多年冻土地区公路工程地质勘察标准及质量控制指南

多年冻土地区公路工程地质勘察标准及质量控制指南内容摘要：

合法与冻土含水率与未冻水量测试的原理、仪器、操作方法较一致，都采用此法。 热容量测试 土 的热容量通过重量热容量和容积热容量两种表示方法，两者关系是： CC重 容 式中 γ—土的容重， C重 —重量热容量， C容 —容积热容量； 由于空气热容量小，计算中可忽略不计，故土的热容量实际上由土的骨架和水的含量及其相态决定。 冻土热容量，土骨架的热容量可用量热求得；冰的热容量当温度在 0℃ ～ 30℃ 之间时，常取平均值 ℃ ；未冻水的热容量近似地取 ℃。 冻土综合热容量，可用量热法或计算法求得。 冻土有效热容量，亦即相变剧烈区或过渡区的冻土热容量。 可计算求得。 测定土骨架热容量或冻土综合热容量的量热法，是利用热力平衡原理，即放热等于吸热，与测定含冰率的量热法相同。 导热系数测定 冻土的导热系数用于土的冻融深度计算、热量转换和工程热工计算，也可用于冻土物理指标间关系的研究。 土导热系数的测定方法可归结为稳态法和不稳态法两种。 稳态法中有平板法、圆球法、比较法 和热流计法。 不稳态法中有球形探针、圆柱形探针、平板形探针统称为探针法。 稳态法中选用了热流计法，在不稳态法中选用了球形探针法，以便对比测试结果。 多年冻土地区公路工程地质勘察标准及质量控制指南 13 冻土干容重和含水量相同时，粗颗粒土导热系数比细粒土导热系数大；同类土因矿物成分和分散度不同致使其导热系数之间的均方差达 177。 5 ～ 11％。 冻土导热系数随负温度降低而缓慢增大，在工程热工计算中，导热系数取值允许只考虑冻融状态，可以忽略温度影响。 导温系数测试 导温系数的测试有谐波法，薄板法 ，空心薄板法和正规状态法等方法。 谐波法，薄板法，空心薄板法适用于野外测定表土，精度较低。 室内测试导温系数的正规状态法，此法操作简便，精度高。 冻土或融土的导温系数均随土的干容重增大而呈指数曲线或近似直线关系增大。 土的干容重相同时，融土导温系数随含水量增大而渐渐增大，在最大分子含水量或塑限含水量附近达到最大值。 含水量继续增大导温系数反而减小。 含水量大于液限后其导温系数趋于稳定。 冻土导温系数随含水量的增大而增大。 当含冰量达到一定数值后其导温系数增大 速率变缓并逐渐趋于稳定。 当冻土的干容重和含水量相同时，粗粒土的导温系数比细粒土大。 同类土的导温系数因矿物成分和分散度不同其均方差可达 177。 5 ～ 11％。 多年冻土的力学指标测试 冻胀量测试 对地基土冻胀性的评价指标多采用土冻胀系数（冻胀量与冻深的比值）。 冻胀系数可在野外直接观测取得。 也可在室内进行模拟试验。 融沉量测试 融沉性能的强弱用融沉系数表达，即冻土在自重作用的融沉量与融层厚度的比值，用百分数表示。 融沉性亦可用融化压缩系数表达。 即在外荷载作用下土的融化 压缩系数。 切向及法向冻胀量测试 在冻土地区（多年冻土和季节冻土）进行工程建设时，多年冻土或季节冻土直接作为地基，即使用深基础其上部穿过冻层。 这就需要对地基进行切向及法向冻胀力测试。 现场水平冻胀力测试 野外测定土对支挡建筑物侧向水平冻胀力，用实体工程直接测量法及层迭式模型挡墙法。 后者优点是模型尺寸小，工作简便，能真实反映各影响因素的综合作用，测得较真实的水平冻胀力值。 多年冻土地区公路工程地质勘察标准及质量控制指南 14 冻结力测试 冻结力又称为冻着力，冻结强度，界面抗剪强度等。 冻结力是决定基础埋深的重要指标，尤其对桩基础更为关 键。 现场以长期荷载试验为主，能直接为工程设计提供数据。 由于试验需耗费大量人力物力，故宜在大中型工程项目中进行。 并在室内进行模拟试验。 抗剪强度测试 由于冻土 C、 φ 值为不定值，是温度、含水量和荷载作用时间的函数，故应视具体情况决定测试方法。 高温粘性冻土可视为理想粘性体，内磨擦角很小，可忽略不计。 其抗剪强度主要取决于粘聚力，宜用球模法测定。 对于一般冻结砂性土和粘性土，采用楔形仪测其抗剪强度。 对于粗颗粒冻土（块石、卵石、砾石、粗砂等），目前室内尚无法测定其抗剪强度，可参考现场冻土承载力试数据确定， 一般采取现场容许冻土承载力的四分之一作为粗粒冻土的抗剪强度值。 