中图法分类号: P642. 14 文献标志码: A 文章编号: 1001 - 4179 (2010) 07 - 0058 - 04
Characteristics of frozen soil in South China under extreme clima tic conditions of snow and ice
WANG Lu, SUN Yunzhi, GUO Qilin,MA Guisheng, ZHANG Zhengqing
Abstract: Through investigation and experimental research of surface soil distributed in J iangxi, Hunan and Guangxi p rovinces, we carried out p reliminary study of frozen soil in South China under extreme climatic conditions of snow and ice. We believe that frozen soil in South China can be divided into two categories, namely, short - time frozen soil and transient frozen soil.We analyzed the distributing area, expansion level and harmfulness of frozen soil, which would be a scientific basis for p revention of geological hazards induced by frozen soil under extreme climatic conditions of snow and ice.
Key words: characteristics of frozen soil; extremely climatic conditions of snow and ice; engineering characteristics; South
China
冻土,一般是指温度0℃或0℃以下、含有冰的各种岩土和土壤。它是一种复杂的多相、多成分的复合体。在结构上呈毛细多孔状,整体上表现出非均匀和各向异性。根据冻结状态及保持时间的长短,可分为瞬时冻土(数小时至数日) 、短时冻土(数日至月) 、季节冻土(月至数月)和多年冻土(数年以上) 。冻土不论是其成分、组构、物理力学性质,都与非冻土有很大的差异,特别是冻土与环境之间的相互作用,也较非冻土复杂,它对外界温度、压力和水分条件变化较敏感。
我国南方地区(本文特指三峡库区及长江以南地区)正常年份低于0℃气温持续时间一般较短,偶尔形成瞬时冻土,冻胀量不大,不足以产生冻害,对工程影响不大。但是,在1964、1969、1977、1984、2008年发生过持续低温与持续降水,即极端冰雪气候天气,形成冻土。特别是2008年,南方部分地区普降大雪,最低气温降到- 10. 8 ℃,低温天气持续20 d,短时冻土导致的危害引起国家和全社会的高度重视,因此对其进行深入研究是非常必要的。
1 南方冻土的类型与判别
1. 1 南方极端冰雪气候条件
2008年冬季受拉尼娜事件爆发过程影响,我国冬季气温的大面积偏低,造成50 a一遇的低温雨雪冰冻灾害。引发我国南方冰雪的直接原因除拉尼娜事件外,还有欧亚中高纬度和热带地区出现的大气环流异常,而大气环流的异常又与海温、太阳辐射能量的变化等有着密切的关系。可能造成地质灾害的南方极端冰雪气候的主要特征是指:低温持续天数不小于8 d;过程平均气温不大于- 0. 50℃ (或平均最低气温不大于- 2. 2℃) ;过程降水总量不小于19 mm;出现时间在12月至次年2月的冬季,范围在南方大部分地区。
冰雪过程造成地质灾害的决定因素除了气温、降水总量、持续时间外,还和降水性质及其时间变化以及低温与雨雪变化的位相密切相关,因为它决定了土壤冻融交替的特征。这样的过程极易引发地质灾害的发生。按照这种条件, 1960 - 2009年我国南方共出现过5次极端冰雪过程:即1964年2月16～25日、1969年1月28日至2月6日、1977年1月27日至2月4日、1984年1月17～28日、2008年1月13日至2月2日(见表1) 。
