牙克石市免渡河境内冻土特征研究.pdf

第 35 卷 第 3 期圆园23 年 7 月黄河水利职业技术学院学报允燥怎则灶葬造 燥枣 再藻造造燥憎 砸蚤增藻则 悦燥灶泽藻则增葬灶糟赠 栽藻糟澡灶蚤糟葬造 陨灶泽贼蚤贼怎贼藻灾燥造援35 晕燥援3Jul援2023牙克石市免渡河境内冻土特征研究刘翠然员袁佘小光圆渊员援洛阳理工学院袁河南 洛阳 源苑员园圆猿曰 圆援中水东北勘测设计有限责任公司袁吉林 长春 员猿园园圆员冤摘要院通过对内蒙古自治区呼伦贝尔市牙克石市免渡河扎敦水库场地进行地质测绘尧地质钻探尧地温观测尧室内土工试验等袁探索该区域多年冻土类型尧分布范围尧分布特征尧厚度尧上下限深度及其与地质原地理环境的相互关系袁并根据多年冻土层的物质成分尧含冰量尧物理性质尧力学性质和热物理性质袁研究冻土工程特性的影响因素袁冻土的冻胀性尧融沉性及其变化特征遥关键词院牙克石市免渡河曰冻土分布特征曰地温特性曰物理力学性质曰热学性质曰冻胀性曰融沉性中图分类号院TU752文献标识码院B凿燥蚤院员园援员猿远愿员辕躁援糟灶噪蚤援糟灶源员原员圆愿圆辕贼增援圆园圆猿援园猿援0园8收稿日期院2023-05-24基金项目院2023 年度河南省科技攻关项目院 基于季冻区冻融作用的软黏土脱水压密改良关键技术研究渊232102320325冤曰黄河流域植被边坡冻融浅层滑塌机理及生态防护对策渊232102320246冤遥作者简介院刘翠然渊1976要冤袁女袁河南鄢陵人袁讲师袁硕士袁主要从事高校工程地质专业的教学和研究工作遥园引言冻土是一种低于 园益且含有冰的岩石或土壤袁根据其存在时间的长短可分为季节性冻土和多年冻土遥 我国冻土面积大约占国土总面积的 苑缘豫袁其中多年冻土占国土总面积的 圆圆援源豫咱员暂遥 我国多年冻土主要分布在东北大小兴安岭尧 松嫩平原北部及西部高山尧青藏高原咱圆暂遥 由于施工开挖或温度的改变袁使冰在冻土中的存在形式发生了变化袁 特别是对高温冻土袁当温度改变或施加荷载后袁高温冻土中的未冻水含量增加袁使冻土由脆性逐渐向塑性转变咱猿原源暂遥 与土体冻结过程中的冻胀破坏类似袁 冻土在融化过程中袁会产生显著沉降变形或者累积超静孔隙水压力袁这些均会造成土层强度的改变或变形破坏袁 从而对地基的承载力造成影响咱缘原愿暂遥 随着青藏铁路尧青藏公路等一系列工程的建成运营袁 我国在雪域高原冻土研究方面取得了大量领先的科技成果袁 但大兴安岭地区的冻土分布和发育特征与青藏高原地区截然不同咱怨暂袁且大兴安岭地区地表植被和气候也与青藏高原截然不同袁而对冻土的保护和影响也不同遥 因此袁青藏高原冻土的研究成果难以直接应用在大兴安岭地区遥 同时袁 过去大量研究多集中在连续多年冻土区袁 而对于下界处不连续的多年冻土的研究成果较少遥另外袁目前的冻土研究多关注于冻土的形成条件以及冻土对水库的危害程度评价袁 对于冻土在库区的分布特征及冻融变化规律的研究则较少遥牙克石市免渡河镇位于内蒙古自治区东北部袁地处大兴安岭山脉中段西北坡袁为高原型地貌袁地势东南高西北低袁地形总体上由东南向西北倾斜袁地貌形态按成因可分为构造剥蚀低山及丘陵地貌单元尧侵蚀堆积地貌单元遥 该区域山坡植被多以白桦树和草本植物为主袁植被覆盖良好遥免渡河镇属温带大陆性气候袁由于受极地大陆气团控制袁又受蒙古高压影响袁气温较低袁其气候特点是冬季寒冷而干燥袁夏季短促而温热袁春季多风易干旱袁秋季降温急骤霜冻早袁年均气温为原圆援怨 益袁极端最高气温为 