冻土

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冻土
西伯利亚冻土

  冻土汉语拼音:Dongtu;英语:Frozen Ground),在0℃或0℃以下冻结,并含有冰的岩土(土壤、土、岩石)。在北美将低于0℃的土,不论是否含冰,均称为冻土。按冻结状态的持续时间分为:冬季冻结历时半个月以上,夏季全部融化的岩土称为季节冻土;连续保持冻结时间2年以上的岩土为多年冻土;持续冻结时间处于上述两者之间的为隔年冻土。持续冻结数小时至半个月的为短时冻土。

成分及构造

  冻土是一种复杂的多相多成分体系组成物,有气态的水气、各种气体固态的矿物颗粒和冰以及液态的未冻水。冰和未冻水的含量随外界环境(温度、压力)的变化而变化,处于动平衡状态。根据岩土矿物与冰的相互配置关系有三种基本冷生构造:冰体均匀分布在岩土孔隙或土粒接触处的整体构造;冰以夹层和透镜体形式与土层呈互层的层状构造;冰夹层和细冰脉组合成网的网状构造。

分布

  多年冻土分布区内有不同成因和面积的融区制约着其分布。融区面积小于10%时,为多年冻土连续分布区;融区面积大于10%时,为多年冻土不连续分布区。围绕极地分布的多年冻土为高纬度多年冻土,中国东北的多年冻土南界可达北纬46.6°,是欧亚大陆多年冻土区的最南端。在多年冻土区南界以南的山区或高原上在一定海拔以上出现的多年冻土为高海拔多年冻土。一般冻土分布(连续性、地温和厚度),自低纬度向高纬度,山区由低海拔向高海拔冻土的年平均地温下降,连续性和厚度增大,分别具有纬度和垂直分带性,但在局部地质地理因素影响下会出现非分带性现象,如大河大湖下的融区,北极岸区由于海进出现反常的冻土厚度特征等。全球多年冻土占陆地面积的25%。主要分布在极地、亚极地和高海拔的高山和高原上。中国多年冻土占国土总面积的22.4%,分布在大、小兴安岭松嫩平原北部及西部高山和青藏高原上,以及季节冻土区内的一些高山上部,如长白山五台山贺兰山大黄山马衔山等。青藏高原的多年冻土是世界中低纬度地带海拔最高,面积最大的多年冻土区。

  多年冻土南界以南还分布着残余多年冻土。它们是更新世寒冷期形成的多年冻土退化残存的结果。

  冻土厚度一般受所在地的纬度和海拔高程的控制,具有分带性。俄罗斯的多年冻土厚度最大可达1,500米以上。中国东北地区实测量最大厚度为120米,在青藏高原上实测最大厚度在海拔5,000米处为1,280米,随海拔每增高100米,多年冻土厚度会增加15~30米。

特性

  冻土中的冰在矿物颗粒间起胶结作用,使冻土的强度比冻结前大几倍甚至几十倍,一般温度越低强度越大。冻土融化时其强度急剧下降,甚至低于冻结前的强度。冻土中的含冰量大时会发生融化沉陷。冰是一种塑性黏滞体,因此冻土的瞬时黏聚力和强度很大,但在应力长期作用下具有流变性,长期黏聚力和强度就要小几倍。

  冰的比热是液态水的一半,故一般条件下冻土的比热和体积热容量总比冻结前的小。冰导热系数是液态水的4倍,因此冻土的导热系数一般都大于非冻结时。冻土的电阻率比非冻结时大几倍(基岩)到几百倍。

冻结与融化作用

  主要包括:

  1. 土的冻结和融化温度 土的冻结温度受土颗粒表面能的作用和水中溶质的影响要低于0℃,融化温度一般都高于冻结温度。
  2. 物质迁移特性 冻结时黏性土体存在一定温度梯度,相邻融土中的水分带着盐分会向土的正冻区迁移并冻结成冰,使冻结土的总含水量(冰和未冻水)和盐分比冻结前增大。渗透性良好的粗颗粒土和溶液冻结时,水分和盐分一般是由正冻区向未冻区迁移,因此冻结后的含水量和盐分比冻结前减少。
  3. 冻胀和融沉 土孔隙中水分结冰时体积会增大9%,且冻结时水分迁移又使冻土体积比冻结前增大迁移水量的1.09倍,使冻土地表面隆起称作冻胀。分散性土中以粉质土的冻胀性最强,砂砾石的冻胀性最小。当水分、温度及冻结条件相似时,各类土的冻胀性强度按以下序列递减:粉质土、亚砂土>亚黏土>黏土>砾石土(小于0.05毫米颗粒含量超过12%)>粗砂>砂砾石。除土的粒度以外决定冻胀强度的主导因素是温度梯度和水流状态,土的溶液成分、浓度和外界压力则在不同程度上亦影响冻胀的强度和速度。冻土融化时,土体在自重作用下会产生一定量的下沉,称融沉。融化时在荷载作用下体积的压缩称为融化压缩。冻土的融沉强度与其含冰量成正比。冻土的融沉和冻胀对其上的工程建筑物的稳定性和功能有很大影响,在工程设计中应采取相应的防治措施。
  4. 冻裂和团聚 土中的大小裂隙和孔隙中的水相变成冰时的劈裂作用,把岩石和矿物颗粒碎裂至粉土颗粒成为寒冻风化产物;冻结时黏土颗粒和胶体发生不可逆的团聚作用,亦可形成粉土颗粒,这是一种冷生成岩作用。这两种作用都产生相同结果,使遭受反复冻融的岩土中粉粒含量增加。

  冻土在寒冷环境中由于外界温度下降使冻土体内由温度梯度形成的收缩应力大于冻土的瞬时抗剪强度使冻土表面发生开裂,在地面上形成相互垂直的裂隙网,形成多边形地面。在有水多次侵入和随后发生冻结的条件下就形成冰楔。在干燥的冰缘气候环境中在风砂作用下可形成砂楔。冰楔在退化过程中可形成土楔,是冻土和冰缘环境的可靠标志。