已掺加修改多年冻土地区公路工程.ppt
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多年冻土地区公路工程多年冻土地区公路工程高江平教授高江平教授高江平教授高江平教授内容提要内容提要nn第一节、概论第一节、概论第一节、概论第一节、概论nn第二节、第二节、第二节、第二节、冻土的工程性质与分类冻土的工程性质与分类冻土的工程性质与分类冻土的工程性质与分类nn第三节第三节第三节第三节、多年冻土地区的特殊筑路问题、多年冻土地区的特殊筑路问题、多年冻土地区的特殊筑路问题、多年冻土地区的特殊筑路问题nn第四节第四节第四节第四节、多年冻土上限与勘测多年冻土上限与勘测多年冻土上限与勘测多年冻土上限与勘测nn第五节第五节第五节第五节、设计原则及有关计算设计原则及有关计算设计原则及有关计算设计原则及有关计算nn第六节、路基第六节、路基第六节、路基第六节、路基nn第七节、第七节、第七节、第七节、路面路面路面路面第一节第一节第一节第一节概论概论概论概论一一一一.多年冻土多年冻土多年冻土多年冻土
(一)冻土:
具有零温或负温并含有冰的土或石称为冻土。
冻土是四相体系。
(一)冻土:
具有零温或负温并含有冰的土或石称为冻土。
冻土是四相体系。
(一)冻土:
具有零温或负温并含有冰的土或石称为冻土。
冻土是四相体系。
(一)冻土:
具有零温或负温并含有冰的土或石称为冻土。
冻土是四相体系。
(二)多年冻土通常按土处于冻结状态的持续时间来划分冻土。
(二)多年冻土通常按土处于冻结状态的持续时间来划分冻土。
(二)多年冻土通常按土处于冻结状态的持续时间来划分冻土。
(二)多年冻土通常按土处于冻结状态的持续时间来划分冻土。
1.1.瞬时冻土:
冻结时间持续几小时或几天,数毫米至数厘米厚。
瞬时冻土:
冻结时间持续几小时或几天,数毫米至数厘米厚。
瞬时冻土:
冻结时间持续几小时或几天,数毫米至数厘米厚。
瞬时冻土:
冻结时间持续几小时或几天,数毫米至数厘米厚。
2.2.季节冻土:
冻结时间大于或等于一个月但不足一年,数厘米至季节冻土:
冻结时间大于或等于一个月但不足一年,数厘米至季节冻土:
冻结时间大于或等于一个月但不足一年,数厘米至季节冻土:
冻结时间大于或等于一个月但不足一年,数厘米至112m2m,外围达外围达外围达外围达3m3m厚。
厚。
厚。
厚。
3.3.隔年冻土隔年冻土隔年冻土隔年冻土:
持续超过一年但短于两年。
持续超过一年但短于两年。
持续超过一年但短于两年。
持续超过一年但短于两年。
4.4.多年冻土:
在天然条件下,地面以下的冻土保持三年或三年以上者,主多年冻土:
在天然条件下,地面以下的冻土保持三年或三年以上者,主多年冻土:
在天然条件下,地面以下的冻土保持三年或三年以上者,主多年冻土:
在天然条件下,地面以下的冻土保持三年或三年以上者,主要分布在高纬度、高海拔地区。
要分布在高纬度、高海拔地区。
要分布在高纬度、高海拔地区。
要分布在高纬度、高海拔地区。
二二二二.多年冻土的分布多年冻土的分布多年冻土的分布多年冻土的分布地球上多年冻土的分布面积约占陆地面积的地球上多年冻土的分布面积约占陆地面积的地球上多年冻土的分布面积约占陆地面积的地球上多年冻土的分布面积约占陆地面积的23%23%,主要分布在俄罗斯、加,主要分布在俄罗斯、加,主要分布在俄罗斯、加,主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加等地,其中我国的多年冻土分布面积约拿大、中国和美国的阿拉斯加等地,其中我国的多年冻土分布面积约拿大、中国和美国的阿拉斯加等地,其中我国的多年冻土分布面积约拿大、中国和美国的阿拉斯加等地,其中我国的多年冻土分布面积约215215万万万万KM2KM2,仅次于俄罗斯(,仅次于俄罗斯(,仅次于俄罗斯(,仅次于俄罗斯(10001000万万万万KM2KM2)和加拿大()和加拿大()和加拿大()和加拿大(390390490490万万万万KM2KM2),约为约为约为约为美国多年冻土面积(美国多年冻土面积(美国多年冻土面积(美国多年冻土面积(140140万万万万KM2KM2)的)的)的)的1.51.5倍。
