杂的三等水利水电工程均应按本章规定进行冻土工程地质勘察对于季节冻土地区水利水电工程的冻土工程地质勘察应主要解决土的冻胀性问题因此勘察工作应满足水利水电工程的稳定和变形要求冻土10.1.2大中型水利水电工程除水利枢纽工程外还有内外交通区段和管线工程以工程地质勘察规范及工业与民用建筑工程所以水利水电冻土工程地质勘察除应符合本规范外尚应符合现行国家有关标准(规范)的规定10.2规划阶段勘察10.2.1规划工作可以是整条河流的规划也可能是先进行最有开发意义的河段故冻土勘察亦在规划任务确定的河段的范围内进行10.2.2规划阶段的冻土工程地质勘察工作要为制定梯级工程开发方案选出第一期开发的水利枢纽服务它是水利水电冻土工程地质勘察工作重要和工作量很大的阶段因此对河段的冻土条件作出总体评价进行冻土分区和查明第一期地基冻土资料编号的主要问题是本阶段工程冻土勘察的主要任务10.2.310.2.6规划阶段冻土工程地质勘察的基本目的是为制定规划方案提供所需的冻土分区和坝址区冻土资料一般多年冻土分区图的制定主要是根据已有实际GB50324--2001资料在充分考虑气候分区的条件下依据地质构造地貌和景观分区但仅此还不能达到上述工程规划的要求因此在进行本阶段的冻土工程地质勘察时要分为两步进行第一步是收集已有资料进行综合整理分析然后作出综合评价的报告以便对河段冻土条件有一定基本的总体概念并制定出进一步实际勘察的工作大纲第二步是现场实现调查与勘察在进行规划河段范围内和预选坝址的冻土一般性勘察的同时重点应进行第一期开发工程的勘察工作10.2.710.2.9河流规划的范围很大特别是大河流可达数十万平方公里河段长@第40页共40页 @www.sinoaec.com达数千公里因此在进行冻土分区的勘察时一般以采用控制地段并在河谷及其相邻的一定范围内进行一般性的冻土勘察和调查相结合的方法控制地段的选择应体现根据气候地形地貌河谷形态河流特性等方面在总体上具有代表性的原则这样可以将控制地段的冻土勘察结果推行到同类地区控制地段应尽可能布置在已规划的水利枢纽区这样既可以最充分和有效地利用工程地质勘察的钻孔和坑槽探又能最直接和详细地说明水利枢纽的冻土条件这对规划阶段制图比例尺较小的情况更是合理的由于水利枢纽范围较大而且控制地段可包括几个地貌单元加之规划阶段的测量比例尺较小因此提出控制地段的范围一般以不小于510km为宜制图的比例尺以不小于1:500000为宜10.2.10冻土的厚度和年平均地温是冻土状态和类型的代表性指标因此钻孔深冻土度应超过地温年变化深度并宜有一个以上钻孔穿过冻土层下限用于计算或直接工取得冻土层厚度对于规划中的一般水利枢纽钻孔数量根据冻土条件可取1个或程地质勘察规范数个对于第一期开发工程应不少于2个以便较详细地研究冻土状态同时可配合布置一些浅孔和坑探其中第一期开发工程中的数量亦应较其他规划工程相对增多10.2.11建筑材料是工程地质勘察的重要组成部分当料场位于多年冻土地带时建筑材料的填筑性和开挖条件都将受到影响因此在冻土勘察中应确定其冻土层的厚度和季节冻结和融化深度以及冻结材料的物理力学性质以便研究开采方法开采的程序和时间预计开挖可能出现的其他困难资料编号10.2.12冻土分区图应根据实际掌握的资料和按补充调查勘察的资料编制确定其比例尺根据我国多年冻土地区的情况冻土分区图的比例尺一般可取1:1000000对于个别大河可取1:2500000GB50324--200110.3可行性研究和初步设计阶段勘察10.3.110.3.3本阶段的冻土工程地质勘察工作内容数量和详细程度是在已确定的具体水利水电工程中进行的最主要的勘察阶段其基本任务是要对最终设计方案的确定提供冻土工程地质依据这几条是对本阶段工作任务和基本内容的规定10.3.4各类建筑物地基与两岸接头的冻土条件是关系建筑物稳定选择建筑原则和确定处理方法的主要依据其中特别是修筑建筑物后冻土融化引起的沉陷和渗透性变化因此对本阶段的冻土勘察应给予特别的注意@第41页共41页 @www.sinoaec.com10.3.5可行性研究和初步设计阶段的冻土勘察中由于冻土测绘比例尺较前一阶段加大勘察数量相应增加因此钻孔和坑探数量一般都要增加但在冻土条件较单一或在少冰冻土情况下可考虑只补充一些坑探或浅孔勘察工作量10.3.6建筑物上下游的岸坡特别是坡度较陡的情况下的稳定修筑建筑物后可能发生变化当岸坡处于多年冻结状态时水库蓄水后可能因水的热量使坡脚融化而引起滑塌当岸坡虽然不处于多年冻结状态但由于水库蓄水影响含水量增大在多次冻融和冻胀状态下引起滑坡这些现象特别是在进出水口区内将严重影响建筑物的安全和正常进行因此应对这些部位的冻结条件进行调查和作出评价10.3.710.3.8水库库区的工程冻土勘察主要是查明出现大型滑坡从而对周围环境造成影响的地段应根据滑坡的危害程度进行具体的勘察和观测必要时进行专门研究为滑坡的治理提供依据因此库区的冻土勘察可结合非冻土工程地质勘察冻土和调查工作并利用其钻孔及坑探进行一般可不作专门的冻土勘察工作冻土测绘工的比例尺亦可与非冻土工程地质勘察一致这样在工作量和经济上也是合理的程地质勘察规范10.3.9引水渠道开挖后可能因冻土融化出现滑坡融陷等现象影响渠道衬砌结构的稳定和正常运行由于渠道各地段的冻胀性不同因此