容许承载力测试 多年冻土的承载力是确定基础断面和砌置的依据。 中国科学院兰州冰川冻土研究所给出了冻土允许承载力图表。 考虑到现场复杂，将表中现场实测比例强度进行折减。 粗，砾砂取原值；砾石土，砂土乘 ；粘性土乘 ；地下含土冰层乘。 地下冰层系冰土混合体，不同于河、湖、海水，承载力不为 0。 确定冻土承载力的方法除现场实测（即载荷试验）外，还有 50 年代原苏联崔托维奇的球形压模法确定容许强度和极限强度，用蠕变试验方法确定长期极限荷载， 根据松驰理论利用短时冻土强度推算冻土长期强度，根据冻土的物理参数查表等。 现行铁路工程地质规范中采用的多年冻土地地基的基本承载力 σ0 可以分为两部分。 其中一部分是以冻土的瞬时单轴抗压强度极限强度的 1/6 至 1/8 确定的；另一部分则是根据球模试验仪所测的长期粘着系数确定的。 多年冻土的变形模量测试 多年冻土的变形模量引用融土的变形模量计算公式，其中的侧胀系数含土冰层取 ～；粘性土取 ～ ；粗粒土取 ～。 高温土取大值，颗粒粗或含水量大时取大值，反之均取小值。 多年冻土地区公路工程地质勘察标准及质量控制指南 15 7． 工程地 质观测 地温观测 地温观测利用温度表（计）量取地温，了解地温的变化规律。 地温观测用以下三种方法。 玻璃液体温度表观测地温 玻璃液体温度表分套管式、玻璃棒式两种。 地温观测中用水银和酒精两种温度表，温度表可制成各种形式，以适应地温观测的特殊要求。 曲管地温表、最高温度表、最低温度表、缓变温度表。 温度表需经误差鉴定并按时维修。 观测的内容包括地表、深层、最高和最低和定时观测。 热电隅温度表观测地温 热电隅温度表的标定范围应略大于其观测地温的工作范围。 热电隅温度表用于地温 观测中，适用于观测非平面建筑物如桥梁墩台、基础、房基、混凝土桩内的温度变化等。 电阻温度表观测地温 电阻温度表用金属电阻温度表测温法和半导体温度表测温法两种。 为了全面的观测地温情况，对于地温要进行地表和地面以下的观测。 用以下观测的方法 : 热电隅温度表观测地温适合于地表以下的地温观测，具体是热电隅（温差电隅）埋置于一定深度的土层中，通过导线将观测的地温数据传到地面的指示仪表进行记录；在埋设热电隅（温差电隅）的时候要注意不要破坏观测土体的结构，尽量避免对应力状态的改变，也不能改变土体中的水的运移情况，避免产生人为的温度差。 对于地表温度的观测，可采用玻璃液体温度表观测。 在选择温度计的时候，应注意温度计的量程。 冻胀与融沉观测 现场观测冻胀。 采用单独式和叠合式两种分层冻胀仪，并用钻孔或挖坑方法埋设。 钻孔比挖探方法埋设冻胀仪对土的原状结构破坏小，使用于地下水位高于冻深的地区。 单独测杆冻胀仪只能测一个深度的冻胀量，观测整个分层冻胀量时埋设测杆多，场地面积大。 多年冻土地区公路工程地质勘察标准及质量控制指南 16 叠合式冻胀仪集中一点分层观测，有利于成果整理分析。 且占地面积小，适合自 动观测。 但这种冻胀仪不能确切说明层中哪个深度的冻胀量，同时开孔较大，对温度场有一定的影响，效果不够理想。 两种冻胀仪均可用直尺直接量测冻胀量。 当观测地基表面冻胀量和观测建筑物冻胀与融沉变形时可用水准仪直接观测。 冻胀与融沉观测的主要内容有 : （ 1） 冻融深度观测可采用冻土器；冻土器内充入当地地下水。 （ 2） 地下水位观测管应埋入当地最低地下水位以下至少 50cm。 （ 3） 地温观测一般要求同步进行，当电测仪确有困难且观测要求不高的情况下，亦可暂不观测。 温度计测温深度的测点间距一般不大于 20~30cm。 （ 4） 冻融深度、地下水位和地温测点应贴近冻胀仪设置。 多年冻土地区的路基变形观测两种方法： 整体变形观测：选取代表路段，沿路中线每隔一定距离的路面表面或在横断面方向的路中及路面两侧边缘打入圆头大铁钉作固定点位，用水平测量方法定期观测其变形沉降量； 分层冻融变形观测：沿路基深度方向分层埋设变形观测沉降（冻胀板），在纵向记录各层土的变形沉降情况。 观测路段的选择主要根据地貌类型、填土高度、地基土壤及冻土类型等分别选择代表断面建点观测。 每个场地中分别在天然 状态、路肩和路基中心处设置监测点。 