猿怨 益袁极端最低气温为原缘园援员益遥该区季节性标准冻土深度为 猿援园 皂遥在气温较高的季节袁 随着多年冻土区部分地段进行施工开挖袁地表水和地下水汇聚于此遥由于水流冲刷和大气温度的影响袁 开挖地段上部的多年冻土层已融化袁形成了规模较大的热融湖塘和热融洼地曰开挖边坡和遗留的核心土地段冻土融化后袁 在水流的冲刷作用下袁偶见滑塌现象袁形成了小规模的热融滑坍遥另外袁由于该区多年冻土区内地表水渊河水冤及地下水丰富袁补给量大袁大部分冬季冻结遥 多年冻土区不仅气候严寒袁而且还有多年冻土层作为底板袁这使得地表水的下渗和多年冻土层上水的活动受到约束遥冻土地层开挖破坏了天然的水文地质条件袁 若处理不当袁进入冬季冰冻期袁大量水冻结袁极易形成厚层地下冰尧潜水冰锥尧冻胀丘等不良冻土现象袁对该区域工程建设造成较大影响遥 因此袁查明该区域多年冻土的特征是进行该区域工程建设必不可少的一个环节遥笔者试通过对免渡河镇扎敦水库场地的多年冻土进行41黄河水利职业技术学院学报圆园23 年第 3 期勘察袁分析多年冻土的特征尧发育规律和冻土的冻胀性及融沉性袁以期为该区域的工程建设提供参考遥员冻土分布及地温特性沿坝轴线在坝基及坝基以外 圆园 皂 范围内袁采用网格状布设 圆员 个钻孔袁并结合地质测绘尧地温观测尧室内土工试验等方法袁查明多年冻土类型尧分布范围及其地温特性遥员援员冻土分布特征员援员援员冻土垂向分布特征根据地质勘察结果可知袁 研究区共分布 猿 层冻土袁分别为冰水沉积淤泥质粉质黏土渊第一层冻土冤尧冰积级配良好圆砾渊第二层冻土冤尧冰积粉土质圆砾渊第三层冻土冤遥 第一层冻土厚度为 园援怨园耀员援缘园 皂袁土层底部高程为 苑猿园援怨圆耀苑猿源援缘怨 皂曰第二层冻土在整个场区均有分布袁厚度为 员援圆园耀缘援源园 皂袁土层底部高程为 苑圆怨援远愿耀苑猿缘援员猿 皂袁 且在 在运园苑 孔和 在运员猿 孔的冰积级配良好圆砾中分布一淤泥质粉质黏土夹层袁厚度为园援愿园耀员援缘园 皂曰第三层冻土分布于整个场区袁厚度为 园援远园耀愿援源园 皂袁 土层底部高程为 苑圆缘援源缘耀苑猿员援缘愿皂遥 该区域季节性标准冻土深度为 猿 皂袁结合已完成钻孔的揭露情况可知袁 在季节性冻土层和多年冻土层之间分布有 猿耀源 皂 的非冻结土层袁季节性冻土层的冻结深度浅于多年冻土的上限袁 故该区域的多年冻土层为不衔接多年冻土遥员援员援圆冻土水平分布特征多年冻土的水平分布范围介于坝轴线 运园垣园远缘耀运园垣圆园园 之间袁其中 运园垣员源缘耀运园垣员愿园 之间厚度最大袁最大厚度约为 员园援圆园 皂曰沿坝轴线方向左端渊南侧冤逐渐变薄袁 尖灭于山坡坡脚处袁 即坝轴线 运园垣园远缘 附近曰向水库右岸渊北侧冤沿坝轴线尖灭于 运园垣圆园园 附近袁但在 在运员苑 和 在运员怨 处均有多年冻土层揭露遥 结合地质测绘袁 推测拟建场区多年冻土在坝轴线 运园垣圆园园 附近呈向南侧凸出的弧形分布遥 因此袁拟建场区的多年冻土为岛状多年冻土袁 水平向外边界多呈不规则分布遥员援圆冻土的地温特征本 次 勘 察 共 布 设 阅宰在运员愿尧阅宰在运员怨 和阅宰在运圆园 猿 个地温观测孔袁于 圆园员缘 年 愿 月 圆源 日和圆园员缘 年 怨 月 怨 日分别进行了 圆 次地温观测数据采集工作袁并绘制了地温观测曲线袁如图 员耀图 猿 所示遥由图 员耀图 猿 可知袁研究区多年冻土地温具有如下特征院受季节及大气温度的影响袁多年冻土地温随深度的增加逐渐降低曰同一深度处袁多年冻土地温随时间延长逐渐降低曰 