应着重查明这些现象并按冻胀和融沉性分段10.3.10由于冻土(岩)的滑坡和渗透稳定问题较复杂特别是冻土条件复杂的地段一般冻土工程地质勘察工作往往不能完全查清和提供可靠的处理措施因此对冻土条件复杂地段滑坡和渗透破坏性大和后果严重时应进行专门研究10.4技术设计和施工图设计阶段勘察资料编号10.4.110.4.5技术设计和施工图设计阶段冻土工程地质勘察工作主要是在前二个阶段已进行的工作基础上对所取得的主要资料和所作的主要结论作进一步查证对未解决的问题作进一步的补充勘察或专门研究施工过程中的地质工作主要是进GB50324--2001行施工地质监理根据施工过程特别是地基开挖中发现的新问题进行补充勘察或专门研究对发现的问题和及时处理过程作出详细记录以备今后建筑物运行过程中必要时查核之用10.4.6冻土温度的变化是决定冻土动态的主要因素在建筑物施工过程中由于地基开挖人类活动等的影响冻土状态可能发生较大的变化因此在施工过程中对冻土温度的观测并根据温度观测结果对冻土的稳定性进行检查评价是施工地质工作的重要内容@第42页共42页 @www.sinoaec.com10.4.7冻土温度的变化有一个过程而建筑物运行和水库蓄水对冻土温度将产生强烈影响因此在施工结束后应将原有的观测孔全部或部分保留并移交给工程管理部门继续进行观测用以长期监测冻土状态的变化及其对建筑物可能性的影响10.4.9冻土工程地质工作是工程地质工作的一部分但具有它本身的特殊性和要求因此在施工结束后应编写专门的冻土施工地质报告并作为施工地质报告的一部分冻土工程地质勘察规范资料编号GB50324--2001@第43页共43页 @www.sinoaec.com11管道冻土工程地质勘察11.1一般规定11.1.1本章适用于冻土地区的输油水气管道线路及其穿跨越工程的冻土工程地质勘察其他如地下电缆线路等有关工程亦可参照执行冻土地区的管道敷设方式有三种:(1)地上式:主要用于多年冻土中热敏感性很强的富冰饱冰和含土冰层地带美国的阿拉斯加输油管道即采用地上式管道它采用柱桩基础把管道架空起来它涉及的问题是基础与冻土间的热交换计算管道的保温层厚度基础的冻胀与融沉变形等为了减少油管热量通过桩柱基础向冻土传热采用热虹吸管作为管道的冻土桩柱基础使冻土地基始终保持冻结状态保证构筑物的稳定性工程地质勘察规范(2)地面式:为地面平铺路堤式它所涉及的问题有:地基与管道间的热交换计算管道保温层厚度底垫层的隔热保温材料地基土的热物理特性堤高的确定及地基的冻胀与热融下沉等东北大兴安岭地区的许多输水管道都是采用路堤式(3)地下式:即埋入式我国青藏高原的格尔木至拉萨的输油管道即采用埋入式它所涉及的问题:冻土与管道之间的热交换计算管道的保温层厚度计算地基土的热物理参数地形季节冻结与季节融化深度(即多年冻土上限)的确定管道的埋置深度跨沟建筑物及管道周围土体的冻胀与融化下沉等11.1.2本条勘察阶段的划分原则是参考行业标准油气管道工程地质勘察规范资料编号(SYJ5389)确定的勘察阶段的划分应与设计阶段相适应11.1.3冻土区的管道冻土工程地质勘察应着重调查的内容是:冻土的工程类型分布地下冰的埋藏与分布冻土地基的融化下沉与地基土的冻胀性冻土现象等GB50324--2001这些都是冻土区影响管道安全运营的主要问题因为冻土中的厚层地下冰一旦产生融化往往很难制止需要成倍乃至几十倍的耗资去治理因此勘察工作中首先应特别注意冻土特征的调查11.2可行性研究(选线)勘察11.2.1可行性研究勘察主要是搜集和分析已有的有关资料对主要的线路控制点(例如大中型河流穿跨越点)进行踏勘调查一般可不进行勘察工作由于冻土区的冻土工程地质条件的复杂性要比非冻土区大的多冻土中地下冰的存在使得冻土工@第44页共44页 @www.sinoaec.com程地质条件变得更为复杂地下冰的含量分布及其工程类型往往是千变万化它在垂向或水平方向上的空间分布都是极不均匀的特别是在多年冻土上限地带存在着大量的地下冰层乃至是厚层地下冰其次多年冻土的年平均地温往往受各种自然地理地质因素影响与控制因而各个地段的冻土地温类型与稳定性不同第三多年冻土的环境工程地质稳定性将受自然条件和人类工程活动的强烈影响例如地表的扰动地表水与地下水的侵蚀作用场地的挖掘和植被的破坏外来温度的热侵蚀作用等等第四冻土现象的产生与发展将随着自然条件的变化和人类工程活动而变化通常情况下都会加剧例如地基土的冻胀和冻土的融化下沉融冻泥流和热融滑塌等一旦这些冻土现象出现往往不易整治即使要整治则耗资很大所以选线勘察是一个重要的勘察阶段千万不可忽视应有岩土工程人员参加选线工作冻土11.2.2选择线路的路径除了一般的要求外本条强调应从冻土工程地质条件出发工选择冻土类型为少冰冻土多冰冻土的地段通过较好因为这些地段的含冰量较少程地质勘察规范即便产生融化其融化下沉量也较少而且这些地区的冻胀性也较弱地基处理较为容易但是应特别注意具有强弱融沉的两种冻土工程类型和强弱冻胀性地基土交界处的沉降与冻胀变形对管道的影响进行多种方案的比较才能选择最佳的线路方案11.2.3本条第11.2.3.3款中提出应按第4.2节的规定进行冻土工程地质勘察工作这是由于冻土的工程地质条件比较复杂调查的内容较多而这些要求又是作为冻土工程地质勘察工作所必需的不同建