第六章用地预防冻土危险.docx

第六章 用地预防冻土危险
6.1 冻土区开发原则和管理开发区冻土作用的方法
如果采用既经济，又有效益的方法经营开发土地，同时保障构筑物的可靠性和保护自然环境，那么利用地质环境被认为是合理的。在多年冻土上设计和施工时，应该预先采取措施保障构筑物的完好无损和使用寿命，同时保障所要求的使用质量。要达到这一要求需要选择构筑物的确定结构系统图、基础类型、构筑物与地基热作用的调节方法。通常把综合措施或者部分措施称之为稳定性保障方式。根据建筑标准与原则2.02.04-86规定，根据使用多年冻土作为地基的原则，所有方式有条件地归结为两组。
原则Ⅰ－在建筑物施工和整个使用过程中地基使用的多年冻土始终保持冻结状态。
原则Ⅱ－地基使用的多年冻土始终保持解冻状态（在施工之前将土解冻至计算深度，或者是在构筑物使用过程中土解冻至允许程度）。
冻土区的开发特点和施工原则的选择，取决于工程冻土条件特点、冻土和融土性质、冻土-地质作用的发育、地下水含水层的冻结程度、所有冻土特征的显著动态有密切关联，首先与土温度场随时间变化有关。
俄罗斯境内的工程冻土地质条件的形成规律，总体上决定于气候和地植物条件（带状因素）的形成特点和易变性，取决于地质构造、地貌构造和水文地质构造（区域因素）特点和易变性。我们编制了俄罗斯领土工程冻土区划图（插图，CXXⅡ），在该图上划分出8个区域，其中包括相应的区组。在进行区划的时候考虑到了：宏观地貌的成因类型，第四纪前岩石层系和第四纪沉积岩组，岩石的年平均温度和多年冻层的年平均温度分布。每个划分区标明沉积层断剖面上层（10－20米）的冻结类型、多年冻层的厚度、出露于地表和埋深20米深处的松散沉积层、坚硬岩石和半硬质岩的含冰量（见表6.1）。除此以外，所标明的区域地震活动性，众所周知，在评价构筑物施工和运营的工程冻土条件具有重要意义。上面所有根据冻土区积累的建筑经验所阐述的内容，可以对冻土条件技术成因变化做出定性评价，并且选择冻土施工原则。图中划分出9个区组，对地面建筑过程中出现的各种技术成因影响反应各不相同。这种反应通常根据岩石的工程地质特性变化程、贯通融区形成和新生成多年冻岩的可能性、地下水动态变化、现存及其新生冻土作用的活跃的可能性进行评价。
工程地质条件最显著的技术成因变化有两个区组：一组（Ⅰ1—3区，Ⅱ1—4区）为很厚的低温多年冻岩连续分布，属于总体积含冰量通常超过0.4的第四纪沉积层（尤其是各类亚砂土和亚粘土以及泥炭）；另一组（Ⅰ4—5区，Ⅱ5区）－－是厚度较小的高温多年冻土的岛状分布，属于第四纪沉积层。位于冻土区南部剥蚀平原和西伯利亚陆台高原的区组（Ⅲ7，8，11区）环境变化明显，在施工过程中冻层甚至可能完全解冻，或形成新的冻层。变化明显的还有位于后贝加尔和远东（Ⅴ2—5区）的区组，多年冻岩非连续或岛状分布，边坡作用强烈发育和形成冰椎。
选择建筑原则不仅必须掌握开发区的工程冻土条件方面的信息，而且要掌握有关构筑物本身的信息。缺乏构筑物本身的信息，在大多数情况下就不能够回答应该如何应用施工原则的问题。况且，在小比例尺工程区划框架内可以提出这样或者那样的施工原则的建议。为此，我们通常使用标准（建筑标准与原则2.02.04-86）和积累的施工经验。