由于地温观测周期短 渊未满一年冤袁多年冻土的年平均地温未能确定袁但根据区域地温观测资料袁多年冻土年平均地温较高袁大多高于员益袁为高温冻土袁冻土地温带属极不稳定带遥圆冻土物理力学性质及热学性质圆援员冻土物理性质冰水沉积淤泥质粉质黏土遥 该冻土层呈灰褐色耀灰黑色袁融化后呈可塑状态袁含有机质和植物根系袁有腥臭味儿袁具水平层理袁局部近淤泥质黏土遥冰积级配良好圆砾遥 该冻土层为杂色袁中密耀密实袁湿耀很湿袁圆耀圆园 皂皂 颗粒含量约占 缘缘豫袁磨圆度一般袁呈次棱角状袁下部含较多黏粒袁岩芯呈冻结状态袁孔隙被冰充填袁如图 源 所示遥冰积粉土质圆砾遥 该冻土层呈黄褐色耀灰褐色袁中密耀密实袁湿耀很湿袁砾石含量约占 缘猿豫袁磨圆度一图 员阅宰在运员愿 孔地温观测曲线Fig.1Ground temperature observation curves ofDWZK18 hole图 圆阅宰在运员怨 孔地温观测曲线Fig.2Ground temperature observation curves ofDWZK19 hole温度/益-2.00.02.04.06.08.010.012.014.016.00.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0温度/益-2.00.02.04.06.08.010.012.014.016.00.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.011.012.013.0图 猿阅宰在运圆园 孔地温观测曲线Fig.3Ground temperature observation curves ofDWZK20 hole温度/益-2.00.02.04.06.08.010.012.014.016.00.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.011.012.013.042般袁呈次棱角状袁黏粒含量约占 圆愿豫袁沙粒含量约占员缘豫袁岩芯呈冻结状态袁肉眼可见较多冰晶袁局部含员耀圆 皂皂 的冰层袁如图 缘 所示遥猿 种冻土的物理性质如表 员 所示遥由表 员 可知袁 研究区冰水沉积淤泥质粉质黏土为富冰冻土耀饱冰冻土曰 冰积粉土质圆砾和冰积级配良好圆砾为多冰冻土耀富冰冻土遥 猿 种冻土的有机质含量为 园耀圆豫袁小于 猿豫袁均为非泥碳化多年冻土遥刘翠然袁等院牙克石市免渡河境内冻土特征研究图 源冰积级配良好圆砾图Fig.4Well graded boulder of ice-borne sediment图 缘冰积粉土质圆砾Fig.5Silty boulder of ice-borne sediment表 员多年冻土物理性质指标统计表栽ab.1Statistics of physical properties of