筑物工程的等级和设计阶段的要求深度各不资料编号相同但它们的勘察内容基本相同只是其详细程度有所差别只有对这些内容的充分了解才能作出评价和预测它们的变化第11.2.3.4款提出要了解河流的冻土特征和冰情这是由于多年冻土区的大河流中往往存在有贯穿或非贯穿融区而中GB50324--2001小河流则通常是非贯穿融区它对线路方案的选择以及管道的稳定和安全有直接影响11.2.4线路路径方案的选择是冻土工程地质勘察工作的重要内容之一本条中对各比选方案的冻土工程地质条件作出评价和分析冻土地区影响线路选择的因素是复杂的除应考虑节约投资和材料外还要考虑安全和施工管理的方便在技术合理安全经济的前提下线路应尽可能地沿公路铁路和交通方便的地方行进以利于施工和管理@第45页共45页 @www.sinoaec.com11.3初步勘察11.3.111.3.2初步勘察工作主要是在选线勘察的基础上进一步搜集资料现场踏勘进行冻土工程地质调查与测绘对拟选线路方案的冻土工程地质条件作出初步评价协同设计人员选出最优的线路方案这一阶段的工作主要是进行冻土工程地质调查与测绘其范围可限制在拟选线路两侧各100m一方面是通过地貌及第四纪沉积物的调查了解一般的地质和冻土工程地质条件另一方面则要在不同的地貌单元和不同的沉积物类型地段进行坑探及少量的钻探工作通常情况下勘探点的间距和深度应按表11.4.3规定执行11.3.3初步勘察的冻土工程地质勘察内容主要是初步查明沿线路地段的冻土工程类型分布及特征地下冰的分布及含量测定几个必要的设计参数如冻土密度冻土含水量等河流与沟谷中冻土特征冰情等冻土现象及井泉与地下水情况等在初步查明这些冻土特征的基础上作出冻土工程地质条件的评价工程地质勘察规范11.3.4穿跨越工程的初步勘察工作也是以搜集踏勘调查为主由于河流沟谷地段的冻土工程地质条件较为复杂应进行少量的钻探工作勘探的间距和深度应按表11.4.3规定执行当钻探手段难以控制时可采用物探方法以达到初步查明河沟的冻土工程地质条件11.4详细勘察11.4.1详细勘察的任务是在初步勘察工作的基础上进一步具体化的对各段冻土工程地质问题进行详细勘察一般情况下勘探点的密度应按表11.4.3执行为地基资料编号基础设计地基处理加固冻土现象的防治与工程设计提供可靠的冻土工程地质资料11.4.211.4.3勘探点的间距与孔深按表11.4.3规定执行通常情况下是可以满足的但是在含土冰层饱冰冻土及富冰冻土地段由于地下冰分布极不均匀GB50324--2001应予加密乃至100m一个孔对于少冰与多冰冻土地段视地形与地质情况可适当放宽采用地上架空式的敷设方法时由于桩柱基础的间距及其受力原因勘探点间距应加密勘探孔深度的确定主要是根据冻土上限及附近富含地下冰层的特点当管道的埋置深度处于上限附近时必须考虑到由于管道的散热影响根据原苏联库德里雅夫采夫的资料计算年平均温度为10管壁温度较差为50的情况下管道散@第46页共46页 @www.sinoaec.com热影响的融化深度可达2.0m左右且得出结论随着管道直径的增大直径对融化深度的影响则减少因此只有了解管壁以下23m的冻土工程地质条件才能确保管道的安全和稳定性11.4.4取样与试验工作这是详细勘察阶段中必须进行的工作由于冻土中地下冰的水平和垂直方向分布具有极不均匀性所以取样要比较密通常情况下每层冻土必须保证具有六项试验项目的数量为了解冻土地下冰的垂直变化起码应该高于一般情况下的非冻土区的工程地质勘察要求冻土工程地质勘察规范资料编号GB50324--2001@第47页共47页 @www.sinoaec.com12架空线路冻土工程地质勘察12.1一般规定12.1.2由于架空线路工程的设计分初步设计和施工图设计两个阶段所以勘察阶段其相应也分为初步勘察(初勘选线)与详细勘察(终勘定位)两个阶段但一般的小型线路工程可简化勘察阶段进行一阶段勘察12.1.3根据冻土工程地质及水文地质条件年平均地温施工条件以及上部结构形式等因素综合考虑确定基础型式在季节冻土地区除考虑常规设计外尚应验算在冻胀力作用下基础的稳定性若不满足要求或改变基础型式或采取相应的防冻害措施在多年冻土地基中应考虑由于气温的改变人为活动的影响而导致地温的变冻土化有无过大融沉的可能性现浇基础由于施工带入的热量较多(其中包括材料热工程地质勘察规范量及水泥水化热)对冻土地基的热干扰大同时混凝土硬化所需时间较长钻孔灌注桩基础与其他桩基础相比只需一台钻孔机不用吊车不用打桩机不必运输不必吊装勿须更多的构造钢筋和较高强度等级的混凝土但对地基土的热干扰大混凝土的养生时间长适用于坚硬冻土地基的冬期施工钻孔插入桩基础在多年冻土地基中应用广泛12.2初步勘察12.2.112.2.3为了选择地质地貌条件较好路径短经济交通便利施工方便的线路路径方案应按不同地质及水文地质条件评价其稳定性并推荐最优线路资料编号路径方案冻土区的岩土工程师应参加选线组进行线路路径踏勘重点是调查研究路径方案跨河地段的冻土工程条件和沿线的冻土现象对各路径方案沿线地貌冻土性质融沉等级地温分布水文地质情况季节冻结层的冻胀性等应有新了GB50324--2001解以便正确划分地段并结合有关文献资料归纳整理对特殊设计的大跨越地段和主要塔基应做详细的调查研究当已有资料不能满足要求尚应作适量的勘探与测试工作12.2.4线路路径方案的选择是冻土地质工程师的重要职责之一线路应力求顺直以缩短线路长度这对节约投资和管理费用具有重要意义但影响线路选择的因素是复杂的除经济之外还要考虑安全和施工管理的方便因此在技术合理安全经济的前提下应尽量沿着公路铁路和交通方便的地方选线应力求减少同天然@第48页共48页 @www.sinoaec.com和人工障碍的交叉线路选线应协同穿越大中型河流的跨越点选择相结合避开不利的地形地貌和地质条件要尽量少占和不占农田好地河流的跨越点选得是否合理是关系到设计施工和管理的关键问题所以在确定跨越点以前应进行必要的选址勘察工作通过认真的调查研究工作选出最佳的跨越方案12.3详细勘察12.3.112.3.2详细勘察是在已选线路沿线进行塔位冻土工程地质调查勘探与测试以及必要的计算工作并提出合理的地基基础方案及施工方法等各勘察地段的具体要求为:(1)平原地区勘察应明确规定转角耐张跨越和终端塔等重要塔基和复杂地段进行逐基勘探对简单地段的直线塔基可酌情放宽冻土(2)线路经过丘陵与山区要围绕稳定性并以此为重点来进行勘察工作主要查明塔基及其附近是否有冰锥冻胀丘热融滑塌等冻土现象及其对塔基稳定性的影工程地质勘察规范响(3)跨越河流湖沼勘察对跨越地段的杆塔位置选择应与有关专业共同确定对于岸边和河中立塔尚应根据水文调查和验测资料(包括洪水淹没冲刷及河床演变)结合塔位冻土工程地质条件对杆塔地基的稳定性作出评价为跨越河流或湖沼宜选择在跨距较短冻土工程地质条件较好的地点而布设杆塔对跨越的塔基宜布置在两岸地势较高地层为坚硬冻土或不融沉与弱融沉性土地段12.3.3对季节冻土地基而言其基础的型式与非冻土地基所考虑的内容差不多所不同的是季节冻土的冻胀性问题对不冻胀土可完全不必考虑对冻胀性土则应计资料编号算法向切向与水平冻胀力对基础的作用并应进行冻胀性土地基上基础的稳定性计算(验算)在满足各种要求之后基础应尽量浅埋对多年冻土地基可用装配式基础因装配式基础不用施工机械不必用专门GB50324--2001的运输工具比较简单经济由于施工时必须大开挖所以对地基的热干扰大宜在气温低于地温时施工但又不在深冬这样不但避免挖掘大量的冻土土方也不会将热量传入地基中钻孔灌注桩在施工中需加入混凝土防冻剂混凝土桩身的养生需要较长的时间但它比预制桩节省大量钢材而且也不需要运输与安装但施工时的施工热与混凝土的水化热较大不宜在高温冻土中使用钻孔插入桩由于是预制桩插入泥浆中回冻时间较短承载力也不低一般@第49页共49页 @www.sinoaec.com多被采用热桩热棒基础是一种比较合理而有发展前途的基础型式它可增加地基土的冻结稳定性而一劳永逸(在热桩的寿命范围之内)但直到目前由于成本较高还不能普遍应用仅适用于重点工程冻土工程地质勘察规范资料编号GB50324--2001@第50页共50页 @www.sinoaec.com附录D土的季节融化与冻结深度D.0.1土的季节融化深度象地基土的冻结深度一样地基土的融化深度也需规定一个统一的标准条件即在衔接的多年冻土地基中土质为非融沉性(冻胀性)的粘性土地表平坦裸露的空旷场地实测多年(>10年)融化深度的平均值为融深的标准值m在没有实测资料时按Z=0.195∑T+0.882(m)计算该公式适用于高海拔的0mm青藏高原地区Z=0.134∑T+0.882(m)该公式适用于高纬度的东北地区由于0m高海拔多年冻土地区(青藏高原)与高纬度多年冻土地区(东北地区)的气候特点不同例如两个地区的年平均气温相同则高纬度地区的融化深度与融化指数的关系就有冻土显著的区别所以提出两个公式分别计算高原和东北地区工融化深度与冻结深度都属于热的传导问题因此凡是影响冻结深度的因素程地质勘察规范同样也影响着融化深度除了气温的影响之外尚有土质类别(岩性)不同的影响土中含水程度的影响以及坡度的影响等如前所述当其他条件相同时粗颗粒砂土的融化深度比粘性土的大因粗颗粒土的导热系数比细颗粒土的大土的含水量越大消耗于相变的热量就越多虽然导热系数随含水量的增加而增大但比相变耗热的增大缓慢得多因此含水越多的土层融化深度相对越小坡向和坡度对土层的季节融化深度的影响也是很大的在其他条件相同的情况下地表接受的日照辐射总量也不同所以向阳坡坡度越大融化的深度越深(见资料编号表3)m坡向对融深的影响系数ψ表3tom数据来源坡向融深(cm)ψtoGB50324--2001北坡68.00.88苏联普遍冻土学—77.51.00伊尔库特—贝加尔地区南坡87.01.12公路工程地质2.2阴坡100.00.80杨润田林凤桐资料—125.01.00大兴安岭地区阳坡150.01.20阴坡—0.90规范推荐值阳坡—1.10@第51页共51页 @www.sinoaec.com根据中铁西北科学研究院铁道第一勘测设计院中国科学院寒区旱区环境与工程研究所等单位编制的青藏高原多年冻土地区铁路勘测设计细则和铁道第三勘测设计院编制的东北多年冻土地区铁路勘测设计细则对土质类别与融深的影响系数经整理分析本规范提出了关于该系数的推荐值土的类别对融深的影响系数见表4m土的类别(岩性)对融深的影响系数ψ表4s青藏铁路勘测粘性土粉土细粉砂中粗砾砂大块碎石设计细则m影响系数ψ1.001.121.201.45s东北铁路勘测粉土砂砾卵石碎石设计细则冻土m影响系数ψ1.001.002.031.44s工本规范推荐值粘性土粉土细粉砂中粗砾砂大块碎石程地质勘察规范mψ1.001.201.301.40sD.0.2土的季节冻结深度影响冻深的因素很多最主要的是气温除此之外尚有季节冻结层附近的地质(岩性)条件水分状况以及地貌特征等等在上述诸因素中除山区外只有气温属地理性指标其他一些因素在平面分布上都是彼此独立的带有随机性各自的变化无规律和系统有些地方的变化还是相当大它们属局部性指标局部性指标用小比例尺的全国分布图来表示是不合适的资料编号标准冻深的定义为地下水位与冻结锋面之间的距离大于2m的非冻胀粘性土在地表平坦裸露和城市之外的空旷场地中多年实测(不少于10年)最大冻深的平均值标准冻深一般不用于设计中冻深的影响系数有土质系数温度系数环境系GB50324--2001数和地形系数等土质对冻深的影响是众所周知的因岩性不同其热物理参数也不同粗颗粒土的导热系数比细颗粒土的大因此当其他条件一致时粗颗粒土比细颗粒土的冻深大砂类土的冻深比粘性土的大我国对这方面问题的实测数据不多不系统前苏联74和83房屋及建筑物地基设计规范中有明确规定本规范采纳了他们的数据土的含水量和地下水位对冻深也有明显的影响我国东北地区做了不少工作@第52页共52页 @www.sinoaec.com这里将土中水分与地下水位都用土的冻胀性表示(见本规范土的冻胀性分级表表3.2.1)水分(湿度)对冻深的影响系数见表5因土中水在相变时要放出大量的潜热所以含水量越多地下水位越高(冻结时向上迁移)参与相变的水量就越多放出的潜热也就越多由于冻胀土冻结的过程也是放热的过程放热在某种程度上减缓了冻深的发展速度因此冻深相对变浅坡向对冻深也有一定的影响因坡向不同接收日照的时间有长有短得到的辐射热有多有少向阳坡的冻深最浅背阴坡的冻深最大坡度的大小也有很大关系同是向阳坡坡度大者阳光光线的入射角相对较小单位面积上的光照强度变大接受的辐射热量就多但是有关这方面的定量实测资料很少现仅参照前苏联普遍冻土学中坡向对融化深度的影响系数m水分对冻深的影响系数(含水量地下水位)ψω表5冻土资料出处不冻胀弱冻胀冻胀强冻胀特强冻胀工黑龙江低温程地质勘察规范1.001.000.900.850.80(闫家岗站)黑龙江低温所1.000.900.800.800.77(龙风站)大庆油田设计院1.000.950.900.850.75(让胡路站)黑龙江低温所1.000.950.900.850.75(庆安站)推荐值1.000.950.900.850.80注土壤的含水量与地下水位深度都含在土的冻胀性表中参见土的冻胀性分级表3.2.1资料编号城市的气温高于郊外这种现象在气象学中称谓城市的热岛效应城市里的辐射受热状况改变了(深色的沥青屋顶及路面吸收大量阳光)高耸的建筑物吸收更多的阳光各种建筑材料的容量和传热量大于松土据计算城市接受的太阳辐射量GB50324--2001比郊外高出10%30%城市建筑物和路面传送热量的速度比郊外湿润的砂质土壤快3倍工业设施排烟放气机动车辆排放尾气人为活动等都放出很多热量加之建筑群集中风小对流差等使周围气温升高目前无论国际还是国内对城市气候的研究越来越重视该项研究已列为国家基金课题对北京上海沈阳等十个城市进行了重点研究已取得一批阶段成果根据国家气象局气象科学研究院气候研究所和中国科学院国家计委北京地理研究所气候室的专家提供的数据经过整理列于表6中热岛效应是一个比较复杂的@第53页共53页 @www.sinoaec.com问题和城市人口数量人口密度年平均气温风速阴雨天气等诸多因素有关根据观测资料与专家意见作如下规定:2050万人口的城市(市区)只考虑市区0.90的影响系数50100万人口的市区可考虑510km范围内的近郊区0.95大于100万人口的市区可扩大考虑1020km范围内的近郊区此处所说的城市(市区)是指市民居住集中的市区不包括郊区和市属县镇热岛效应对冻深的影响表6城市北京兰州沈阳乌鲁木齐市区冻深52808593远郊冻深规范推荐值市区-0.90近郊-0.95村镇-1.00关于冻深的取值尽量应用当地的实测资料要注意个别年份挖探一个两个冻土数据不能算实测数据多年实测资料(不少于10年)的平均值才为实测数据(个体不能代表均值)工程地质勘察规范资料编号GB50324--2001@第54页共54页 @www.sinoaec.com附录F冻土融化压缩试验要点F.0.1概述土冻结过程中由于水分迁移的结果形成分凝冰产生不同程度的冻胀变形而当土融化时由于土中冰的融化和一部分水从土中排出使土体仅在土自重作用下就产生下沉这种现象称之为冻土的热融沉陷简称为融沉这种融沉性往往是不均匀的具有突陷性质目前我国常以融沉系数(融化下沉系数)来描述冻土的融沉性而以融化体积压缩系数mv表示冻土融化后在外荷载作用下的压缩变形实际上孔隙比的变化与外压力的关系是非线性的但在压力变化不大范围内可近似地看成直线关系而以融化冻土体积压缩系数表示其压缩性的大小工F.0.2F.0.7关于冻土的融沉和压缩试验方法有实验室试验及原位测定两种其程地质勘察规范具体内容和要求为:实验室所采用的冻土试样有两种:即原状冻土及用扰动融土配制的冻土试样一般应采用原状土但没条件采取原状冻土时可从工程地点采取扰动土样根