1. 2 南方冻土的类型
我国南方地区冻土类型主要为两类,即短时冻土和瞬时冻土。其特点为:
(1) 时间短,冻土的形成与气候的急剧变化关系密切,主要受气候的短时变化影响,一般不超过1 个月；
(2) 冻土层稳定性较差,短时间内性质变化较大;
(3) 温度昼夜变化大,低温不稳定,且不是很低,最低- 9. 5 ℃;
(4) 冻土厚度不是很大,一般冻深较浅;
(5) 冻结与融化交替相互作用,冻胀与融沉危害并存;
(6) 土的含水率较高,过程降水量最大46. 0 mm,极端条件下由于外界冰雪雨水的不断渗入,在融化期,土几乎都是处于饱和、超饱和状态,力学性质变化较大,是导致地质灾害的隐患之一。
表1 极端气候特征参数
1. 3 冻土的判别
影响冻土分布的因素主要有气温、土的类别(主要包括土的物理、化学成分,土的颗粒组成和土的密度) 、土中含水率及补给条件、地势和坡度。气温是影响土冻胀的主要外因。岩性是决定土冻胀敏感性的内部因素,当温度等外部因素一定时,岩土体是否产生冻胀的主导因素为土体的物性指标。应用《冻土工程地质勘察规范》(GB50324 - 2001) ,对江西、湖南、湖北及广西地表天然土体冻胀性进行初步判别,成果分别见表2～9。由表可知,我国南方地区粘土、粉质粘土、粉土冻胀等级为Ⅱ级～Ⅳ级,冻胀类别主要为弱冻胀—强冻胀;粉砂、粉细砂、细砂冻胀等级为Ⅰ级～Ⅲ级,冻胀类别主要为不冻胀—弱冻胀。
表2 江西省鄱阳湖区粉质粘土、粉土和粉细砂冻胀等级与类别判定
注: ω为含水时量;ωp 为塑限。
2 南方冻土的工程特性
2. 1 南方冻土区地层岩性特征
(1) 分布范围。通过前述对江西省、湖南省、湖北省及广西壮族自治区现场取样进行冻土的判别成果,结合所收集的地质资料综合分析,各省、自治区冻土的主要分布范围如下:
表3 江西省九江市周边辖区粘土、粉质粘土冻胀等级与类别判定
表4 湖北省三峡库区粉质粘土冻胀等级与类别判定
表5 武汉市武昌青山区耕质土、粘土冻胀等级与类别判定
表6 江汉平原北部兴隆地区粉质粘土、粘土、粉砂冻胀等级与类别判定
表7 湖南省洞庭湖区粘土、细砂冻胀等级与类别判定
表8 湖南省郴州地区红粘土冻胀等级与类别判定
表9 广西萧山地区粉土、粉质粘土、红粘土冻胀等级与类别判定
江西省主要分布在赣江及抚河、信江、鄱江及修水等主要水系河谷地带、鄱阳湖平原、赣抚平原及长江南岸。土体成因类型为上更新统(Q3 )河湖型沉积物和河流型河漫—洪泛沉积的泛溢层、全新统(Q4 )河湖类型松散沉积物、河床相、河漫相及河口三角洲相,另外山坡、岗顶广泛分布残坡积堆积;湖北省地表第四纪地层分布较广泛,约占全省总面积的20%左右,可划分为3个第四系沉(堆)积区:鄂西区、鄂东北区、汉江平原区。土体广泛分布于长江及其他水系的两侧构成的低级阶地、汉江平原及其它平原的中心部分及湖泊的周缘。成因类型主要为上更新统(Q3 )的江河泛溢相沉积及全新统(Q4 )的松散沉积物及冲积相、湖沼相类型的沉(堆)积。依据对不同土类物理性质的初步分析,绘出1∶50万冻土分布图(见图1) 。湖南省地表第四纪地层比较发育,土体主要分布于洞庭湖盆地和湘、资、沅、澧四水流域河流两侧构成的低级阶地和洞庭湖周缘。成因类型为上更新统(Q3 )江河泛溢相沉积,全新统(Q4 )主要为冲积层和湖泊沉积层。广西自治区地表土体主要分布在大小河流谷地,构成一级阶地、二级阶地和冲积平原,成因类型主要为上新统(Q3 )和全新统(Q4 )的河流沉积相。可见南方冻土主要分布于河流两岸一、二级阶地、冲积平原,河漫滩、河流三角洲以及湖泊盆地和湖沼相沉积区。
图1 湖北省冻土分布
(2) 地层岩性特征。南方地区可能发生冻结的岩性主要为粘土、粉质粘土、粉土、耕质土、粉细砂、细砂。另外以粗颗粒土为主的残坡积土,自然条件下松散、天然含水量小,为不冻胀—弱冻胀,极端条件下含水量增大,冻胀性会随之增强;四省区的粘土、粉质粘土、红粘土冻胀等级多为Ⅲ级、Ⅳ级,冻胀类别多为冻胀,强冻胀,粉砂、细砂冻胀等级多为Ⅰ级、Ⅱ级,冻胀类别多不冻胀、弱冻胀。冻胀程度与岩性关系密切,粗颗粒砂土,由于水的自重作用及粗颗粒土易于排水,含水量一般较小,土体在冻结过程中,原位水冻结产生的冻胀量有限,外来水的补给对其影响不大,因此冻胀量也不大。对于颗粒粒径小于0. 002 mm致密的粘土,由于其导水能力很弱,未冻水不易向冻结区迁移,其冻胀量也不大,颗粒粒径为0. 05～0. 002 mm的粉质粘土,具有较大的冻胀性。当外部低温条件时,土体将产生较强的冻胀作用,特别是雪水融化后入渗更加剧这种作用。
