小兴安岭地区的多年退化性冻土研究

1、五汤公路多年退化性冻土挖除研究课题研究报告编制单位：伊春市交通路桥建筑有限公司 五汤公路第一标段项目经理部二0 0 五年九月目 录1.1 工程概况31.2 小兴安岭多年退化性冻土的分布及特征41.3 道路冻土工程地质类型的划分111.4 多年冻土对构造物的危害111.5 五汤公路沿线多年冻土的分布、工程地质特征、地基稳定性的评价 121.6 多年退化性冻土挖除试验161.7 对多年冻土地区路基设计的几点认识24附多年冻土挖除现场实地照片1.1工程概况黑龙江省小兴安岭地区是我国高纬度多年退化性冻土主要分布地区之一。小兴安岭多年退化性冻土属高温多年冻土不稳定冻土地质类型，多年冻土的热融沉对路基的影

2、响，一是稳定性问题，二是变形问题，这是工程地质中的技术难题。本文主要探讨分析小兴安岭地区多年退化性冻土的分布和特征等问题，以及多年退化性冻土挖除试验段的试验情况，试图加深探讨对多年退化性冻土的认识，研究探索挖除多年退化性冻土的技术，这将对保证工程质量具有重要的义意。多年退化性冻土是我省北部地区筑路过程中遇到的技术难题之一。由于近年来高等级路面公路逐年向北部边远地区发展，因此工程地质中多年退化性冻土问题越来越引起重视。多年退化性冻土在小兴安岭地区修筑哈伊、鹤伊、伊五以及北黑公路时相继发生。目前修建的伊嘉公路五营至汤旺河段是小兴安岭地区多年退化性冻土在冻土工程地质中最典型、最严重的区域。多年退化性

3、冻土主要的公路工程地质问题是多年冻土的热融沉，导致公路路基产生较大的不均匀融沉变形，这一直是国内外研究的课题。我们单位在这里做了挖除试验，以取得新的处理多年退化性冻土的经验，下面就小兴安岭地区的多年退化性冻土挖除试验情况探讨分折如下：1.1.1小兴安岭地区的气候和自然地理特征我省靠近素有寒极之称的西伯利亚，是全国气温最低的省份，全年有5个月的时间月平均气温在0以下。小兴安岭地区位于黑龙江省东北部，地处东经12703130046，北纬4602849026之间，属中高纬度。中心城市伊春市位于小兴安岭腹地，行政区划面积32872Km2。小兴安岭地貌表现为相对高度不大的低山丘陵和丘陵性高原，海拔高程平

4、均400m左右，总的地势是西北部和东南部高，中部较低。地貌特点是山岭浑圆，洼地平缓，山地与山间谷地相间排列，在地形上呈高平原状态。小兴安岭气候属亚寒带大陆性季风气候区，历年平均气温在-1.01.8之间，历年平均降雨量630mm，历年最冷月平均气温-23.9，大地冻深历年观测平均值233cm，计算冻结指数为2671（度·日）。大小兴安岭是我省多年冻土的唯一分布地区，也是我国高纬度多年冻土的唯一分布地区，大小兴安岭多年冻土面积38.2×104km2，占全国多年冻土面积的17.8%。小兴安岭地区在全国公路自然区划气候分区中属2区，为多年岛状冻土区和深季节冻土区。1.1.2伊嘉公路

5、五营至汤旺河段的水文地质条件伊嘉公路五营至汤旺河段主线为南北偏东走向，其地理位置在东经129021129037,北纬4801148027之间。路线所处位置为小兴安岭的腹地北部，沿汤旺河沟谷行走，跨越多处沼泽湿地，地表水丰富，沿线植被基本为桦木、落叶松次生林以及灌木丛和塔头草甸植物。路线所经地区为亚寒带大陆性季风气候区，年平均气温0，极端最高气温37，极端最低气温45，季节性最大冻深2.6m。年降雨量为700mm左右。本线路对地基土壤产生影响的水体主要有：地表水、地下水和地下冰。地表水主要分布于河流、沟谷溪流、沼泽湿地等。其水量的大小主要决定于大气的降水量。78月份是全年的主要降雨过程，约占全年

