第二篇工程冻土学研究

1、第五章 国民经济开发中寒区工程冻土条件分区5.1按建筑原则进行寒区分区如果采用理性而经济有效的国民经济开发方法，利用地质环境被认为是合理的，其中包括保障建筑物可靠性的方法和对整个自然环境的保护。因此，在多年冻土地区上进行设计施工时，应预先采取措施保障建筑物的完损无缺和耐久性，并对其运行质量有所要求。通过选择一定的建筑结构，基础类型，改善地基的建筑性能，调整建筑物与地基热相互作用等等措施可以达到这一要求。所有措施的总和或其一部分称之为稳定性保障方式。根据建筑法规()-18-76规定，所有方式归结为两组，我们称作利用多年冻土作为地基的建筑原则。原则保持地基的多年冻土在建筑物施工和运营期间处于冻结状

2、态。如下保证建筑物稳定的方式属于此类:保持地基土于冻结状态；多年冻土限制地基融化；地基土预先冻结以及在建筑物施工运行期间将地基土冻结起来的新方式(应用有限)。原则利用多年冻土地基处于融化状态(在建筑物运行过程允许冻土地基融化或在施工之初将冻土地基融化至某一设计深度)。为此，采用如下保障建筑物稳定的措施:使基础的上部结构适应多年冻土融化时地基的不均匀沉陷；使多年冻土预先融化；使多年冻土上限的初始位置维持稳定。选择建筑原则如同寒区开发特点一样，整体上讲与决定冻土和融土性质的工程地质条件特点，冻土地质过程的发育情况，地下水位冻结程度，所有冻土学特征的大的动态有关，首先是与土温度场随时间变化的冻土特征

3、有关。俄罗斯领域里工程地质条件形成规律，总体上是决定于气候和地植物学条件(地区性因素)的形成和变化特点，地质构造，地貌和水文地质组构(区域性因素)。图5.1给出了工程地质区划图，该图划分出了八个大区和相应的地区组。在进行区划时考虑了：微地形的成因类型，第四纪前主要地质的建造和第四纪沉积物综合体，多年冻层的平均温度及其分布情况。每个分区指标用土的近地表层(10-20米)的冻结类型，多年冻土的厚度，第四纪沉积物及其以前出露于地表和埋深10米的石质土和半石质土的含冰量表示(表5.1)。此外，所标出的地震烈度，对评价建筑物施工期和运行期的工程地质条件具有重要意义。以上所有的都考虑了多年冻土地区积累的建

4、筑经验，对冻土学条件人为变化作出评价，给出了建筑原则。在图上划分出了8组地面建筑时发生的各种人为影响反应区域。这些反应是根据土的工程地质变化程度，贯穿融区和新生冻土形成的可能性，地下水动态变化，新生冻土地质过程及其活化作用的可能性去进行评价的。工程地质条件最大的人为变化分两组表示：其一(13区和14区)是连续分布厚度较大的低温多年冻土，第四纪沉积层总体积含冰量常超过0.4(尤其是各类亚砂土和亚粘土以及泥炭土)，另一组(4，5区，5区)是岛状分布的厚度较小的多年冻土，同样赋存有第四纪沉积层。位于寒区南部剥蚀平原和西伯利亚高平原境内(7,8,11区)的一组环境变化最大，在建设过程中，冻层甚至可能整

5、个融化掉，或形成新生冻土。变化明显的还有位于外贝加尔和远东(太平洋地区)(25区)的一组多年冻土不连续或岛状分布，坡地化过程和冰锥化发育强烈。如上所述，在寒区建设时采用两种利用多年冻土作为工程建筑物地基的建筑原则，为了选择某一原则，不仅必须掌握待开发地区的工程地质条件信息，而且要掌握建筑物本身的信息。如果没有后者，在大多数情况下就不能回答应如何应用建筑原则的问题。越是在较大布局的小比例尺工程区划中，就可能提出这样或那样应用原则占优势的建议。为此，我们应用规范建筑法规()-18-76和积累的建筑经验。例如按规范条文8.1所述，对冰包裹体含冰量ii0.4的富含冰土应采用建筑原则，而按条文8.2，如

6、果地基不单纯是完整的岩石地基或整个多年冻土层，在其固结后融化建议采用同一建筑原则，适用于地震烈度7，8和9级的地区。3.10点限于无条件采用建筑原则的地区，属于岩石和低沉陷性土以及多年冻土不连续分布的地区。从建筑物运行经验出发，对条文3.19规定作了三点重要补充。第一，涉及到石质土地基。我们知道大多数情形下活动岩石上的建筑物变形是由于其中含冰所造成的。因此，评定活动岩石作地基时应将其按松散岩石地基处理，应考虑含冰量，而规范则仅仅将其归属于完整石质土和半石质土。第二，涉及多年冻土非连续分布地区的建筑。多年冻土岛状分布地区和在不连续型多年冻土地段上施工时属于此。赫茹斯塔寥夫（)计算指出，在局限性冻

7、土体上，如果它在平面上达到足够的尺寸，可以按原则，其中多年冻土厚度超过25米时，按建筑原则比按建筑原则便宜。至于涉及到非连续型多年冻土上的建筑的话，那么，例如按建筑原则修建的民用建筑，如果多年冻土顶板深度小于10米，在高地震烈度区和多年冻土顶板更深些时，则宁可采用建筑原则进行建筑。因此，关于在多年冻土非连续分布时无条件的要求应用原则时，则多年冻土厚度至少小于25米时应用原则才比较合适。最后，第三点补充是涉及地震区多年冻土不连续分布地段的建筑问题。这种情况下同一地区要求采用两个建筑原则“原则(8.3条)和原则(3.10条)”。如果采用原则，要求计算地震烈度增加一级，而且禁止在地震烈度超过九级的地