例如，根据建筑标准8.1条款，要求在多冰土中（含冰量Лв≧0，4）必须使用建筑原则Ⅰ，8.2条款规定，如果地基不单纯是完整的岩石地基或多年冻土岩层在其固结和加固后完全融化的话，建议采用同一建筑原则，适用于地震烈度7，8和9度的地区。3.3条款规定，多年冻岩非连续式分布地区无条件使用原则Ⅱ。
根据构筑物的运用经验，对条款3.3给予三点补充建议。第一点，关于使用坚硬岩作为地基问题，而标准规范则仅仅将其归属于完整坚硬岩和半硬质岩。众所周知，断裂岩石上的构筑物变形的大多数情况的发生都是由于岩石中含冰融化所造成的后果。所以，评价作为地基的断裂岩石应该就像松散岩石一样，考虑含冰量。
第二点，关于多年冻岩间断分布地区的建筑问题。主要针多年冻岩岛状分布地区和在未融合类型的多年冻土地段施工的地区。Л.Н.Хрсталев的计算表明，在有限的冻土体上只能实施原则Ⅰ，如果该地段具有足够大的建筑设计面积。在这种条件下，即多年冻岩厚度达到25米以上情况下，根据原则Ⅰ进行施工要比根据原则Ⅱ经济的多。至于未融合类型多年冻层地段上的建筑施工，例如，如果多年冻岩顶板深度不到10米，在高地震活跃性地区和多年冻岩顶板更深些时，原则Ⅰ适用于民用建筑要比原则Ⅱ更为理想。因此，在多年冻岩非连续式分布情况下绝对要求使用原则Ⅱ应该最适度，也就是说根据原则Ⅱ实施建筑施工，多年冻岩厚度至少达到25米。
最后一点，关于地震带地区多年冻岩间断分布地区的建筑问题。在这种条件下针对相同的地域要求遵循两种建筑施工原则：原则Ⅰ（条款8.2）和原则Ⅱ（条款3.3）。如果采用原则Ⅱ，要求计算地震烈度增加一级，而且禁止在地震烈度超过9度的地区进行建筑施工，那么，首先在地震烈度9度的地区就不可能提高计算值，基本上只能采用原则Ⅰ，只有在具备多年冻土整个厚度（整块坚硬岩）预先融化并接着加固条件的个别情况下才采用原则Ⅱ；其次，在7度、8度地震烈度地区，提高计算值同样是极不得已的，因为采用抗震防护措施相当昂贵，常常超出了采用原则Ⅰ建造构筑物冷却系统的费用。因此，对于高地震活跃性地区，除了多年冻岩厚度浅的区域，采用预先解冻加固方案外，主要的建筑施工原则还是建议采用原则Ⅰ。
上述方案应该在工程冻土调查时确定选择多年冻岩作为工程构筑物地基的使用原则。
图中（插图，CXXⅡ）标出的是根据建筑施工原则对冻土区区域的分区，与上述示意图完全符合。图中标出区域：1）只能采用原则Ⅰ；2） 基本上采用原则Ⅰ，但也可能采用原则Ⅱ；3） 基本上采用原则Ⅱ，也可能采用原则Ⅰ；4） 只能采用原则Ⅱ；5） 采用原则Ⅰ和Ⅱ均可（视具体情况和构筑物类型而定）。
整体而言，俄罗斯版图内各个冻土区开发的特点，包括选择建筑施工原则，都可以通过比较分析分区图和表6.1的数据得出结论。
现在我们把话题转到另一个非常重要的问题上，与开发区冻土作用管理有关的问题。
众所周知，区域开发与创建地球工程综合系统，也就是通常理解为工程构筑物及其相互作用的地质环境有着密切的关系。地质环境承受着由于构筑物热负荷和机械负荷的影响而发生剧烈的变化。它们在地球工程综合系统汇集成统一的自然和技术综合体（ПТК）的建筑特征中尤其重要。
这种自然和技术综合体（ПТК）的数学模型实验是半空间的（有内热传导和内热对流传导过程，湿度相位转换），其表面上附有各种标示和通过地表温度表示的热负荷值。