6、降水量的50%以上。地下水主要赋存于基岩的空隙、裂隙以及第四系松散层中的孔隙水。地下冰主要以固态的形式分布于地下多年冻土层中，饱冰冻土、含土冰层其含水量一般可达4080%以上。地下冰是多年冻土的组成部分，很少参与地下水的循环。只是多年冻土上限冻结层上水和多年冻土下限冻结层下水，参与地下水的循环过程。本线路穿越大片沼泽湿地，处于多年退化性冻土区。厚厚的草炭和腐殖土覆盖在地表上，地表生长着茂盛的塔头草，其下发育着多年冻土。1.2小兴安岭多年退化性冻土的分布及特征凡是温度在零度或零度以下，并且含有冰的各种冻结状态的土体，叫做冻土。公路冻土即公路内的冻土，它是公路具有的特殊外形条件在冷空气作用下，所形

7、成的冻土。由于公路是修建在地表上的，因此它与原地面及其以下的冻土又密切相关。冻土是在寒冷湿润气候条件下形成的一种特殊自然现象。冬季冻结，夏季全部融化的土层，称为季节冻土。冬季冻结，一、二内年不融化的土层称为隔年冻土。冻结状态持续多年（一般三年以上），长期不融的土层称为多年冻土。小兴安岭多年冻土区处于欧亚大陆高纬度冻土区的南部地带，其冻土分布明显受纬度地带性控制。小兴安岭多年退化性冻土属中高纬度冻土，分布在北纬47以北地区。我省多年冻土的南界由西北方向从蒙古国进入我国东北部境内，西从内蒙的阿尔山附近经扎兰屯向东北方向黑龙江讷河以北、德都、北安，沿小兴安岭西南麓到达伊春境内，见东北地区大小兴安岭多

8、年冻土分区图1（经作者修改）。图1 东北地区大小兴安岭多年冻土分区图小兴安岭多年冻土的南界线在年平均气温11之间通过。根据有关资料和多年的实践，小兴安岭地区（伊春市境内）多年冻土南界从铁力北关开始位于北纬47005，路经带岭、南岔、金山屯以北，向北东方向嘉荫和萝北之间延伸，到达黑龙江沿岸，进入俄罗斯境内，见伊春市境内多年冻土分布图2。 图2 伊春市境内多年冻土分布界线图在中国冻土分布图中可以看出（章伯良、周幼吾1975年编），我省多年冻土分布并不是与纬度平行的，而是呈“W”型分布，小兴安岭多年冻土处在“W”型突出部位，即向南弯绕，这是由于小兴安岭特殊的地形、地貌所致。同时小兴安岭南界多年冻土线

9、与年平均气温0等值线相吻合，见年平均气温等值线分布图3，这也是经实地考察对照的结果。图3 年平均气温等值线分布图多年冻土在水平分布上，自黑龙江最北端向南由连续、断续至消失，在垂直分布上由厚层退化至薄层而消没。根据地质时期和历史时期的气候变迁，有关研究表明，小兴安岭地区多年冻土是晚更新世与新冰期寒冷气候的产物。小兴安岭多年冻土具有地温高、厚度小、不稳定、对工程危害大的特点，主要有以下几个特征：1、在平面上多年冻土被非多年冻土岛分割、包围而呈不连续状态，常称岛状冻土，当地老百姓叫“常年冻”。在垂直方向上经钻探和坑探季节性冻土与多年冻土上限是衔接的。但是在多年冻土融区，由于多年冻土的退化，上限严重下

10、移，可能出现在垂直方向上不连续的状态，如在伊春区附近沟谷中多年冻土在3m以下埋深退化仅剩50cm厚度。2、小兴安岭多年冻土处在强烈的多年冻土退化区。经钻探在伊春区附近花果山沟谷中多年冻土厚度退化至仅剩0.5m。在伊春上甘岭、红星林业局伊嘉公路旁有多年冻土热融坑和热融沟。翠峦林业局解放经营所哈伊公路45km处有热融湖。这些迹象表明小兴安岭多年冻土是处于强烈的退化趋势。五汤公路k8+950k21+400是多年冻土分布最多的地段，其中多年冻土断断续续在平面上是不相连续的，冻土岛与非冻土岛之间的土质条件并无明显的差异，显见该孤残冻土岛应是近期冻土退化后的残留部分。 根据气象资料表明，年平均气温的变化趋

11、势是在升高。 我省北部地区从1980年到1999年的年平均气温据统计升高了1.7 。 这也是多年冻土退化的主要原因。3、小兴安岭地区多年冻土带的轮廓线形态即多年冻土带的南界摆动在年平均气温等值线1.0-1之间。这是由于受地表层土壤含水量较大，地表水丰富，塔头草炭层阻碍了地温升高，延缓了多年冻土的退化速度，形成温度位移所至，所以多年冻土岛会在年平均气温0地区存在。4、目前小兴安岭多年冻土仅分布在沟谷谷地及支谷地带，这是零星残存的多年冻土。据有关资料和观测表明，谷底年平均气温要比山岭低34。沟谷地带发育着以塔头草为主的喜水草甸植物，沼泽湿地在本线路所经之地普遍，尤以河流阶地，沟谷、支谷最为发育。在