8、区进行建筑，那么，首先在地震烈度十级的地区就不可能提高计算值，基本上只能采用原则，只有在具备多年冻土整个厚度预先融化并接着加固条件的个别情况下才采用原则；其次，在七，八级地震烈度地区，提高计算值同样是极不得已的，因为采用抗震防护措施相当昂贵，常常超出了采用原则建造建筑物冷却系统的费用。因此，对于高地震烈度地区，除了多年冻土厚度比较小的范围内采用预先融化加固方案外，主要的建筑原则还是建议采用原则。以上所述，应为小比例尺工程地质研究中选择利用多年冻土作为工程建筑物地基原则的规定。图5.1按此模式给出了寒区领域内的建筑原则区划。在图上表示出了各个区的界限，1)只能采用原则；2)基本上采用原则，但也可

9、能采用原则；3)基本上采用原则，也可能采用原则；4)只能采用原则；5)采用原则和均可(视具体细部和建筑物类型而定)。整体而言，俄罗斯版图内各个冻土区开发的特点，包括选择建筑原则，保障寒区建筑物可靠性都可以通过比较分析区划图和表5.1的数据得到。 5.2按危险冻土过程划分寒区众所周知，冻土过程是评价工程地质环境的重要因素，因为它常常导致地表形态迅速出现重大变化，造成土体的不均匀性和不稳定性(较小的承载力)。现象过程的传播和特殊性具有区域-地区性特征，整体上决定于地质地貌，水文地质，景观-气候和冻土条件。事实上对于寒区的任何自然综合体特征，不是一个，而是一整套现代冻土化过程，它们之间常常互有联系。

10、但是它们的动态则决定于不同的因素。假设，促成的是或快或慢或其他过程，则是极个别现象。因此，在地区性开发计划中，评价开发地区综合过程的危险程度时，应该根据对它们各自机理的认识去进行。在大的地区性范围内，自然条件的多样性决定了综合过程的动态，其中每一个或者是自发生成的，或者是共生的。显然，区域的形态结构布局，松散覆盖层的成分，气候和动态分带(表现在土的年平均温度的空间变化，潜在的季节融化和季节冻结深度，冻结层的厚度，以及覆盖沉积物表面5-10米土的含冰量)造就了分水岭，坡地，谷地，山地景观的独特的关系，并相应的预先确立了过程的典型群体，它们的出现频率，过程中每个现象表现形式，以及地区开发的危险程度

11、。自然，几乎在冲积平原所遇到的所有过程群体，包括(不同的组合取决于具体的发育条件和各个过程的地形形成作用)土的冻胀，地面热沉陷(热喀斯特)，热侵蚀作用，热溶蚀作用，滑塌，泥流。这些过程实际上扩及到所有的地貌水平(单元)，经常性的危及到地面建筑。在山区中，典型的过程群体有石流，滑塌，泥流，其分布比较局限。但是在山谷和山间洼地内接近于冲积平原处可以观测到过程群体的特殊表现-广泛分布着冰丘形成物。有鉴于此，为了评价过程群体的地域学特征，我们依据相应于以上自然特征所决定的过程发育标志，编制了比例尺为125000000的俄罗斯寒区区划图(图5.2)。在第一阶段给出了第一级形态结构的三种基本类型分布界限：

12、冲积平原；剥蚀平原，高原和平缓山地；剥蚀-构造山地。划分出了如下景观-气候带：具有大陆性气候地区-地带的北极带()，亚北极带和北极带；温暖海洋型()，温暖大陆型()，大陆型()，强大陆型和按不同的冻土年平均温度T0分布的寒区带；低温带(T0-3)，中温带(T0-1-3°)和高温带(T0-1°)。根据以上计算形成了43个地区(表5.2)。然后其中每一个都以生物群体，成分和沉积物含冰量(总体积含冰量itot0.2的微含冰沉积物；itot=0.2-0.4的含冰沉积物，itot0.4的富含冰沉积物表示。根据对各个地区已经出版的实际资料的搜集整理，确定了每个地区冻土过程的典型现代群体

13、(参见表5.2)。同时，我们利用莫斯科大学地质系冻土教研室同任们所收集的建筑经验资料，定性地评价了区域开发时各群体过程的危险程度。这些评价可以用来对过程进行分类，根据地形表现的危险性归纳为五个等级(类型)(表5.3)。从工程地质条件的观点出发最具工程地质意义的过程是：正融土的热沉降和热喀斯特()，土体的冻胀()，冰锥形成物()和滑塌()，热侵蚀()和热溶蚀()。除了泥流而外，所有过程根据危险程度和对应的可能物质损失分成五个等级。根据经验，泥流不算是危险过程，能承受较大的物质损失。第四(危险)过程和第五(极危险)级特点是具有复杂的工程地质条件，要求较大的工程勘测工作量，对基础和地基土应制订专门的

14、技术措施。在天然过程条件下，第四和第五级(类)只在有限的范围内局部地遇到。但是当开发地区过程的特征剧烈变化时，它们便活跃起来，往往变的危险或非常危险。这就迫使我们根据其与地温动态和季节融化深度的已知关系作出过程动态预报，这些变化发生在气候变暖或变冷，特别是对景观和地质环境人为作用的影响之时(表5.4)。评价的出发点是气候变暖时年平均温度(T0)增高，同时季节融化深度(dth)增大，相反，气候变冷时，T0降低，dth减小，而在人为作用影响下，会发生各种各样的情况。冻土危险过程分布图，是基于专门的自然区划编辑的，很自然地，可找出各分区界限。但是最终是根据在其区域内所能遇到的最危险过程的频率归纳的。