由此可见,我国是世界上第三冻倍。
由此可见,我国是世界上第三冻倍。
由此可见,我国是世界上第三冻倍。
由此可见,我国是世界上第三冻土大国,约占世界多年冻土分布面积的土大国,约占世界多年冻土分布面积的土大国,约占世界多年冻土分布面积的土大国,约占世界多年冻土分布面积的10%10%,占我国国土面积的,占我国国土面积的,占我国国土面积的,占我国国土面积的22.3%22.3%,主,主,主,主要分布在东北大、小兴安岭,西部高山和青藏高原等地。
若包括冻结深度大于要分布在东北大、小兴安岭,西部高山和青藏高原等地。
若包括冻结深度大于要分布在东北大、小兴安岭,西部高山和青藏高原等地。
若包括冻结深度大于要分布在东北大、小兴安岭,西部高山和青藏高原等地。
若包括冻结深度大于0.5m0.5m的季节冻土在内,则占到的季节冻土在内,则占到的季节冻土在内,则占到的季节冻土在内,则占到68.6%68.6%(图(图(图(图11,表,表,表,表11)。
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表1我国多年冻土区的面积图1中国冻土分布图我国多年冻土区从东北到西南,横跨高、中、低纬度地带,既有茂密的原始森林、半干旱的稀荒草原、半湿润的草甸草原,又有高山草甸、干旱荒漠及高山寒冻荒漠等各种景观;所在海拔高度由300400m直到40005000m以上;出露地层有古生代的变质岩,中生代和第三纪的沉积岩,加里东期、海里期和燕山期的火成岩,以及第四纪各种沉积物。
如此多样的自然条件,构成了我国多年冻土的复杂面貌。
我国多年冻土区具有严寒的大陆性气候。
在东北山地,大陆性季风气候表现更为明显。
冬季盛行西北风,天气寒冷,晴朗干燥,有利于地表冷却;夏季盛行东风和东北风,天空多云,空气潮湿,减少地面受热程度,气候年较差可达到4053。
而在青藏高原,由于深居内陆,海洋性风系的影响较弱,全年以高空西北风为主,空气干燥,气温在冬季比东北高,夏季比东北低,气温年较差只有东北的一半(2326);年降水量为200370mm,远不及东北丰富(500600mm),而且70%90%的年降水量集中在夏季;年蒸发量很大,可达14001800mm。
这两个地区的年平均气温都可低到-5.8,自北而南逐渐升高,冻结期长达78个月。
在青藏高原上,积雪较薄,保存时间又不太长,即使在暖季夜间也有短暂的冻结。
但是,由于所在纬度较低,太阳辐射强烈,使得冻土的发育较之东北山地更需要严格的条件。
东北冻土区的地形以丘陵、山区为主,虽然海拔不高,但由于纬度高又受西伯利亚高压影响,成为我国最寒冷的自然区。
西部冻土区,虽然大部分纬度较低,但均属高山高原地区,地势高,深居内陆,具高寒气候。
它们共同的特点是年平均气温低,冻结期长,降水集中在暖季,年蒸发量很大,雪盖一般不厚,这些为地表散热和冻土的发育创造了极为有利的条件。
但是东北高纬区与西部高山高原区在气候上也有很大的差异:
东北年平均气温较差和年降水比西部大,而日照时数和太阳辐射年总量又比西部小,尤其是青藏高原的辐射平衡年总值是全国最大的,这些又给东北高纬度区和西部高山高原区冻土特征带来差异(表2)。
表2我国多年冻土区主要自然条件和气候特征我国东北冻土区为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。
冻土层的年平均地温自北向南升高(表3),大约纬度每降低1,气温升高1,年平均地温升高0.5。
冻土分布的连续性随纬度降低而变差,由大片连续分布至岛状分布,冻土在区域中占的面积也由7%8%缩小至5%以下,厚度由50100m降至520m。
岛状冻土区的分布范围南北宽达200400km,这是在纬度地带性制约下又受局部岩性、植被、地表水等影响的结果。
我国西部高山地区,如祁连山、天山、阿尔泰等山地的多年冻土分布,具有明显的垂直地带性,同时也具有水平分布上的不完整性和经向的差异性。
这是由于这些高山是由许多平行断块山和山间断陷盆地及谷地组成,其走向分别为北西西、东西和北西,地势由西向东降低,山地垂直分带明显,一般上部为现代冰川和冰缘带;中部为深切侵蚀带;下部及山间盆地边缘为干燥剥蚀带。