12、平绶的山坡上也常常分布着沼泽湿地，是高位沼泽湿地，称为林间塔头湿地。地表发育着厚层的草碳、泥碳和腐殖土，地表水极其丰富，不仅具有保温作用而且具有较强的蒸发耗热能力。岛状多年冻土的存在为沼泽湿地提供了良好的发育条件，沼泽湿地的发育也同时为多年冻土延缓了退化速度。1.3道路冻土工程地质类型的划分道路冻土工程地质类型是按地温的高低来划分，小兴安岭多年冻土可分为高温多年冻土（岛状冻土）不稳定冻土工程地质类型和深季节冻土工程地质类型。小兴安岭地区多年冻土区域地表温度一般在01之间，故认为属高温多年冻土不稳定冻土工程地质类型。冻土地表温度见表1。多年冻土地温观测值表1序 号厚 度（m）地 温（）特 征14

13、.00.33富冰冻土，北坡向阳23.50.06富-饱冰冻土，洼地34.40.4富-含土冰层，洼地43.30.1饱-含土冰层，洼地54.90.98多冰-富冰冻土64.20.13多冰-富冰冻土（采用北黑公路小兴安岭区域观测值）1.4多年冻土对构造物的危害多年冻土对工程的危害主要是冻土热融沉后引起的构造物沉降变形，失去稳定性。1993年修建的哈伊公路，当时缺少钻探资料，多年冻土没有进行挖除，也缺少对多年冻土的认识，采取了筒易的保护措施。有5km路基第二年开始发生严重的沉陷，严重处沉降80cm。1998年修建鹤伊公路时发现局部地段多年冻土，进行了局部的挖除，但是仍然发生局部沉降50cm之多。2002年

14、修建的伊五公路，经钻探有四段多年冻土，由于埋藏厚度较薄，基本挖除，目前使用良好。伊春五营森林公园附近的石拱桥，一侧桥台坐落在多年冻土之上，拱脚、侧墙被拉裂。五营至汤旺河公路的涵洞位于多年冻土之上，地基虽然置换了砂砾，但是八字墙依然沉降，与立墙拉裂变形，拉裂宽度达10cm以上。由此可见多年冻土对构造物的危害是十分严重的。1.5五汤公路沿线多年冻土的分布、工程地质特征、地基稳定性的评价伊嘉公路五营至汤旺河段主线全长44.8km，其中多年退化性冻土7.555km，占主线长度的16.9%。共有多年冻土78段，其中多冰冻土4段，长度为830m；富冰冻土5段，长度为510m；饱冰冻土37段，长度为3202

15、m；含土冰层32段，长度为3013.5m。五汤段多年冻土按冻土工程性质分类，种类齐全，但多为富冰冻土、饱冰冻土及含土冰层，以饱冰冻土和含土冰层分布为主。冻土构造多为层状、斑状，基底状，属融沉型、强融沉型及融陷型。其融化后含水量最少的层次一般在40%以上，有的层次高达100%以上，最厚层状冰厚达40cm左右，图片4是含土冰层的挖掘断面。图片4 含土冰层冻土分布特征见表2（节选）。在这样地段筑路，使公路路基长期处于不稳定状态，导致路基严重失稳、下沉，以至变形破坏。多年冻土分布特征表表2桩 号长度（m）上限（m）下限（m）厚度（m）平均含水量w%特征K9+850-K10+0001501.59.07.

16、5100厚层状基底状构造含土冰层K13+580-K13+7201401.08.57.590斑状、基底状构造含土冰层K20+650-K20+7701201.58.06.550厚层状构造含土冰层K36+000-K36+1001000.59.59.090基底状斑状构造含土冰层根据地质钻探资料和多年冻土开挖过程的观查，多年冻土上限仅0.5m1.5m左右，多年冻土下限一般在310m左右。汤旺河、乌伊岭地区上限在0.5m左右，汤旺河以南地区上限在0.5m1.5m，见地质剖面图5。 图5 五汤路比较典型的冻土段地质剖面图 随着气候的变暖和人类的活动，多年冻土中的地下冰会逐渐融化，地基的排水固结过程会是漫长的