路基和路肩下的监测探度一般在 12m 左右，天然状态一般为 6～ 8m，地面和路面以下每隔 50cm 设置 1 个监测点， 监测内容包括天然状态和工程活动影响下的活动层厚度、多年冻土温度、冻融过程和融化下沉。 对多年冻土温度、活动层厚度和冻融过程采用对温度变化敏感的热敏电阻来进行监测； 对融化下沉的相对变形采用经纬仪来进行测量。 8． 各工程阶段资料整理与提交的成果 工程可行性研究 (踏勘 )阶段勘察 工程可行性阶段冻土工程地质勘察应符合下列 要求： 多年冻土地区公路工程地质勘察标准及质量控制指南 17 应了解各 路 线方案的区域冻土地质条件和影响 路 线方案的主要冻土工程地质问题， 对路线方案做初步的地质评价 ,为编制可行性研究报告提供地质资料。 应广泛搜集和研究线路通过地区已有的区域地质、区域冻土、卫片、航片、地震、工程与水文地质、气象和水文等资料，并在此基础上拟定勘察重点和应解决的问题。 除应收集航空相片和卫星相片的解释结果、区域地质、区域冻土以及地区性建设经验等资料外，必要时应进行现场踏勘。 除应了解线路通过地区的工程地质条件外，重点应放在控制线路方案的越岭地段、 长大隧道、大河桥渡和大型互通式立体交叉地段。 以便提出越岭方案、桥位 (渡口 )和交叉位置的比选意见。 踏勘阶段冻土工程地质勘察报告应提出以下图件： （ 1） 冻土工程地质总说明书。 （ 2） 全线冻土工程地质图，比例尺 1:50000～ 1:202000。 （ 3） 推荐方案及主要比较方案的线路平面图，比例尺 1:10000～ 1： 50000。 （ 4） 控制线路方案的越岭地段、大桥、特大桥、大型互通式立体交叉地段的冻土工程地质平面图和冻土工程地质剖面图，比例尺 1:5000～ 1:10000。 （ 5） 勘探、试验及冻土工 程地质照片等资料。 初测阶段勘察 初测阶段冻土工程地质勘察是在工程可行性研究 (踏勘 )阶段勘察工作的基础上，进一步做好地质选线工作，为优选 路 线方案和编制初步设计文件提供依据。 初测阶段冻土工程地质勘察应查明沿线冻土区域条件，区域地质、水文地质条件，对线路通过地区的冻土工程地质条件作出 较深入 评价；初步查明对线路起控制作用的冻土现象的性质、特征和范围；根据冻土工程地质条件，优选线路方案。 初测阶段冻土工程地质调查与测绘的基本内容除应符合现行国家有关规范，尚应重点调查以下内容： 初步查明沿线富冰、饱冰冻土和含土冰层的分布、成因和厚度。 初步查明控制线路方案的重大路基工点、大桥、隧道、公路管理、养护及服务设施场地、互通式立体交叉等的冻土工程地质条件。 根据沿线地震基本烈度区划资料，结合沿线岩性、构造、地貌、水文地质和多年冻土条件，确定 7 度及 7 度以上的烈度分界线。 提供多年冻土地基的物理、力学和热学参数。 多年冻土地区公路工程地质勘察标准及质量控制指南 18 在沿线重大工程地段和大的地貌单元可建立长期地温观测点。 观测孔和地温观测应符合下列规定： （ 1） 观测孔深度不应小于 地温年变化深度。 （ 2） 地 温 观测应在成孔后立即进行。 （ 3） 观测周期应根据勘察大纲的有关技术要求而定。 初测阶段冻土工程地质调查与测绘应采用下列方法： （ 1） 充分利用卫片、航片资料。 通过判释，确定调查重点，实际校对修改、补充判释内容。 （ 2） 通过沿线各地质点的调查，初步查明沿线区域地质和冻土工程地质条件。 （ 3） 地质图的填绘应在野外实地进行，对线路方案和工程有影响的地质界线、地质点，应采用仪器测绘。 初测勘探工程除应符合本规范及现行国家有关标准 (规范 )的规定外，尚应满足下列要求： 应根据冻土条件选用地震探、电探、地质雷达等物探手段，并配合钻探进行综合勘探，以缩短勘探周期，提高勘探质量。 勘探点的数量、深度应根据工程类别及冻土工程地质条件的复杂程度而定。 勘探的重点应是控制方案的冻土现象分布地段和重大工程地段。 一般路段每公里应设勘探点 数量根据 (～ 条 )确定 ，其位置应选在地形特征点处。 当冻土工程地质条件复杂，地层差异较大时，宜沿路基中线和横断面布设物探剖面，以查明多年冻土在剖面上的分布特点。 在多年冻土不稳定的边缘地段应 有查明多年冻土下限的钻孔。 在多年冻土稳定地段，应结合工程需要，布置查明多年冻土下限的钻孔。