15、第一组能遇到的面积超过50%，或有可能出现第五级过程；第二组是最危险过程地区占总面积的5-10%；第三组是危险过程地区占总面积的3-5%；第四组-最危险过程区占总面积的1-3%；第五组-小于1%。地区的每个组按作用类型区分，包含了每个地区的典型综合特征。例如第二组中30-50%面积充满(或可能)危险作用(第四类)，而在第四组最适合危险作用(第三组)发育。应该指出，地区包含在那一组，属于最危险的类型是有区别的，例如其中之一是正融土的热沉降(热喀斯特)，另外一组是滑塌，第三组则可能是土体的冻胀等等。此外，地区属于那一组不仅仅是按照当时观测到的危险过程，而且也要按照最危险出现的潜在可能性去划分。在分

16、析表5.2资料时，可以跟踪探查典型综合作用的地域性特征。在同一形态结构范围内，综合分量作用的数量从北向南缩减。例如，北方冲积平原(1-10区)综合体包含五，六种作用，在地区开发时其中每一个几乎都是危险的或很危险的。而在南方(19-22类地区)，作用数量减少至三，四种，而且它们在自然条件下的表现形式，从工程地质意义上讲多半是无危险的。对于山区也一样。此外，北方寒区里大部分地区普遍性最常遇到的危险性综合作用是热喀斯特，而在南方则是冻胀。在所有地区自然条件的人为变化都将导致作用活跃化，增加对建筑物的危险性。气候变暖对北方地区影响特别明显，因为作用强度增加与季节融化层增加，冬季充分冻结，实际上所有作用

17、包括冻胀作用都会活跃化。气候变暖对南方的影响一般是减少了冻土过程的工程地质危险性(除了热溶蚀作用)。相反，气候变冷对于北方的影响，大多数情况下是降低了作用的活动性(除了冰锥形成物)，而对于南方，则是会加剧土的冻胀作用。区域性条件的影响同样清楚的反映在独特的各种形态结构作用综合体上。从表5.2的资料可见，由组构构造，地表地形，以及与海洋的相对位置，覆盖沉积层综合体所决定的区域特征表现在综合分量的内容形式中。这样，在冲积平原的一些地区(1，2，5，7，8，13，15)广泛分布热侵蚀，而某些山区(32-36，40)则大多数是冰锥形成物。综合体的地域性特点表现在各类危险作用和非常危险作用出现的频度。于

18、图5.2可见，在西西伯利亚和东西伯利亚的北部以及俄罗斯东北部可以见到破坏面积最大(30-50%以上)。在寒区南方地区，危险作用则是局部性的。由地区的地质历史(特别在第四纪里)所决定的地域性特征，例如在普里宁斯克地区可以观测到从北向南延伸数百公里，并且危险作用往南仍不减少。 最后可以指出一般性规律是：经常遇到的危险性作用现象(现时见到的和潜在存在的)主要带有地区性特点，同时作为综合作用定性成分的形成物，在很大程度上决定于区域的地域性特点。5.3按人为冻土过程对生态条件的影响程度进行寒区区划由于人为地质作用的危险现象，对于建筑领域的积累作用，更现实的变成了地球生态学的研究。研究寒区开发经验表明，在

19、各种土工系统中，对不良的生态形势形成起明显作用的是人为冻土过程。现今生态形势在这个体系中最直接地决定着建筑物的可靠性。这些研究观点显然放在社会生态学中，研究社会和自然的相互作用。如众所周知，对寒区自然环境起作用的主要作用分成三组:热学的，力学的和化学的。它们可以是可调控的或不可调控的。看来，如果在以上作用中，人对环境的需求有一定的程度，环境对这些作用的反应，将会改变它们的质量(库兹明()等，1995)。根据我们处理资料情况，可以根据国民经济类型，从总体上评价环境质量的变化。表5.4中给出的评价表明，在寒区中由于人为作用的可控制程度较低，在整个自然-工程体系中，环境质量在不同程度上会恶化。但是，

20、造成最大的损失则是采矿业(沃尔库塔和中央亚库梯采煤联合体，东北部的采金业等)和原料加工业(诺里尔斯克冶金联合体等)。各种形式作用的相互关联，影响加深是寒区环境质量变化的重要方面。在所有情况下，力学和化学作用，会导致环境热量“污染”，通常会加剧负面后果，在地质综合关系中表现出土体热状态及其性质的变化，使毁灭性的工程地质过程得以发展。正是这些开发的后果影响了建筑物的可靠性，是生态因素影响了建筑物的安全性。可见，自然-工程体系的安全性应该作为考虑自然环境所有分量变化的综合体来研究，但现有现场观测资料，已有充分可能将其作为土工体系的生态稳定性来研究，评价与各种人为冻土过程有关的建筑物地基的可靠度。此时

21、，我们可以认为土工体系是地质环境的一部分， 表5.4寒区开发中自然环境质量的变化情况人类社会活动人类活动对环境的作用地质环境质量变化指标环境质量变化情况1234居住调控性热作用相应于所采用的建筑原则下设计地段土体的温度动态无变化非调控性热作用季节融化层或季节冻结层深度增加直至形成融化层或新的多年冻土，发育热沉降和冷冻胀，浸润(浸没) 恶化调控性力学作用相应于建筑原则的结构下土体承载力稳定无变化非调控性化学作用因径流，废料，造成土体和地下水增温，形成温寒土剧烈恶化景观调整作用发育次生植物群落，土体热状况局部或全部复原恶化矿物采掘微调控的力学作用盆地，露天采场，矿坑周围正融冻土变形等等剧烈恶化微调