2. 2 南方冻土的工程特性
(1) 物理特性。冻土的物理特性指标主要有冻土的物理性质和冻土的热物理参数。冻土的物理性质包括冻土的含水率、冻土含冰量、冻土中的未冻水含量、冻土的质量密度等。冻土的热物理参数主要有比热、导热系数、相变热、导温系数等。它们与冻土的物理-力学性质有着密切关系,是研究冻土内在规律性的重要指标。
本次研究选择岳阳、咸宁粉质粘土、郴州红粘土等进行冻土的未冻水含量、比热、导热系数室内试验,成果见表10和表11。
表10 不同负温条件下的未冻水含量测定成果
表11 南方冻土工程特性指标测试成果
表10为不同温度及含水量条件下冻土未冻水含量测试成果。未冻水使土颗粒被冰胶结的强度下降,冻土的强度降低,对冻土的性质影响极大,冻土中的未冻水含量不是定值,随负温和含水量的变化而变化。在相同的负温条件下,未冻水含量受其土质、含水量等因素的影响,随含水量的增大而增大;在相同的含水量条件下,未冻水含量随温度的降低而减少,当温度低于- 10℃时,其未冻水含量随温度的减小速率减缓。
表11为不同温度条件下冻土的导热系数、比热测试成果。根据试验成果,土体导热系数受土质、干密度、含水量(含冰量)和温度的影响,尤其温度的影响明显:温度越低,导热系数越大,尤其是土体从融化状态转变为冻结状态后,导热系数显著增大。温度越低,比热越小。干密度越大,导热系数越大,由于近饱和状态时的温度下降比干燥时的温度下降快得多,饱和状态下的冰冻移动面移动比干燥状态下的冰冻移动面快得多。
(2) 力学性质。冻土的重要特征是土中有冰存在,它使得原来松散状态的介质表现出固体的性质,冻结时抗压强度增大,压缩性减小,冻土的强度和力学性质与温度及含水量有很大关系。本次对不同地区的土取样,测试冻土单轴抗压强度在天然含水量和饱水后在不同温度条件下的变化规律,试验结果见表12。
表12 不同条件下冻土单轴抗压强度测试成果
可以看出:随着温度的升高,冻土的破坏应变呈现出增大的趋势,冻土的塑性增强,呈现出塑性破坏的形式。不同温度下饱水后冻土的破坏应变也表现出增大的趋势,饱水后冻土的塑性增强,这是由于温度较高( - 1℃)时,饱水冻土中的未冻水含量很高,未冻水体积含量越高,冻土的粘性就越强,有利于冻土产生塑性变形,同时,高含冰量冻土在高温状态下,冰胶结物本身的强度很小,有利于发生塑性变形。低含水量冻土发生脆性破坏主要是由于在该含水量状态下冻土处于非饱和状态,冰对土颗粒的胶结由于存在内部空隙,因而存在缺陷;当变形达到一定量级时,冰胶结物遭到破坏,形成微裂隙,最终形成连续剪切面。
抗压强度随温度的降低而增大,相同温度下,饱水后的强度大于等于饱水前的强度。这是由于冻土的力学性质很大程度上取决于温度,随着温度的降低,冰胶结物的联结增强,未冻水含量减小,水薄膜厚度变薄,冰胶结物本身的强度增大。
饱水后冻土的抗压强度相比饱水前有增大的趋势,且增大的幅度随着温度的降低而增大。当温度较高( - 1℃)时,饱水前后冻土的抗压强度基本一致,随着温度的降低,饱水后的抗压强度相比饱水前呈现出明显增大的趋势。
3 结语
极端冰雪气候条件下,南方地区冻土类型主要为短时冻土和瞬时冻土;冻土主要分布于河流两岸一、二级阶地、冲积平原、河漫滩、河流三角洲以及湖泊盆地及周缘;其中粘土、粉质粘土、红粘土的冻胀等级多为Ⅲ级、Ⅳ级,冻胀类别多为冻胀,强冻胀,粉砂、细砂冻胀等级多为Ⅰ级、Ⅱ级,冻胀类别多不冻胀、弱冻胀;冻土导热系数、比热受温度的影响明显,温度越低,导热系数越大、比热越小;冻土的破坏应变呈现出增大的趋势,冻土的塑性增强,抗压强度随温度的降低而增大,相同温度下,饱水后的强度大于饱水前的强度。冻土在冻结向融化状态转变时力学性质的变化可能对人工构筑物基础(如道路及水工建筑物)产生不利影响;可能加剧浅层滑坡变形、边坡失稳,以及导致老滑坡的复活。
参考文献:
[ 1 ] 周幼吾. 中国冻土[M ]. 北京:科学出版社, 2000.
[ 2 ] 陈肖柏. 中国冻土灾害[M ]. 北京:学术书刊出版社, 1990.
[ 3 ] 程国栋. 气候变化对中国积雪、冰川和冻土的影响评估[M ]. 兰州:甘肃文化出版社, 1997.
作者简介:王璐,女,高级工程师,主要从事水利水电工程地质勘查与研究。