如果在土层里对流热传递分量很小，并且温度场只有通过对流热传递确定的话，那样很清楚，某些热作用影响在20－30米深处就已经消失了，在自然和技术综合体中构筑物群的热作用总量导致独特的小区气候的形成，并且改变所有建筑地域表面的加权年平均温度（Tcp），针对的是自然条件下形成的多年冻岩原始年平均温度（To）。这种变化对任何建筑地域的热作用动态产生着实质的影响。它不仅仅导致多年冻层顶板剖面的状况发生变化，而且也改变其下层边界，也就是热传递分量影响深度可能会

表 6.1 冻土区特征和施工原则
地貌构造，地区
第四纪前岩石的工程地质层系和第四纪沉积成因研组（区）
冻土区
冻土特性
地震活跃性，（里氏震级）
构筑物地基冻土使用
原则
冻结类型：后成（Э），共生（С）
岩石年平均温度，℃
冻岩分布
冻岩厚度，米
20米厚冻岩的总含冰量（体积）：松散的和坚硬的，以小时计
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Ⅰ俄罗斯地台东北部和西西伯利板状节理北部的复合成因堆积平原
海洋、冰川海-海相的，冲积-湖相：粘土、粉质和泥炭化亚砂土，亚砂土土，泥炭
Ⅰ1
Э，С
低于-5
连续式
＞300
0.4-0.6
-
＜5
Ⅰ
Ⅰ2
Э
从-1到-3
非连续和连续式
100-300
0.2-0.6
-
＜5
Ⅰ或Ⅱ
冰川-海洋，冰水，湖泊-冰川，湖泊-冲积相：亚粘土、粉质亚砂土、沙土、砾卵石土、泥炭质亚砂土、亚粘土，泥炭
Ⅰ3
Э
高于-3
同上
100-300
0.2-0.4
-
＜5
Ⅰ
Ⅰ4
Э
高于-2
稀疏岛状和大片岛状
到50
0.2-0.4
-
＜5
Ⅱ或Ⅰ
Ⅰ5
Э
高于-1
同上
0-25
0.2-0.4
-
＜5
Ⅱ
Ⅱ西伯利亚陆台北部、叶尼赛-哈坦加坳陷、亚纳-科雷马和中雅库特低地、俄罗斯陆台东北和远东南部山间凹地复合成因堆积平原
复合成因的冰岩组：粉砂、沙、泥炭
Ⅱ1
С
从-3到-5以下
连续式
＞300
0.6-0.8
-
5，6；
局部7
Ⅰ
冰川、湖泊-冰川和冰水相：冰碛亚粘土、粘土、亚砂、砂、砾卵石
Ⅱ2
Э， С
低于-5
同上
＞300
0.3-0.6
-
5 局部6
Ⅰ
Ⅱ3
Э
从-0.5到-5
从稀疏岛状到连续式
50-300
0.2-0.5
-
5，6；
局部7
Ⅰ或Ⅱ
海砂
Ⅱ4
Э， С
低于-5
连续式
＞300
0.1-0.2，
很少0，4
＜5
Ⅰ或Ⅱ
冲积-洪积，冲积-坡积：
砂、亚砂、亚粘土
Ⅱ5
Э
高于-1
稀疏岛状和大片岛状
0-50
0.1-0.3
-
5；局部6，7，9
Ⅰ或Ⅱ
Ⅲ西伯利亚和俄罗斯陆台剥蚀高原和台地
喷发和喷出-陆源建造的坚硬岩石
Ⅲ1
Э
低于-5
连续式
＞300
0.3-0.6
0.03-0.2
＜5
Ⅰ或Ⅱ
Ⅲ2
Э
从-1到-5
非连续和连续式
50-300
0.2-0.4
0.03-0.15
＜5
Ⅰ或Ⅱ
变质岩、侵入和喷发建造的坚硬岩石
Ⅲ3
Э
低于-5
连续式
＞300
0.2-0.4
0-0.15
＜5
Ⅱ
Ⅲ4
Э
高于-2
稀疏岛状和大片岛状
0-50
0.2-0.3
0-0.15
＜5
Ⅱ或Ⅰ
陆源建造的坚硬岩石和半坚硬岩石
Ⅲ5
Э
低于-5
连续式
＞300
0.3-0.6
0.03-0.2
＜5
Ⅰ或Ⅱ
Ⅲ6
Э
从-1到-5
非连续和连续式
＞300
0.2-0.6
0.03-0.15
5；局部6
Ⅰ或Ⅱ
Ⅲ7
Э
高于-2
稀疏岛状和大片岛状