22、控热作用地温改变，形成融区或多年冻；土体热沉降，冷冻胀，冰椎形成物，泥流(滑坍、坡积物)恶化微调控化学作用土壤盐渍化，融区和温寒土形成，土体盐分溶解剧烈恶化原料加工业，工业化生产调控性热作用因工业污水，废液大气降水造成地温和地下水污染恶化非调控的化学作用土体和地下水污染，土体盐分溶解，土体盐渍化并形成湿寒土剧烈恶化调控性热作用根据所用建筑原则，在设计地段地基土体的温度动态无变化非调控性热作用冻土发生持续融化形成非贯穿或贯穿融区，热沉降，浸没恶化微调控力学作用建筑物地基中正融土和冻土的变形恶化原料运输、水、能源、工业与民用生活房废料调控性热作用根据所采用的建筑原则结构措施下地基土的热状态趋于稳定

23、无变化非调控性热作用季节融化深度和季节冻结深度增大，造成新的多年冻土，热沉降，热喀斯特，热溶蚀，泥流，土体冷冻胀，冰椎形成物，崩坍，坡积物恶化非调控化学作用因物质搬运结果造成土体和地下水污染恶化调控性力学作用根据所采用的建筑原则结构措施土体承载力趋于稳定无变化表5.5布迪科()分类基础上的气候类型()(1971)气候标记类型特征大陆度干燥指数(蒸发量与降水量之比)暖季前冬季地表积温冬季气象条件气温中等活动性变幅一月月平均气温冬季平均积雪厚度，厘米1温暖海洋性，温暖大陆性0.4501000-13-3250北极地区501.01.52温暖大陆性，大陆性0.451.010002200(北极地区0100

24、0)-13-3250北极地区5020.2.53大陆性，极端大陆性(北极地区为温暖海洋性，温暖大陆性)0.451.0(中雅库梯和外贝加尔1.03.010002200(北极地区01000)-13-32(北极地区低于-32)50(西部地区50)0.51.04大陆性0.451.010002200-13-33501.01.55温暖海洋性，温暖大陆性0.4501000-13-32501.52.06温暖大陆性，大陆性0.451.010002200-13-3250(南部地区501.52.0它与建筑物基础之间在相互作用着。基于寒区土工体系的研究，我们试图确定在各类地区开发时(住宅，工业，矿山，运输)不同地域危险

25、局势产生的可能性。这些地区的每一个开发项目都包含一定的基本建筑物综合体。住宅综合体包括生活房屋，街道，卫生工程，通风和供水水塔，仓库和绿化场地，休闲场所。工业综合体计有生产厂房，冷却塔，储水池，烟囱，栈桥，独立式承台，货场，料仓，车道，卫生工程管网。矿山综合体包括厂房，矿井，露天采场，钻井，储水池，水塔，井架，独立式承台，栈桥，车道，仓库和杂用场地。运输业综合体包括交通运输建筑物，公路和铁路，输水管道，输气管道，石油和食物运输管道，起飞-降落跑道，桥梁，水塔，独立式承台，仓库和杂用场地。在建立次级结构综合体时，要预先考虑整个土工体系防护冻土过程的负面影响。经验表明，由于一系列原因，各个项目之间

26、作用往往不大:某些自然和人为作用的研究还很薄弱；勘测工作的失误和不足，设计中的失误或施工偏离设计；建筑物运行状态失常，重要的是冻土过程的负面影响随时间积累难以预测，表现出体系的惯性，有时随着“污染”积累而产生新的负面作用(例如在土壤盐渍化影响下亚库梯湿寒土的形成，多年冻土上限下降)。不同开发方式时，土工体系危险情势发生的潜在可能性，决定于多年冻土存在的条件和冻土地质过程的动态。因此为了描述土工体系我们曾按气候类型和主要的多年冻土类型进行区划，其中曾利用了动力学指标，如寒区气候分类(表5.5)，即基于布迪科()(1971)的分类并补充了世纪内节律影响下年平均气温波动幅度值(巴拉诺夫（）等，199

27、6)作为分类标志。多年冻土分类的动力学指标(表5.6)乃是多年冻土的年平均温度和含冰量，因为它们制约着融化速度和深度(戈拉古扬()，1985)。表5.6以连续分布，非连续分布，岛状分布为最大特征的多年冻土类型土按其结构连接特征分类型分级土按成分类型分组多年冻土按其总含冰量类型形态(以小数计)各类标记分布区内多年冻土按年平均温度(T0，)亚型多年冻土按冻层厚度(米)与标记的类型种类各个冻土类型标记123456非刚性连接的土体(分散性土体)A沉积性粘性土(粘土类土，黄土)富含冰土与含冰土(itot0.4)1 岛状分布的过渡型冻土(T0-1)a薄层冻土(50)A12 非连续分布的高温冻土(T0=-1

28、-3)薄层(50)A2中厚层冻土(50100)A2厚层冻土(100)A23连续分布的低温冻土(T0-3)中厚层(20100)A3厚层冻土(100)A3含冰冻土与微含冰冻土(itot0.4)1岛状分布冻土(T0-1)a薄层冻土(50)A12非连续分布的高温冻土(T0=-1-3)中厚层冻土(50100)A1厚层冻土(100)A13连续分布的低温冻土(T0-3)厚层冻土(100)A3沉积性无粘性土(大块碎土类土，砂土)含冰土和微含冰土(itot0.2)1岛状分布的过渡型分布冻土(T0-1)薄层冻土(501中厚层冻土(50100)22非连续分布，高温冻土(T0=-1-3)中厚层冻土(50100)2厚层