permafrost土样名称土样编号干密度籽凿辕渊早辕糟皂猿冤总含水率棕辕豫未冻含水率棕怎辕豫有机质含量孜辕豫盐渍度灼辕豫融沉系数啄燥辕豫冰水沉积淤泥质粉质黏土在运园圆原员员援猿怨猿圆援缘愿援苑园援圆园援员圆园援愿在运园苑原缘员援愿缘圆源援愿缘援园员援苑园援园远圆援缘在运员圆原员员援愿缘员苑援员怨援源员援圆园援园远圆援员平均值员援苑园圆源援愿苑援苑员援员园援园愿员援愿冰积级配良好圆砾在运园远原员员援远猿员怨援苑原园援员园援园缘猿援远在运园苑原源员援远源员怨援圆原圆援园园援园愿圆援园在运员源原圆员援怨员员源援源原园援员园援员猿员援缘平均值员援苑猿员苑援愿原园援愿园援园怨圆援源冰积粉土质圆砾在运园远原怨员援源愿员远援苑原园援园园援员远圆援源在运员员原缘员援怨远员源援怨原园援员园援圆员园援怨在运员猿原员员援怨圆员缘援怨原园援园园援园猿员援员平均值员援苑怨员缘援愿原园援员园援员源员援缘冰水沉积淤泥质粉质黏土易溶盐含量为 园援园远豫耀园援员圆豫袁小于 园援圆豫袁为非盐渍化多年冻土曰冰积粉土质圆砾和冰积级配良好圆砾中袁在运园远原怨尧在运员员原缘 和在运员源原圆 试样易溶盐含量为 园援员猿豫耀园援圆员豫袁大于 园援员豫袁为盐渍化多年冻土遥圆援圆冻土力学性质依据土工试验可得多年冻土力学性质袁 如表 圆所示遥由表 圆 和表 员 可知袁 初始含水率是影响冻胀性的最主要因素袁含水率越高袁冻胀性越大遥 在封闭系统中袁随着温度的降低袁冻胀率增大遥 在非饱和状态下袁融沉系数与干密度成正比曰在饱和状态下袁融沉系数与干密度成反比遥圆援猿冻土热学性质根据冻土室内热学试验袁 得出场地多年冻土热学性质指标袁如表 猿 所示遥由表 猿 可知袁冻土骨架比热与有机质含量尧土颗粒的含量及颗粒粗细有关院 冻土骨架比热与有机质含量有较好的线性关系袁有机质含量越高袁骨架比热越大曰随着颗粒变细袁冻土的骨架比热逐渐增大曰冻结状态导热系数受土体含水率和干密度影响袁 含水率越大袁导热系数越大曰干密度越大袁导热系数越小遥43黄河水利职业技术学院学报圆园23 年第 3 期猿冻土地基冻胀性与融沉性猿援员冻土地基冻胀性依据室内冻土土工试验结果袁 研究区内 猿 种多年冻土层的冻胀率如下院渊员冤冰水沉积淤泥质粉质黏土渊低液限黏土冤遥 该土层总含水率为 圆源援愿豫耀猿圆援缘豫袁塑限为 员远援源豫耀员怨援源豫袁冻胀率为 园援猿怨豫耀愿援园愿豫袁平均冻胀率为 猿援猿缘豫袁为弱冻胀耀冻胀袁冻胀等级为域耀芋级遥渊圆冤冰积级配良好圆砾渊级配良好砾冤遥该土层总含水率为 员源援源豫耀员怨援苑豫袁冻胀率为 园援愿缘豫耀缘援圆苑豫袁平均冻胀率为 圆援苑猿豫袁为弱冻胀耀冻胀袁冻胀等级为域耀芋级遥渊猿冤冰积粉土质圆砾渊粉土质砾冤遥该土层总含水率为 员源援怨豫耀员远援苑豫袁冻胀率为 员援远员豫耀缘援缘猿豫袁平均冻胀率为 猿援园愿豫袁为弱冻胀耀冻胀袁冻胀等级为域耀芋级遥由此可知袁 研究区内冻土层的冻胀率和冻胀级别较高袁冻胀性较强袁冻胀作用会产生切向与水平胀力袁容易对建筑结构产生上拔力和水平推力袁不利于结构的稳定遥猿援圆冻土地基融沉性根据野外钻探及室内冻土融沉性试验袁 对场区内分布的 猿 种多年冻土层的融沉性特征进行研究袁分析结果如下院渊员冤冰水沉积淤泥质粉质黏土渊低液限黏土冤遥 该土层总含水率为 圆源援愿豫耀猿圆援缘豫袁塑限为员远援源豫耀员怨援源豫袁融化下沉系数为 圆援员园豫耀圆援源愿豫袁平均融化下沉系数为 圆援圆怨豫袁 结合冻土总含水率袁 为融沉耀强融沉袁融沉等级为芋耀郁级遥 渊圆冤冰积级配良好圆砾渊级配良好砾冤遥该土层总含水率为 员源援源豫耀员怨援苑豫袁表 圆多年冻土力学性质指标统计表栽ab.2Statistics of mechanical properties of permafrost土样名称土样编号切向冻胀子d/kPa水平冻胀力 