17、，哈伊公路多年冻土段至今已近10年时间路基仍不稳定继续下沉。因此，路基稳定性、变形问题是多年冻土地区重要的课题。多年冻土的融沉对建筑物的危害性最大，故多年冻土的分类以考虑融沉为主，并以融化下沉系数A（%）作为分类的标准，按融沉系数大小将冻土融沉性分为五级，见表3。融沉分级表 表3融 沉分 级不融沉弱融沉融沉强融沉融陷融化下沉系数A（%）115510102525按3m融深计算的融沉总量cm33151530307575五汤公路多年冻土路段总长度7555km，冻土分布复杂多变，取决于冻土融沉性的主要根据是冻土的土质和含冰量，以此来确定冻土的工程性质。依据JGJ11898冻土地区建筑地基基础设计规范，

18、对五汤公路多年冻土按融沉性进行分类，并对地基稳定性进行评价，为开展试验段工作提供科学的依据。五汤公路全线多年冻土地基稳定性评价见表4。五汤公路多年冻土地基稳定性评价表4桩 号冻土类型融沉性冻土特征地基稳定性评价K11+180-K12+050K13+180-K13+240多冰冻土弱融沉整体状层状构造冻土工程地质条件良好，地基较稳定，路基产生较小变形，总沉降量15cm。K20+300-K20+700K31+615-K34+000富冰冻土融沉层状构造冻土工程地质条件较差，地基不稳定，地基产生融沉，路基产生一定变形。K9+950-K10+100K12+050-K13+000K17+000-K20+00

19、0饱冰冻土强融沉层状、厚层状斑状冻土工程地质条件极差，地基极不稳定，地基产生强融沉。路基严重变形。K3+970-K9+950K10+100-550K15+000-K17+000K22+400-K23+150K34+900-K41+470含土冰层融陷厚层状、基底状冻土工程地质条件极差，地基极不稳定、地基产生融陷，路基严重沉陷变形。由表4可见，五汤公路多年冻土段以多年冻土层作为地基时，都会产生不同程度的融沉变形，所以要采取技术措施来进行处理。1.6多年退化性冻土挖除试验小兴安岭多年退化性冻土是高温冻土不稳定工程地质类型，对气候、温度、周围环境等十分敏感，又处在强烈的退化区域，所以对小兴安岭多年退化

20、性冻土在道路工程中一般不采用保护设计。我们也同时吸取了哈伊公路多年冻土段融沉的教训，因此对于多年冻土采取了清除的方法，也是一种破坏性试验，见图片6。图片6 挖除冻土在清除多年冻土中，没有按原设计的清除深度施实。原设计清除深度0.52.0m不等，给0.4m工后沉降量，下面是何种类型冻土均不考虑。针对这种情况，我们采取了以下的挖除试验方法：1、试验的依据和原则 首先制定挖除试验方案，召开著名专家论证会，明确理论基础，确定方案的可行性、可推广性、经济性。 从目前钻探和坑探资料看，本线路多年退化性冻土与季节性冻土是衔接的，属衔接多年冻土。季节融化层0.5m0.8m为塔头、草碳、腐质土，以下大部分为淤泥

21、质粘土，其孔隙比大于1，含水量30%50%以上，具有高压缩性，实际上就是软弱土层，因此这一层次是必须清除的，见图7。图7多年冻土挖除试验柱状示意图对于季节融化层以下的多年冻土，随着气温的变化，人类工程的活动等因素，多年冻土中的地下冰会逐渐融化，排水固结过程时间相当长，使地基长期处于不稳定状态，导致路基沉陷、失稳、变形。因此我们采取的基本原则是挖除不稳定冻土，保留比较稳定的冻土，冻土挖除情况见表4。 冻土挖除深度表表4桩 号挖除冻土类型设计挖除深度(cm)实际挖除深度(cm)清除冻土的含水量槽底冻土类型K8+950K9+025含土冰层13038572.2%多冰冻土中粗砂K9+659850含土冰层

22、10060056.7200%多冰冻土粘性土加砾石K10+450550含土冰层80476173.2%少冰冻土中粗砂K13+580720饱冰冻土含土冰层90673185.7%多冰冻土亚粘土K20+200350饱冰冻土含土冰层170477118.3%少冰冻土多冰冻土中粗砂砾层K22+407.5450含土冰层8032947.1%少冰冻土多冰冻土砂砾层K35+880900含土冰层15035266.5%多冰冻土粉质粘土加砾石2、对挖除冻土进行划分类别按照冻土地区建筑地基基础设计规范（JGJ11898）依据表4，按照冻土的含水量、土质参数确定融沉分级。富冰冻土、饱冰冻土、含土冰层，属不稳定冻土。少冰冻土、多