29、冻土(100)23连续分布的低温冻土(T0-3)厚层冻土(100)3刚性连接土体(石质土)岩浆，变质，沉积，化学，生物和碎屑胶结土体(裂隙土)含冰土，微含冰土(itot0.2)1岛状分布的过渡型冻土(T0-1)薄层冻土(50)1中厚层冻土(50100)22非连续分布的高温冻土(T0=-1-3)中厚层冻土(50100)2厚层冻土(100)23连续分布的低温冻土(T0-3厚层冻土(100)3按气候类型，并利用了危险冻土过程一览图所表现的更广泛的多年冻土类型所作的寒区标准化工作，使有可能划分出代表性的工程冻土条件地区，并对人为融区发展和新的冻土形成物，在考虑气候动态后作出预测性评价(表5.7)。在对

30、寒区自然-工程体系存在的代表性地球生态状况原始资料汇总基础上，对不同开发方式下冻土地区生态条件变化进行了专项评估。在此基础上提出了建筑物事故出现前与稳定性丧失有关的危险情势可能发生的假设。其时，注意了建筑物系统的典型性，考虑了矿山综合体对天然环境的人为破坏最大，交通运输综合体则最小，如果它们对环境的作用具有较高的正常动态，而且在土工体系里，此过程控制无效时即可观测到过程的危险表现。整个生态条件的变化分成三组：危险局势一直存在的显著变化，危险机率较小的变化和无危险局势发生的变化。我们提出的论据已由寒区开发经验所证实。评估的结果列于表5.7。所列数据表明，危险的生态形势经常可能发生，并会扩及到运输

31、干线上去。这可用它们的特点进行解释：首先，长距离线路决定了整个线路在选择有利的工程冻土地段方面的局限性，其次，由于一些原因，运输土工体系所不同的是用有效的经济手段控制冻土过程的可能性不大。最常见的危险局势预料将会出现在具有大的动力气候(-1，-2)的冲积平原地区的运输干线上，该地区年平均温度低于-1分散性富冰多年冻土连续分布或间断分布，以及冻土化过程范围非常大(大于面积的30%以上)(1，2，5，6，8号地区)。但是由于上述特点危险局势也可能发生在冲积平原，剥蚀高原和冻土化过程范围非常大的分散性含冰多年冻土间断或连续分布的动力气候较弱(-3)的山区(11，13，15号地区)。同时还可能发生在冰

32、锥广泛分布的地区(17，18，22号地区)，矿山综合体危险局势发生的主要原因在于，在设计建筑物时，常常无法提供伴随此种开发方式，可能发生的各类变化的自然环境分量总影响下冻土化过程的动态。由于问题受过程动态的限制，问题发生时往往不能人为地去完成。显然，此时时间因素起着很大作用，表现在过程对建筑物的负面作用的积累。顾及到以上情况，我们认为，在矿山综合体中危险的生态局势最有可能发生在较大动力气候的冻土地区，多年冻土连续或间断分布而年平均温度低于-1。多年冻土属于明显的分散性富冰冻层，并有承压冻结层下水参与相互作用(1，2，5，8，11，17，21，22号)。在工业综合体中，建筑物与地基土的相互作用是

33、完全受控的，因而危险生态局势出现的机率一般比较小。仅仅在冻层连续分布，并存在很厚的细分散性富冰土层，其剖面中存在盐渍土的某些地区，危险局势发生机率增大(5，11，21号地区)。危险局势发生机率最小的当属民用住宅综合体，这可用能够选择良好的建筑地段解决，而且有控制建筑物地基冻土化过程的可靠方法来解释。区划图能够很好地反映寒区各类自然-工程体系中生态危险局势可能性的对比评估情况(图5.3)，自该图可见，危险局势机率依次降低的顺序是：运输干线-矿山工程-工业建筑工程-生活住宅建筑工程。最后要说明的是，所给出的一览图可供编制寒区各类地区开发项目的技术经济说明书，这些图所采用的观点和方法可用来编制大比尺

34、的专项图。有关编制分类图和一览图的所有结论将被纳入制订寒区地质环境生态变化评估方法中，并将促进冻土学的一个新方向-生态冻土学的发展。第六章寒区工程冻土勘测方法原理6.1勘测要求和勘测阶段根据建筑法规()11-02-96的要求，工程勘测应该对建筑设计地区的自然条件，当地建筑材料，供水水源提供综合性研究 ，获得设计和施工项目编制经济合理技术可行的所需资料，同时还要考虑合理地利用和保护自然环境。与此同时，必须收集预测这些项目在施工和运行期间自然环境变化的资料。属于建筑工程勘测的有：岩土工程监测；房屋与建筑物地基基础土壤调查；评价由于自然和人为过程危险性和价值准线；建筑区的工程防护措施；周围环境的局部

35、监测；项目施工，运行和停止运行过程中的测量，地质，水文地质，水文，水情编录和其它工作；房屋建筑物施工企业在工程勘测过程中的科学研究工作；建筑物施工和运行过程中利用勘测工程量进行设计监督。基于建筑勘测资料可着手进行：1，初步设计文件和建筑投资依据；2，开展设计工作；3，房屋建筑物施工企业的作业文件。为新的设计项目所作的工程勘测； 投入生产的企业，房屋建筑物的扩充，改建，技术改造和停建；国家编目与居民点信息系统管理；对设计项目对象制订采取的经济，技术，社会和人类活动方面设计依据的建议书。为编制初设文件所进行的工程地质勘测，应能满足开展建筑领域(地区，场地，线路)里设计项目在施工和运营期间工程地质条