0-100
0.2-0.3
0.03-0.2
5；局部6-9
Ⅱ或Ⅰ
陆源和碳酸盐建造的坚硬岩石和半坚硬岩石
Ⅲ8
Э
高于-0.5
稀疏岛状
0-25
0.1-0.2
0.03-0.1
5；局部6-9
Ⅱ
碳酸盐，陆源-碳酸盐和侵入建造的坚硬岩石和半坚硬岩石
Ⅲ9
Э
低于-5
连续式
＞300
0.3-0.6
0.03-0.2
＜5
Ⅰ或Ⅱ
Ⅲ10
Э
从-1到-3
非连续和连续式
100-300
0.1-0.4
0.03-0.2
5；局部6
Ⅰ或Ⅱ
Ⅲ11
Э
高于-2
稀疏岛状和大片岛状
0-100
0.1-0.3
0.03-0.15
5；局部6，7
Ⅱ或Ⅰ
Ⅳ.泰梅尔-北地岛和乌拉尔-新地岛褶皱带剥蚀低地
陆源建造的坚硬和半坚硬岩石
Ⅳ1
Э
低于-5
连续式
＞300
0.3-0.6
0.03-0.2
＜5
Ⅰ或Ⅱ
侵入和陆源建造的坚硬岩石
Ⅳ2
Э
低于-5
同上
＞300
0.2-0.5
0.03-0.1
＜5
Ⅰ或Ⅱ
Ⅳ3
Э
从0到-5和以下
从稀疏岛状到连续式
0-500
0.1-0.3
0.03-0.1
＜5
Ⅰ和Ⅱ
Ⅴ后贝加尔山地褶皱带山间洼地和远东南部山地堆积平原的剥蚀构造台地、高山和///
侵入、变质、喷发和陆源建造的坚硬岩石
Ⅴ1
Э
低于-5
连续，非连续式
＞300
＜300
0.1-0.3
0.03-0.15
7-8；
局部6
Ⅰ
Ⅴ2
Э
从0到-5
从大片岛屿到连续式
0-300
0.1-0.3
0.03-0.15
6-9；
局部5
Ⅰ
Ⅴ3
Э
高于-2
稀疏岛状和大片岛状
0-50
0.1-0.2
0.03-0.1
5-7；
局部8
Ⅱ或Ⅰ
侵入、变质、喷发和陆源建造的坚硬和半坚硬岩石
Ⅴ4
Э
从0到-3
从大片岛屿到连续式
0-150
0.1-0.3
0.03-0.15
6-9；
局部5
Ⅰ或Ⅱ
陆源建造的坚硬岩石和半坚硬岩石
Ⅴ5
Э
从-3到-5，极点
从-5到-7
稀疏岛状和大片岛状
0-50
0.1-0，2
0.03-0.1
6.7
Ⅱ或Ⅰ
Ⅵ楚科奇褶皱带和太平洋沿岩剥蚀构造中、低山，堆积和剥蚀平原山间凹地
陆源建造的岩石和半坚硬岩石
Ⅵ1
Э
低于-5
连续式
＞300
0.2-0.6
0.03-0.1
5-8
Ⅰ或Ⅱ
Ⅵ2
Э
从-3到-5，极点从-5到-7
同上
100-500
0.1-0.3
0.02-0.1
5.6；
局部7
Ⅰ或Ⅱ
喷发和侵入-变质建造的坚硬岩石和半坚硬岩石
Ⅵ3
Э
低于-5
同上
＞300
0.1-0.3
0.02-0.1
5.6；
局部7
Ⅰ或Ⅱ
Ⅵ4
Э
从-3到-5
同上
100-300
0.2-0.5
0.02-0.1
5；局部6
Ⅰ或Ⅱ
Ⅵ5
Э
从-1到-3
同上
100-200
0.2-0.5
0.02-0.1
5.6；
局部7
Ⅰ或Ⅱ
喷发和喷发-陆源建造的坚硬岩石和半坚硬岩石
Ⅵ6
Э
高于-2
稀疏岛状和大片岛状
0-150
0.2-0.4
0.02-0.15
6-9；
局部5
Ⅰ或Ⅱ
碳酸盐和陆源-碳酸盐和建造的坚硬岩石和半坚硬岩石
Ⅵ7
Э
从-3到-5
连续式
200-300
0.1-0.4
0.03-0.15
6.7
Ⅰ
Ⅶ 阿尔泰、天山、高加索和帕米尔剥蚀构造高山和中山地区
侵入、变质和喷出建造的坚硬岩石
Ⅶ1
Э
从-1到-3，极点低于-3