据冻土天然构造及物理指标(含水率密度)进行制备原状冻土试样根据建筑物对冻土地基的要求按不同深度采取由于冻土具有明显的各向异性及分布不均匀性一般都要求加密取样并在土样上标明层位方向冻土还具有较大强度用常规的环刀法难以切取为此可采用专门的冻土取样器资料编号来切取试样取样时冻土土温一般控制在-0.5-1.0为好因为土温太低往往造成脆性破碎太高时即土温接近0的冻土在取样时表面要发生局部融化试样制备或取出后立即置于负温的保温瓶中并送到负温恒温箱保存根据与原状冻土相同的土质含水量的扰动土制成的冻土试样进行对比试验说明扰动冻土的融沉系GB50324--2001数小于原状土的融沉系数其差值一般均小于5%因此在没有条件采取原状冻土试样的情况下采用扰动融土配制试样(人工回冻)进行融化压缩试验时其mv值应作适当的修正通过青藏高原祁连山地区东北大兴安岭地区和实验室试验所获得的大量资料发现冻土的融沉性仅仅是冻土的固体颗粒冰和未冻水之间的组合关系的函数而与冻土分布地质地理因素关系不大(1)试验方法中几个问题的说明:@第55页共55页 @www.sinoaec.com1)为了模拟天然地基的融化过程在试验过程中必须保持试样自上而下的单向融化为此实验室除用单向加热使试样产生自上而下融化外还必须避免侧向传热而造成试样的侧向融化问题2)国外的试样尺寸为高度h与直径d之比即h/d>1/2最小直径采用5cm对于2不均匀层状和网状构造的粘性土h/d=1/31/5国内曾采用的容器面积为4578cm等面积考虑到冻土融化压缩室内试验只适用粒径小于2mm的土并考虑到试验仪器可以采用常规压缩仪改装其试样及尺寸应尽量接近常规压缩仪因此冻土试样直径采用8cm高度采用4cm高度与直径之比为1:2至于原位试验可用面积为22500cm的热压模板试样土体高为2025cm其比值大约亦为1:23)试验中当融化速度超过天然条件下的排水速度时融化土层不能及时排水使融化下沉产生滞后现象当遇到试验土层含冰(水)量较大时融化速度过快土体常冻土产生崩解现象土颗粒与水分一起挤出使试验失败或0值偏大不论室内或室外工融化速度均用水温来控制一般情况下实验室试验水温控制在4050现场原程地质勘察规范位试验水温不超过80为好加热时应注意由低逐渐升高当土层含冰(水)量大时可以适当降低水温试验环境温度较高时水温也要适当降低总之实验室内控制在2h内使4cm高的土层融化完原位试验约在8h内融化深度达2025cm即可4)测定mv值时规定预加荷载10kPa这主要考虑到土与仪器壁存在摩擦冻土在融化过程中有时单靠自重沉陷是困难的所以施加很小的荷载后融化固结能进行的较快些而又不敢对已经融化土骨架产生过大的压密对mv值影响甚微(2)原位试验方法介绍:资料编号原位测定方法与融土地区原位荷载试验方法相似即开始挖试坑后采用热压模板进行逐级荷载试验这种方法可以得到各个土层的实际融沉系数及融化压缩系数它可以适用于各种状态的冻土但是由于此方法比较复杂劳动强度也较大一般GB50324--2001仅用来测定实验室内难进行的冻结粗颗粒类土含砾粘土及富冰土层原位试验装置是由带加热的压模板加荷设备(千斤顶或荷重块)压力传感器(带压力表的千斤顶)变形测量设备(可用测针)和反压装置(横梁锚固板等)组成见图4@第56页共56页 @www.sinoaec.com冻土2热压板的面积一般为25005000cm用金属制成圆形或方形的空腔板下部具工有透水孔见图5程地质勘察规范资料编号试验前应测定土层冻结状态时的含水率及密度然后在土层表面铺上12cm厚的细砂再放置压模板调整热压板处于水平安装完毕后施加预估可能出现的最大荷载检查试验装置是否牢固然后加荷预压10kPa(包括压模板千斤顶的重GB50324--2001量)调整变形测量装置即可加热进行试验加热方法可根据试验地点的条件确定采用电热器或喷灯加热有导致压模板受热不均使试验土层产生不均匀融化沉陷的缺点应加注意试样融沉开始时可按51530min此后每30min进行观测和记录累计试验达8h后即可停止加热但仍继续观测融化下沉变化当相隔两小时变形量小于0.5mm(对于细颗粒土)或0.2mm(对于粗颗粒土)时即可认为达到稳定然后按工程需要分级加荷进行压缩试验试验结束后拆除试样装置描述融土状态用探针@第57页共57页 @www.sinoaec.com测量试验土层各个部位的融化深度取其平均值同时测定融化土层的含水量密度等然后清除融化土层用上述方法进行下一土层试验冻土工程地质勘察规范资料编号GB50324--2001@第58页共58页 @www.sinoaec.com附录G冻土力学指标原位试验要点G.0.1冻胀量试验冻胀量是判别地基冻胀性计算各种冻胀力最基本的指标之一用途广泛观测土层内各深度处的冻胀量可算出冻胀率沿冻深的分布规律如果采用分层冻胀仪时要注意下述几点:基准杆一定要稳固可靠不得上下位移各测杆要消除切向冻胀力避免由上层土的冻胀而上移使数据不准如果采用木质制做应经过浸油(刷油)处理以免吸水膨胀造成过大误差应至少在开始冻结前一个月安装完毕并回填达到原状密实程度要与冻深器配合使用以了解冻深的准确进程分层冻胀仪由于复位能力很差翌年必须取出后重新埋设各测点之距离可大可小冻土一般宜每隔20cm放置一个工水准测量法要注意使用精密水准仪与銦钢尺要选择可靠点为水准基点或专做程地质勘察规范水准基点埋设各测点时距离拉得不可过大应相对集中在一起代表1个点如果间距太大土质不均匀时容易出现无法解释的反常现象水准测量法同样需要埋设冻土器以掌握冻深进程观测时间有两种:为定时观测如每10天或一星期观测一次每一定冻深观测一次如每10cm或20cm由于地基土的冻结速率随时间有所不同所以定时观测的冻深间距有变化每一定冻深观测的时间不确定为了分析冻胀量最好同时观测地下水位的变化资料编号G.0.2冻结强度试验冻结强度的原位试验实质上就是桩基础受压与抗拔摩擦桩的承载力试验受压时桩端可悬空也可埋设测试元件在分析数据时扣除端承力或用拔出法避免桩端的干扰试验时一定要在施工完毕待周围冻土基本回冻后进行最理想的是在地GB50324--2001温最高季节如果时间不允许其结果应进行地温修正(修正带有一定的近似性)在试验过程中桩附近地表铺设保温层确保地温的相对稳定性试验开始之前在试验基础附近安设地温管测温以监视地温场变化试验加荷分级稳定标准测读时间终止条件结果处理可参照土工试验方法标准GB/T501231999冻结强度试验执行G.0.3切向冻胀力试验切向冻胀力的试验有两种方法:荷载平衡法锚固梁法荷载平衡法是在试@第59页共59页 @www.sinoaec.com验基础上先加少许荷载待到冻深发展到一定程度切向冻胀力增长到一定数值就将基础抬起少许这表示荷重与切向冻胀力失去平衡即刻继续加荷少许随着冻深的继续加深切向冻胀力的增长新的平衡又被破坏基础上抬这样平衡失衡新的平衡继续到结束这种方法不是太好因为等到发现失衡基础已经上抬一定量了加荷劳动强度不小还不能保证不出偏心这样发展到最后累计上抬量是不小的位移值对切向冻胀力有一定的松弛作用在整个冬季观测次数很多需时刻监视要求精度也较高而且在融化时基础容易倾覆目前多用锚固梁法即用锚桩横梁试验基础上安置荷重传感器只要安装紧密(不留空隙)就可定时观测了传感器应事先必须经过率定同时考虑温度波动的影响试验切向冻胀力时基础侧壁的回填土一定要用原土质而且回填的密度尽量接冻土近原状并要及时清除积雪等地面覆盖物工这种锚梁法与实际基础稍有不同在于它在冻胀力出现之前地基土除基础自重程地质勘察规范外别无其他随着冻胀力的增长其反力才加在地基土中实际基础上的受力是先由上部结构传下的荷重将地基土压实其孔隙降低含水率减少因而冻胀性受到一定程度的削弱这种因素对试验法向冻胀力影响较大对切向冻胀力的试验也有或多或少的影响但都是偏于安全的资料编号GB50324--2001@第60页共60页 @www.sinoaec.com附录H冻土地基静载荷试验要点H.0.1H.0.8冻土地基静载荷试验内容与要求:(1)冻土是由固相(矿物颗粒冰)液相(未冻水)气相(水气空气)等介质所组成的多相体系矿物颗粒间通过冰胶结在一起从而产生较大的强度由于冰和未冻水的存在它在受荷下的变形具强烈流变特性图6(a)为单轴应力状态和恒温条件下冻土典型蠕变曲线图6(b)表示相应的蠕变速率时间的关系图中0A是瞬间应变以后可以看到三个时间阶段第I阶段AB为不稳定的蠕变阶段应变速率是逐渐减小的第阶段BC为应变速率不变的稳定蠕变流BC段持续时间的长短与应力大小有关第阶段为应变速率增加的渐进流最后地基丧失稳定性因此可以认冻土为C点的出现是地基进入极限应力状态这样不同的荷载延续时间对应于不同工的抗剪强度相应于冻土稳定流为无限长延续的长期强度认为是土的标准强度程地质勘察规范因为稳定蠕变阶段中冻土是处于没有破坏而连续性的粘塑流动之中只要转变到渐进流的时间超过建筑物的设计寿命以及总沉降量不超过建筑物地基容许值则所确定的地基强度是可以接受的资料编号GB50324--2001@第61页共61页 @www.sinoaec.com冻土工程地质勘察规范(2)冻土抗剪强度不仅取决于影响融化土抗剪强度的有关因素(如土的组成含水率结构等)还与冻土温度及外荷作用时间有关其中负温度的影响是十分显著的根据青藏高原风火山地区资料在其他条件相同的情况下冻土温度1.5时的长资料编号期粘聚力C1=82kPa而-2.3时C1=134kPa相应的冻土极限荷载Pu为420kPa和690kPa可见在整个试验期间保持冻土地基天然状态温度的重要性并应在量测沉降同时测读冻土地基在11.5b深度范围内的温度(b为基础宽度)GB50324--2001(3)根据软土地区荷载试验资料承压板宽度从50cm变化到300cm所得到的比例极限相同P0.02变化范围在100140kPa说明土内摩擦角较小时承压面积对地基承载力影响不大冻土与软土一样一般内摩擦角较小或接近零度因而实用上也可忽略承压板面积大小对承载力的影响另外冻土地基强度较高增加承压板面2积使试验工作量增加因此本要点规定一般承压板面积为0.25m(4)冻土地基荷载下稳定条件可以从两方面考虑其一是根据冻土第I蠕变阶段应变速率减小的变形特性要点规定当后4h应变速率小于前4h的应变速率时认为在该级荷载下变形已经稳定可以加下一荷载规定4h的应变速率是兼顾了试验精@第62页共62页 @www.sinoaec.com度和缩短试验周期其二是根据地基每昼夜累计变形值1)中国科学院寒区旱区环境与工程研究所吴紫汪等的研究认为单轴应力下冻土应力应变方程可写成:−γβα应变ε=dTtσ(3)-3-3式中d土质受荷条件系数砂土d=10粘性土d=(1.82.5)10T冻土温度()试验系数2t荷载作用时间(min)试验常数=0.3应力(kPa)非线性系数一般=1.5冻土半无限体三向应力作用时地基的应变按弹性理论有:工22µ程地质勘察规范ε′=ε1−ω(4)1−µ式中冻土泊松比取=0.25π刚性承压板沉降系数方形=圆形=/42近似地取1.5倍承压板宽度b作为载荷试验影响深度h则承压板沉降值s为:s=0.8982h(5)式中0.8982为考虑半无限体应力扩散后1.5b范围内的平均应力系数应力取预估资料编号极限荷载Pu的1/8按式(4.5)计算加载24h后的沉降值见表72)美国陆军部冷区研究与工程实验室提供的计算第I蠕变阶段冻土地基蠕变变形GB50324--2001经验公式为:1σTλm应变=ε=+ε(6)K0ω(θ−1)式中0瞬时应变预估时可不计温度低于水的冰点的度数(F)土体应力取预估极限荷载Pu的1/8mK取决于土性质常数对表8中几种土查出mK和的典型@第63页共63页 @www.sinoaec.com值T时间(h)求得应变值后仍用式(5)计算加载24h后冻土地基沉降s值计算结果见表7荷载试验加载24h沉降值s(mm)表7温度()-0.5-1.0-2.5-4.0注土类粗砂27.710.33.11.6按式(3)式(5)细砂12.95.01.80.9粗砂(渥太华)0.90.80.60.5按式(5)式(6)细砂(曼彻斯特)0.60.50.40.3粘土23.28.12.61.0按式(3)式(5)含有机质粘土15.05.82.11.4粘土(苏菲尔德)5.24.63.31.8按式(5)式(6)粘土(巴特拜奥斯)2.51.91.71.0冻土工分析上述两种预估冻土地基加载24h后的沉降值对砂土取0.5mm对粘性土程地质勘察规范取1.0mm是能保证地基处于第I蠕变阶段工作对应于式(6)土性质常数典型值表8土类mKw注粗砂(渥太华)0.350.780.975500—细砂(曼彻斯特)0.240.380.97285—粘土(苏菲尔德)0.140.421.093—粘土(巴特拜奥斯)0.180.400.97130维亚洛夫(1962)资料资料编号GB50324--2001@第64页共64页 @www.sinoaec.com附录L冻土地温特征值计算L.0.1根据傅利叶第一定律在无内热源的均匀介质中温度波的振幅随深度按指数规律衰减并可按下式计算:A=Aexp(−zπ/αt)(7)z0式中AzZ深度处的温度波振幅()A0介质表面的温度振幅()2介质的导温系数(m/h)t温度波动周期(h)将上式用于冻土地温特征值的计算是基于以下假设:冻土(1)土中水无相变即不考虑土冻结融化引起的地温变化工(2)土质均匀不同深度的年平均地温随深度按线性变化地温年振幅按指数规程地质勘察规范律衰减(3)活动层底面的年平均地温绝对值等于该深度处的地温年振幅L.0.2L.0.3算例已知:内蒙古满归镇3号测温孔多年冻土上限深度为2.3m根据地质资料查(条文)2附录K求得冻土加权平均导温系数为0.00551m/h1973年10月实测地温数据如下:深度(m)2.34.05.06.07.08.09.010.011.012.013.015.020.0地温()0.0-0.7-0.9-1.1-1.3-1.4-1.5-1.6-1.6-1.7-1.8-1.8-2.0资料编号计算步骤:(1)计算上限处的地温特征由本规范附录L中L.0.2-2式得GB50324--2001T2.3=(T20-T15)(20-2.3)/5=(-2.0+1.8)17.7/5=-0.7由L.0.2-3式得T2.3=T20-T2.3=-2.0(-0.7)=-1.3根据假设(3)得A2.3=(T2.3)=1.3由L.0.2-5式得T2.3max=T2.3-A2.3=-1.3+1.3=0@第65页共65页 @www.sinoaec.com由L.0.2-6式得T2.3min=T2.3-A2.3=-1.3-1.3=-2.6(2)计算地温年变化深度和年平均地温由L.0.2-7式得H=αt/πln(A/0.1)2u(f)=0.00551×8760/3.14ln(1.3/0.1)=10.1mH3=H2+hu(f)=10.1+2.3=12.4m由L.0.2-2式得T12.4=(-2.0+1.8)(20-12.4)/5=-0.27.6/5=-0.3冻土由L.0.2-3式得工Tcp=T20-T12.4=-2.0-(-0.3)程地质勘察规范=-1.7(3)计算上限以下任意深度的地温特征值例如:计算H1=5m处的地温特征值由L.0.2-1式得H=H1hu(f)=5-2.3=2.7m由L.0.2-2式得T5=(T20-T15)(20-5)/5资料编号=(-2.0+1.8)15/5=-0.6由L.0.2-3式得T5=T20-T5=-2.0-(-0.6)=-1.4GB50324--2001由L.0.2-4式得A=1.3exp(−2.73.14/0.00551/×87605=0.7由L.0.2-5式得T5max=T5+A5=-1.4+0.7=-0.7由L.0.2-6式得T2.3min=T5-A5=-1.4-0.7=-2.1@第66页共66页'