36、件的研究，并预测这些条件变化，目的在于：1，编篡生产力部门发展和备置总体框架，建筑领域的综合评价和利用，按建筑项目配置采取建筑原则，决定交通运输与管线的方向，对危险地质和工程地质过程的工程防护措施；2，制订河流水资源和动能利用方案；3，编制城市建设规划书-地区规划设计，总平面图，总体规划设计，建筑设计或设计草图。为房屋建筑物建筑企业制订设计开展的工程地质勘测工作，应该保证对所采用的设计方案在建筑物施工时选择建筑场地，预测施工运营期间工程地质条件变化提供足够详尽的总体研究资料。基于这些材料提交房屋建筑物布局，采用的结构和立体规划方案，设计项目总平面图，编制建筑区地质环境保护的工程防护措施。为了编

37、制施工文件工程地质勘测工作，应该保证这所设计房屋建筑物选择的具体施工地段，提供细化而充分详尽的工程地质条件，并预测它们在施工运营期间的变化。立足于这些工作，就可着手确定最终的立体规划方案，进行所设计房屋建筑物地基基础计算，细化保护周围环境、合理利用自然资源工程防护设计方案。根据工程地质踏勘或小比例尺测绘资料编制初步设计文件。为了创作设计和施工作业文件应开展详细的综合工程地质勘测，包括工程地质踏勘，测绘和勘探。在工程地质勘测内容中包括：收集和分析以往的勘测研究资料以及地区的自然条件数据；轻便的卫星和航空摄影，航空测量和航线观测；山地勘探，地球物理勘探，土壤野外调查，水文地质和地球化学调查；定位观

38、测(局部综合地质环境监测)；土壤实验室研究；现有房屋建筑物地基土调查；工程冻土条件变化预测汇编；内业整理。因此，所设计施工范围内的工程地质勘测的效果，与从项目初设到施工文件整个阶段的工程地质，冻土，地球物理，水文地质，地球化学以及其它研究方法的综合联系在一起。是进行综合研究还是作单项研究，应按照勘测大纲，根据设计阶段，自然条件的复杂性和所设计房屋建筑物的特征，确定两者如何相互替换。寒区工程地质勘测与一般地区勘测所不同的是：尚需测定多年冻土的分布，赋存条件和厚度；多年冻土和季节冻土在平面上和沿深度分布情况；冻土的冷生组构，状态和成分；年平均地温及其年变化深度；多年冻土和季节冻土以及季节融土的物理

39、力学和热物理指标；地下冰的埋深，厚度和分布；季节融化层和季节冻结层的深度；冷生过程和形成物；融区的地貌和形成过程。此外，尚须收集预测所设计的房屋建筑物施工运行过程冻土条件变化的原始资料。由于国民经济各个部门的规定和所要解决的任务不同，对于工程地质勘测的要求是各不相同的。对于某一具体的设计任务，可能只要求局限于工程地质的某一项工作(例如只要求进行踏勘)，而另一项任务则要求更详尽的工作(例如中比例尺测绘)，或总体规划(踏勘和测绘)。因此，进行工程地质勘测时应该灵活地处理各式各样的实际问题。在表6.1中反映出工程勘测的各个实施阶段所要解决的具体工程问题以及勘测工作的基本方式。隶属于设计阶段的勘测阶段

40、数量的选择，应按每一建设项目的具体条件确定，其中包含工程地质条件的复杂性。相应于建筑工程工程地质勘测规程汇编(11-105-97)中的工程地质条件的复杂程度按照自然环境因子组合确定，如果复杂程度属于更高一级，则应按任何一个单因子进行计算。依据建筑法规()11-02-76的规定，多年冻土属于特殊土类，因此整个寒区属于建筑工程工程地质条件类和类复杂程度(表6.2)。多年冻土分布地区对于工程地质勘测的基本要求，在建筑法规()11-02-96中“建筑工程工程勘测，基本原理”，建筑工程地质勘测规程汇编(11-105-97)中“建筑工程工程地质勘测”和建筑法规()2.02-04-88中“多年冻土上的地基与

41、基础”以及教材工程冻土学(1991)都作了相应的规定。每一种建筑工程对于工程地质勘测在内容，工作量和细节上都有其各自的补充和要求，反映在各主管部门的指示文件中。冻土条件特别容易随时间发生变化。这种情况在已修建有房屋的地区表现的特别明显。为此，当勘测与施工开始之间有间歇时自然条件下(施工时大于2-3年，不施工时大于5年)以及存在地质环境变化时，应根据专门工作大纲开展补充工程冻土学研究，使工程勘测资料进一步精确化。表6.2工程地质条件的复杂程度分级要素级(中等复杂的)级(复杂的)123地貌条件单一的，若干个地貌单元范围内的建筑场地(地段)。倾斜的微弱切割的地表面不同成因的若干个地貌单元范围内的建筑

42、场地(地段)。地表面被强烈切割在房屋建筑物与地质环境相互作用圈层中的地质条件不同的产状倾斜或尖灭的岩石层不超过四层。厚度变化有规律。在平面和沿深度内土性指标有重大变化。石质土顶板粗糙不平，并被非石质土所掩埋。不同成因的岩层超过四层。厚度变化剧烈。岩层产状呈透镜状，土性指标在平面和深度内变化非常不均匀。石质土具有强烈的被切割的顶板，并被非石质土覆盖。具有不同次序的断面结构在房屋建筑物与地质环境相互作用圈层中的水文地质条件有两层或更多的稳定地下水层，化学成份不均匀或具有承压水头，或含有污染水体地下水层沿走向和厚度不稳定。化学成分不均匀，含各类杂质，岩(土)的含水层和承压水头复杂，交替变化，地下水水