23、冰冻土层属较稳定冻土。按工程性质划分主要可分为融陷、强融沉、融沉，属于不稳定冻土。对于不稳定冻土层融化后融沉变形严重，全部清除。稳定冻土层融化后不融沉或轻微融沉，予以保留。全线共有多年冻土78段，采取不同深度挖除措施的76段。为便于多年冻土路段路基稳定性处理的工程应用，对多年冻土路段和冻土层稳定性划分规定如下：不稳定冻土层：融沉系数 > 5 冻土工程类别：含土冰层、饱冰冻土、富冰冻土融沉等级：融陷、强融沉、融沉总含水量w > wP+7（粘性土），w > 18（粉、粘粒含量较少的粗颗粒土）稳定冻土层：融沉系数 < 5 冻土工程类别：少冰冻土、多冰冻土融沉等级：弱融沉、不融

24、沉总含水量w < wP+7（粘性土），w 18（粗颗粒土）3、地质核查核查内容：多年冻土上限、下限；多年冻土土质类别；多年冻土总含水量；多年冻土塑限含水量；4、技术方案召开专家论证会，论证技术方案。现场跟踪检测含水量，同时确定冻土土壤类别。根据含水量土质确定冻土工程类别。挖试坑察看下层冻土变化情况，见图片8。图片8 冻土试坑按冻土分类挖除不稳定冻土，相对保留比较稳定冻土。多年冻土清除总深度为h1+h2，见上图7。多年冻土及其上部季节融化层清除后回填天然砂砾，路基宽度两侧各加0.5m。为防止路基不均匀沉降，于砂砾层上铺设二层塑料土工格栅，见图9图9土工格栅设置图5、施工技术要求 施工季节不

25、受限制，既可以冬季施工，也可以夏季施工。既可以爆破开挖冻土，也可以逐层融化后机械开挖冻土。回填砂砾应按常规进行压实和检测。砂砾含土量不应大于5%。6、沉降观测 允许融化的稳定冻土层为中粗砂冻层时，可不进行沉降观测，对于允许融化的稳定冻土层为粘土冻层时，应进行沉降观测，并设置长期观测点和临时观测点，同时于观测断面附近设置永久性水准点。我们对几个断面的观测沉降情况见表5。沉降观测值一览表 表5桩 号沉降值（cm）总沉降值（cm）观测日期备 注左右左右K16800000020040610352835282004080420305558200409153055851132005052010159512

26、820050824桩 号沉降值（cm）总沉降值（cm）观测日期备 注左右左右K16750002004061029292004080465942004091515109200507280511420050824历经14个月的观测，从表5的沉降值看出，两个断面的总沉降量分别为128cm和114cm。通过观测，多年冻土还是有轻微变化的，挖除与不挖除是有较大区别的。还将继续观测，以确定工后沉降情况，以及后期对挖除试验进行评价。7、关于对挖除试验的看法A 对多年冻土的挖除工艺，浅挖除比较容易（3m以内），深挖除比较困难（3m以上）。而且冻土比较坚硬，挖掘机不容易挖掘，只有采用爆破的方法施工。冻土融化以后

27、基本上是水和泥的混合物，更不好挖掘。多年冻土含土冰层有时埋藏3m以下，在3m以下这个层次冰的含量多且厚，含水量多达100%以上，在五汤公路多处出现这个现象，挖掘深度达6m左右。挖掘这样深，施工难度相当大，造价提高也相当大，工后沉降效果如何，也是未知数。因此建议在多年冻土地段，采取自然融化的方法，斩时修筑砂石路面或其它筒易路面，待沉降结束后再修筑高级路面。这是最为可行的办法，既节省造价，又对交通没有什么大的影响，这也是我们施工五汤路的深刻教训。B 挖除多年冻土置换砂砾，是挖一条长方形的长槽，长槽的侧壁仍是冻土层，当侧壁融化坍塌，造成路基换填部分侧向变形，路基被纵向开裂，这也是待研究的问题。1.7对多年冻土地区路基设计的几点认识1、工程地质调查与勘探对多年冻土地段的工程地质调查与勘探目的是为施工图设计提供完整的工程地质资料。多年冻土结构、构造的差异性造成冻土自身的含水量、密度在水平和垂直方向上的不匀均性。实践证明冻土层在水平方向上相距数米甚至几十厘米其含水量、密度就有很大变化。在垂直方向上其含水量、密度变化更大，其含水量的