此外,也表现出一定得纬向差异性。
这些山地,多年冻土的年平均温度一般为-0.1-2.5,最低可达-4-5;厚度由几米、十几米、几十米至100200m不等,随着海拔增高,温度降低,厚度增大(表3)表3我国多年冻土层的温度与厚度青藏高原冻土区是世界中、低纬度地带海拔最高、面积最大的冻土区,其范围北起昆仑山,南至喜马拉雅山,西抵国界,东缘横断山脉西部、巴颜喀拉山和阿尼马卿山东南部。
青藏高原既高又大的特点决定着高原冻土的存在和广泛发育。
其西北高、东南低的地势结构和气温与降水西北低、东南高的分布,制约着高原冻土发育的差异性。
西北部和北部为高原冻土最发育的地区,随着地势向周围地区倾斜,冻土发育程度相应变差。
青藏高原多年冻土可明显地分出3个条带:
昆仑山北坡至唐古拉山南麓(即藏北高原大部分)多年冻土在平原上呈连续分布;扎加藏布江河谷两侧呈大片连续分布;雅鲁藏布江河谷往南至喜马拉雅山呈零星分布。
青藏高原是耸立于中低纬度的巨大隆起,其海拔高(平均4000m以上)、气候严寒的特点决定着高原冻土的存在和广泛分布。
青藏高原多年冻土区是世界中低纬度地带海拔最高、面积最大的冻土区。
青藏高原自然地带分异是“以羌塘高原北部和昆仑山为中心,向周围地区倾斜散开”。
这里是多年冻土最发育的地区,基本呈连续或大片分布,温度低,地下冰厚。
青藏高原南北跨越12个纬度,东西横亘近30个经度,纬度地带性和经向水平差异同时影响到冻土分布特征和区域差异。
青藏公路(格尔木至拉萨1150km)自北而南纵贯青藏高原腹地,沿线多年工程勘察揭示,青藏公路穿越青藏高原的大片连续多年冻土、岛状多年冻土和季节冻土区。
青藏公路自北而南穿过高原冻土区。
青藏公路沿线的冻土分布可以看作纵贯青藏冻土区东部的一个代表性剖面(图2)。
图2青藏公路沿线冻土分布图昆仑山区冻土分布的垂直地带性特别明显。
在西大滩由海拔41504200m的高度,季节冻土区过渡到岛状冻土区;并随着海拔增高,地温迅速降低,大约每上升100m,地温降低0.61.0,到昆仑山北麓4350m处即进入连续冻土区。
由此向南一直到唐古拉山以南的安多,连续550km区段基本上为高原冻土连续分布区。
从冻土连续分布的安多附近向南至喜马拉雅山,除海拔大多不到4000m的藏南谷地为季节冻土区和喜马拉雅山东段南坡地区出现瞬时冻结或无冻结外,其余皆为岛状冻土区。
青藏高原地势高耸,气候严寒,属高寒大陆性气候。
高原腹地气候多变,雨、雪、冰雹四季皆可出现。
青藏高原沿线多年平均气温-2-7,多年平均气温为-14.5-17.4,最高气温为6.88.1,温差为2326。
根据青藏公路多年冻土区近期气象观测资料,年平均温度为-4-6.9,全年冻结期达78个月。
岛状冻土区下界海拔高度,自北而南升高(表4),大致与平均气温-2-3相当。
在海拔45004900m高度的连续冻土区,目前实测到冻土年平均温度为03.5,冻土层最大厚度为128.1m。
49005000m以上地区,冻土温度还要更低,厚度更大。
在海拔4780m以下的岛状冻土区,冻土温度一般0-0.5,厚度小于25m,随着高度增加冻土温度降低,厚度增大(表3)表3我国高原和山地多年冻土分布下界地区纬度(N)下界海拔/m大兴安岭中段(阿尔山)47488001000阿尔泰山464812001800大兴安岭南段(博依舒底兴干山)4416001900长白山4322002300天山中段(奎先达坂)4227002800祁连山北麓3732003300南麓35003700昆仑山3542004300唐古拉山南段314046004700喜马拉雅山28295000由图3可以看出:
冻土分布下界随纬度降低而升高,南北相差3000m。
如此大的差别,主要是由于西部高山高原地域广大,跨越21个维度;此外,也是由于拥有巨大高度,太阳辐射强烈。
如果做西部高山冻土下界的延长线,则发现后一个原因可以使冻土下界升高400600m;我国东部山地和西部高山地区的冻土下界是两条相互平行的线,东部比西部的下界一般低8001100m;冻土下界变化的幅度,在我国东部和西部高山地区均
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