43、头(压差)及其水力联系沿岩层走向变化从负面影响着房屋结构物的建筑与运转条件的地质和工程地质过程分布有限，并且对选择建筑物的设计，施工和运转方案(项目、对象)不会直到重要影响作用分布广泛，并且对选择建筑物的设计、施工和运转方案会有决定性影响作用在房屋，建筑物与地质环境相互作用的圈层中的特殊土类分布有限，并且(或许)选择建筑物的设计、施工与运转方案，不会起到重要影响作用分布广泛，并且(或许)对选择建筑物的设计、施工与运行方案有决定性影响作用开发地区发生的人为作用与变化对选择建筑物的设计方案和进行工程地质勘测不会起到重要作用对选择建筑物设计方案，进行复杂的工程地质勘测，特别是增加作业内容和勘测工程量

44、，表现出重要影响作用6.2寒区工程地质勘测的方法特点基于工程地质和冻土学的工作，所进行的地质调查和工程地质勘测，多年实践确定的原则是：大面积开始的勘测工作以快速而廉价方法完成，所不同的是精度较低，往后勘测面积减少，由于应用较昂贵的方法提高勘测精度和深度。可能采用某一种方法与所研究区的规模和研究细节无关，但在此之前须安排不同的课题，要求增加研究工作的密度。所提出的原则决定了阶段性工程地质和设计工作。如此，任何房屋建筑物的设计都要深入研究建筑场区的自然条件并逐步解决以下三个主要课题：1.根据对比以前的远景方案选择建筑场地(线路)；2.在所选择的建筑场地(线路)上布置房屋建筑物或编制建筑工程项目总平

45、面图；3.编制每个房屋建筑物地基的计算方案。选择建筑场地，意味着已经获得了对地基大范围总的认识。为了布置房屋建筑物，必须深刻了解建筑场地的冻土条件，而编制房屋建筑物地基的计算方案时，如果对每一房屋建筑物下的冻土剖面没有足够的认识则是不可思议的。在第一勘测阶段开展的工程地质研究，其研究范围实际上总是超出建筑物剖面图的范围，而勘测的深度明显大于活动区。这决定于建筑对象与冻土之间的相互作用具有复杂的新的特征，而冻土条件的变化所波及的范围，一般要比开发地区的范围更大。任何领域内的工程地质条件都是在两组因子影响下发生的：地带性的(现代气候条件)和区域性的(地质组构和构造特性)。它们之间的相互作用不能作为

46、简单的叠加来研究，而是一个复杂体系，在该体系中所有分量之间以及和周围环境之间互有联系，并且相互发生作用。在工程冻土测绘过程中将揭示和研究这种相互关系。工程冻土测绘包括野外综合测绘和室内研究，其方向在于查明季节冻土和多年冻土以及冷生过程与形成物的发生、发展的局部和总体规律。测绘过程所要解决的主要问题是：1，查明季节冻土和多年冻土的分布规律，及其取决于地质，地理条件沿平面和断面分布的断续性；2，研究冻土，正冻土，正融土成分，性质和冷生组构的空间变化，它们决定于土的地质年龄，成因和冷生过程动态；3，根据自然条件及其动态的分析，查明季节冻结-融化层底面，和零温年变化深度处地温形成规律性；4，查明季节冻

47、结-融化土层深度的形成规律，及其与自然环境因子变化有关的随时间变化动态；5，研究冻结层沿平面和剖面的厚度变化，埋藏条件和成层现象与该地区地质发展历史，现代自然条件之间的联系；6，确定融区的成因类型，形成发育特点，融区的分布与特征；7，查明冷生过程和其它地质作用和形成物的发育和分布规律；8，研究冻层与地下水和地表水在现代自然条件和历史背景下相互作用的特点；9，查明季节冻土和多年冻土以及冷生过程的工程地质特性，并作出地区国民经济开发前景的评价；10，分析建筑工程和其它开发方式的经验；11，确定与动力气候和区域地质历史有关的冻层发育历史。尽管工程地质测绘的主要原理和原则已成功地被用在冻土测绘中，但工

48、程地质测绘的工作方法迄今尚无统一标准。工程地质测绘工作方法，包括仔细研究关键地区工程地质条件与所有自然环境综合体之间的密切联系，首先是与土的地质成因类型之间的关系。阐明重点地区冻土条件形成的局部与整体规律性，提出按小区域景观划分的类似的自然条件。选择重点地段开展工作方法的研究，判释收集的资料，编辑类似于在冻土测绘工作方法(1979)区域地质测绘法(1980)，地质测绘作业指南(1986)等书所介绍的地质图。重点地段应能表征出冻土分布条件的典型性和局部地域性。在小比例尺测绘时，重点地段按规定应包括一些微地形景观，大比例尺测绘则主要反映某一种微地形。按照功能，一般性地段和特殊的重点地段区别是：前者

49、研究为划分微地形景观所特有的冻土条件的形成规律，后者则解决一些个别性问题(组建定位观测，研究施工经验等)。在任何情况下，重点地段应该包括主要土类的地质成因综合体，代表性地形，季节冻土和多年冻土分布最多的类型，主要的冷生过程与形成物，以及融区的主要类型、形式和地下水与它们的联系。为编制初步设计和设计任务书，以及制订施工文件所开展的工程地质勘测作业，应该是包括各个单独勘测作业的综合体。在整个勘测阶段所形成的的标准定额文件，实际上反映了建筑工程地区自然条件的概括性整理和汇总。这个阶段的工作应该包括总结施工经验，分析建筑物变形的原因，它们都受制于冻土冷生过程。要特别注意收集整理一些特殊冻土(盐渍化冻土