滓h/kPa冻结强度fca/kPa抗剪强度抗压强度fa/kPa冻胀率浊/%融沉系数啄o/%融后Mv/MPa-1C/MPa椎/(毅)冰水沉积淤泥质粉质黏土ZK02-1-14.5037.10.778.245120.390.80.28ZK07-593.87147.73104.30.8015.086428.082.50.27ZK12-136.9627.7659.31.0012.341 0271.582.10.41平均值65.4263.3366.90.8611.897273.351.80.32冰积级配良好圆砾ZK06-142.8438.5462.70.9313.491 4472.073.60.36ZK07-474.16106.0076.70.7519.568755.272.00.76ZK14-2-14.5090.72.1311.502 1620.851.50.28平均值58.5053.0176.71.2714.851 4952.732.40.47冰积粉土质圆砾ZK06-937.3228.4296.61.3117.431 1091.612.40.56ZK11-543.3239.42100.41.3414.121 8732.110.90.59ZK13-176.24110.6080.10.9818.911 1225.531.10.37平均值52.2959.4892.41.2116.821 3683.081.50.51表 猿多年冻土热学性质指标统计表栽ab.3Statistics of thermal properties of permafrost土样名称土样编号冻土骨架比热 遭枣辕噪允辕渊噪早 窑 运冤冻结状态导热系数姿枣辕宰辕渊皂 窑 益冤融化状态导热系数 姿怎冰水沉积淤泥质粉质黏土在运园圆原员园援苑源园员援圆愿员援园缘在运园苑原缘园援苑缘苑员援愿员员援猿源在运员圆原员园援苑远猿员援远源员援园圆平均值园援苑缘猿员援缘愿员援员源冰积级配良好圆砾在运园远原员园援苑缘怨员援远怨员援员猿在运园苑原源园援苑圆缘圆援员员员援猿怨在运员源原圆园援苑源愿圆援员园员援猿远平均值园援苑源源员援怨苑员援圆怨冰积粉土质圆砾在运园远原怨园援苑猿缘员援园远员援园园在运员员原缘园援苑圆源员援苑远员援猿园在运员猿原员园援苑猿圆员援苑圆员援猿圆平均值园援苑猿园员援缘员员援圆员44融化下沉系数为 员援缘猿豫耀猿援远猿豫袁 平均融化下沉系数为 圆援源猿豫袁为弱融沉耀融沉袁融沉等级为域耀芋级遥渊猿冤冰积粉土质圆砾渊粉土质砾冤遥 该土层总含水率为员源援怨豫耀员远援苑豫袁融化下沉系数为 园援愿缘豫耀圆援源圆豫袁平均融化下沉系数为 员援源苑豫袁为弱融沉耀融沉袁融沉等级为域耀芋级遥由此可知袁 研究区多年冻土层的融沉性与含水量密切相关袁总含水率越高袁融沉系数越大袁则其融沉等级和融沉类别越高袁融沉性越大袁相应冻土层的融化下沉量越大遥由研究区多年冻土分布特征可知袁 该区分布的几类多年冻土层厚度不均袁总含水率各异袁其融化下沉系数大小不一袁多年冻土层融化后袁地层将产生不均匀沉降袁 过大的不均匀沉降极易导致上部结构开裂曰且融化的多年冻土层力学强度大幅降低袁冻土融化面将演变成地基中的软弱结构面袁 在上覆荷载及渗透水流的作用下地基沿软弱结构面滑动袁 易导致地基失稳袁造成结构整体破坏遥 因此袁在该区域进行工程建设袁要分析多年冻土的埋藏深度尧分布特征及后期受自然环境尧气候变化尧寒区生态环境尧人类工程活动影响后的稳定性袁对地基的融沉性进行评价袁提前采取换填尧固结等有效地基处理措施遥源结语通过对研究区气象资料尧 