50、，富冰冻土，泥炭化冻土)和埋藏地下冰的分布情况，埋藏条件和物理力学性质，以及冷生过程的条件和发育原因。为了描述建筑工程的水化学和地球化学条件，并评估建筑物对自然条件的影响，要收集设计企业的用水地址和采热车间的位置，以及引入管线的配置状况。调查生产废液储存池，和坚硬的工业生产废料存放地点，分析所设计的排水系统，暴雨径流等等。地区开发时的冻土特征(温度，季节冻结与季节融化深度，冻土的物理力学性质)和冷生过程重大变化。充其量可能利用的只有岩层剖面和地貌组构的信息资料。在编制地区工程冻土区划草图时，可进行卫星摄影和航空摄影图片判释。这个工作建立在地形标识法的基础之上，如果工程地质测绘面积不小于2平方公

51、里，使用该法才是合适的。该法的要点在于利用当地(地形景观)外形特征，在地面和大气观测能很好地反映在航空摄影()和卫星摄影（）图片上，作为地质，水文地质和冻土条件的标志。在航空摄影与卫星摄影图片上可以追踪探查区域地层发生学，地貌，地植物，冻土，水文地质的界限，测算测绘区的湖泊度，沼泽化程度，森林覆盖率，地区的切割程度。对比不同年份的航空摄影资料，可以非常准确地查明勘测地区发生的这样那样的地质过程或冻土过程整个变化情况。积累的经验证明，应用重复航空摄影，研究热侵蚀，热喀斯特，冰锥，滑坡以及在开发寒区中所发生的其它过程是非常有效的。按预先选定的路线进行航空线路目测，包括区域地形-地质和地貌研究和地形

52、摄影。对实物目测和航空地球物理测量宜协同进行。根据航空目航测结果可以进行冻土-地质的航测照片判释，划分区域冻土-地质条件，解释地球物理观测(无线电定向，热测绘等等)结果。在编纂工程冻土初测图时，利用航测资料和航空摄影判释结果。还可用来作为确定工作方法和进一步开展地面研究工作的基础。在测绘时应先于其它地面野外作业之前进行路线观测，标明航空测量和航片判释的记号。主要路线的方向应保证覆盖区内主要的地貌，地质和冻土界限。在路线观测点上并沿着线路，应查明景观综合体的相互位置；描述地形，植被，土壤覆盖层，水文网；考查地质组构(根据岩石露头，露天采场，坑探和槽探)，冷生过程和现象；标明钻孔，试坑的地形标志，

53、地球物理剖面和检查孔的方向和地点。同时判释航片，编制景观标志图和景观综合体各个分量的相互关系表。在此勘测阶段基础上，要制订出区域冻土地质条件的统一评价方法。山地作业(炸破，槽探，坑探，井探，平洞，钻孔)在工程勘测中被用来解决以下问题：1.确定或校核地质剖面，冻土的埋藏条件和地下水的分布情况；2.采集岩土试件，测定其成分，状态与性质，采集水样和冰样测定其化学成分；3.开展土壤野外调查；4.水文地质和地球物理调查；5.定位观测；6.揭示和圈定外源性地质和冷生过程出露区；7.测定冻结层和季节融化层的埋深，厚度，冷生组构，地下冰形成物，地温和湿寒土等等。选择山地作业的方式取决于工程地质勘测的任务，山地

54、作业的预定目的要考虑岩土的产状条件，成分和状态。野外研究冻土指标可保障最详细而充分的取得冻土地质断面的数据，并解决以下主要问题：1.根据土的成分，性质，冷生组构和地温，划分冻土地质断面和工程地质单元；2.测定冻土和正融土以及地下冰的成分，状态和性质(物理性质，热物理性质，力学性质)；3.评价冻土和地下冰成分，冷生组构，状态和性质的空间变化；4.研究土体冻结和融化时的垂直位移；5.评价静荷载作用下冻土和地下冰中桩基的承载能力；6.测定正融土体在热压模加载情况下的沉降量和压缩性。冻土和正融土及地下冰野外研究方法的选择，决定于研究课题和所要研究土的性质，设计阶段，所设计的建筑物的特征，工程地质条件的

55、复杂性，以及可能利用冻土作地基的建筑原则(表6.3)。在设计基础，敷设地下管线，管道，其它结构物以及自然保护措施时应确定：1.天然含水量下所测得的天然季节冻结和季节融化层深度；2.根据无植被覆盖场地多年观测资料所得到的最大标准季节融化深度，在预报土壤含水量变化时应考虑春季雪被可能的影响；3.通过标准深度，考虑具体结构物的影响，求出土体季节融化和季节冻结设计(计算)深度；4.天然条件下冻土和融区的年平均温度。表6.3考虑设计阶段和利用冻土原则下新开展的冻土和正融土的野外研究工作土的野外研究方式设计任务书阶段设计阶段施工文件阶段冻土和融土密度+塑性冻土压模静载试验-+-+原状土剪切试验-c-c-桩的静载试验-cc+土冻结，融化时的垂直位-cccc注：，-利用冻土原则，“+”-必需完成的测定项目；“-”-无需完成的测定项目；c-特殊房屋需要进行测定的项目 在全俄建筑标准()24847-82，25358-82和26262-85中介绍了这些指标的测定全俄方法。规划冻土和冰的成分与物理指标的研究工作，决定于可能采用的建筑原则。如果当地的自然条件和工程项目的技术指标在规划开发范围内允许保持土的冻结状态，则应特别注意收集年平均地温和沿深度分布的资料，以及地基土体和冰的强度，变形和热物理性质数据。在这种情况下测定融土的指标具有次