已完成钻孔的勘探成果和地温观测资料的综合分析可知袁 该区域分布的多年冻土为不衔接的岛状多年冻土袁 形成于第四纪冰川时代袁是古代冰河期转为间冰期的产物遥由于该区域纬度高袁海拔低袁地温大多高于 员益袁因此其多年冻土热稳定性差遥研究区位于大兴安岭西麓袁自然生态及气候条件良好袁地表植被覆盖茂密袁为多年冻土提供了一个良好的环境遥在自然状态下袁该区域多年冻土上限处于一个动态平衡状态遥 但工程开挖常常使该区域的多年冻土暴露于大气中袁 上部覆盖层对多年冻土的保温状态已不复存在袁 多年冻土的原始环境遭到严重破坏且已不具备自我修复能力遥 因此袁在该区域设计及施工时袁应根据工程类型采取热棒和保温法等措施保持冻结状态或直接开挖使地基土处于逐渐融化状态袁 以防止多年冻土层的加剧融沉给工程造成不良影响遥参考文献院咱员暂王海航袁周扬袁赵晓东袁等援冻土抗拉强度研究现状与展望咱允暂援冰川冻土袁圆园圆圆袁源源渊远冤院员 愿园苑原员 愿员怨援咱圆暂杨兴华袁张肇飞援大兴安岭岛状冻土区公路路基设计研究咱允暂援建筑机械袁圆园圆猿渊员冤院苑源原苑怨援咱猿暂咱美暂奥兰多 窑 月 窑 安德斯兰德袁布兰科 窑 洛达尼援冻土工程咱酝暂援杨让宏袁李勇袁译援北京院中国建筑工业出版社袁圆园员员院员远苑原员苑猿援咱源暂刘红军袁程显春袁马介峰援多年冻土的力学性质咱允暂援东北林业大学学报袁圆园园缘袁猿猿渊圆冤院员园圆原员园猿援咱5暂周扬袁周国庆袁周金生袁等援饱和土冻结透镜体生长过程水热耦合分析 咱允暂援 岩土工程学报袁圆园员园袁猿圆 渊源冤院缘苑愿缘愿缘援咱6暂周扬袁周国庆袁王义江援饱和土水热耦合分离冰冻胀模型研究咱允暂援岩土工程学报袁圆园员园袁猿圆渊员员冤院员 苑源远-员 苑缘员援咱7暂在匀韵哉再ang袁在匀韵哉郧uoqing援陨灶贼藻则皂蚤贼贼藻灶贼枣则藻藻扎蚤灶早皂燥凿藻 贼燥 则藻凿怎糟藻 枣则燥泽贼 澡藻葬增藻 蚤灶 枣则藻藻扎蚤灶早 泽燥蚤造泽院藻曾责藻则蚤鄄皂藻灶贼泽 葬灶凿 皂藻糟澡葬灶蚤泽皂 葬灶葬造赠泽蚤泽咱允暂援 悦葬灶葬凿蚤葬灶 早藻燥贼藻糟澡灶蚤鄄糟葬造 躁燥怎则灶葬造袁圆园员圆袁源怨渊远冤院远愿远-远怨猿援咱8暂周扬袁武子寒袁许程袁等援高温下饱和冻土一维融化热固结模型及解答咱允暂援岩土工程学报袁圆园圆员袁源猿渊员圆冤院圆员怨园-圆员怨怨援咱9暂车富强袁刘明忠袁周刚义援大兴安岭北部多年冻土现状研究分析咱允暂援低温建筑技术袁圆园圆园渊员圆冤院员园苑原员员员援责任编辑荆旭春刘翠然袁等院牙克石市免渡河境内冻土特征研究黄河水院入选 2022 中国职业教育质量年度报告 三项优秀院校榜单圆园圆猿 年 源 月 员圆 日，中国教育科学研究院、全国职业高等院校校长联席会议编制的 圆园圆圆 中国职业教育质量年度报告 由高等教育出版社出版并正式发布。黄河水利职业技术学院以优异成绩入选“高职院校学生发展指数优秀院校”（全国共 员园园 所）、“高职院校资源建设优势学校”（全国共 远园所）、“高职院校教师发展指数优秀院校”（全国共 员园园 所），这标志着学校综合办学实力、社会影响力和美誉度的显著提升，是“双高计划”建设取得的又一项重要成果。圆园圆圆 中国职业教育质量年度报告 主要从服务贡献、学生发展、教育教学、政府责任和国际合作五个质量维度，向社会展示 圆园圆员 年中国高等职业教育改革发展的新变化。渊姚芬冤45