同上
100-300和
＞300
0.1-0.4
0.03-0.1
6-9
Ⅰ
Ⅶ2
Э
高于-2
稀疏岛状和大片岛状
0-100
0.1-0.3
0.03-0.06
6-9；
局部5
Ⅰ或Ⅱ
Ⅶ3
Э
高于-1
稀疏岛状
0-50
0.2-0.3
0.03-0.06
5.6
Ⅱ或Ⅰ
陆源、变质和侵入建造的坚硬岩石和半坚硬岩石
Ⅶ4
Э
从-1到-3和以下
连续式
100-300和
＞300
0.2-0.6
0.03-0.2
8.9
Ⅰ
Ⅶ5
Э
从-1到-3，极点到-5
同上
100-300
0.1-0.4
0.03-0.15
8.9；
局部7
Ⅰ
Ⅶ6
Э
高于-2
稀疏岛状和大片岛状
0-100
0.1-0.3
0.03-0.1
7-9；
局部6
Ⅰ或Ⅱ
Ⅶ7
Э
高于-1
稀疏岛状
0-25
0.1-0.3
0.03-0.1
6；局部5
Ⅱ
Ⅷ 俄罗斯陆台、西西伯利亚和图拉板状节理的堆积和剥蚀高原，远东南部褶皱系的山间洼地
冰川、冲积及其它成因的粘土、亚粘土、亚砂、泥炭和粗碎屑沉积
Ⅷ1
-
从0到4
过渡性和半过渡性季节冻结
0.5-2.5
0.1-0.5
-
勘察加和远东南部5-9
没有考虑岩层热的状况
冰川、沼泽、冲积等成因的粘土、亚粘土、亚砂、砂和泥炭；陆源建造的半坚硬岩石
Ⅷ2
-
从4到9
稳定型季节冻结
1-3.5
0.1-0.3
-
5
黄土、风成等成因的粉砂岩、砂、亚砂、亚粘土；坚硬岩石碎屑-块体岩层
Ⅷ3
-
高于9
南部及亚热带季节冻结
到0.5
0.01-0.1
-
6-9

真正地超过单一构筑物产生的影响。Tcp和To的差异决定着建筑区域里冻土作用的方向。Tcp =To的条件大体上符合系统均衡，任何建筑区域多年冻岩温度状况的变化都是由该地域上层边界条件确定的（通常是可调节性的）。如果Tcp低于To，无论某建筑区域上部边界条件怎样，那么该系统的多年冻岩将处于渐进转化过程，并且到处都影响多年冻层顶板和底部的状况（后者通常是在建筑地段宽度超过多年冻层厚度情况下）。在Tcp高于To的情况下，该系统将处于多年冻层退化状态，这同样会随处影响多年冻层顶板和底部的状况。如果Tcp高于0℃，那么多年冻层的退化甚至在那些上层边界条件能够保证多年冻层存在的地段（比如公路地带等）伴随着融区的形成，尽管剖面上层保留着某些使融区同下垫冻层隔离的冻岩透镜。
通过研究开发冻土区区域的经验表明，如果在确定加权平均温度时同样考虑其对气候的自然和技术成因动态的依赖性，那么这种温度将成为自然和技术综合体中冻土作用最为可靠的方向性指标。借助于延伸和集约因素对加权平均温度形成进行人为影响的同时，可以控制系统中的热作用。自然和技术综合体中产生的地理物理作用，以及根据П.Ф.Швецов（1973年）得出的结论，是由延伸和集约影响因素决定的。延伸因素指的是热源或者是热流与多年冻岩的接触面积；集约因素指的是接触温度或者是热流值。
我们看看延伸因素，即热接触面积。它们由建筑区域（建筑结构）单元的平衡决定。例如，如果我们涉及的是住宅建筑，那么其单元就是：楼房、地下管道、交通主干道和停车场、行人道、经营场所、绿地、休闲区。这些单元的接触面积与土壤表层形成大量的热源和热流。根据原则Ⅱ建筑的楼房、地下管道和绿地（在建筑区域内绿地被积雪覆盖，对多年冻层产生保暖作用）占用的面积属于延伸因素。根据原则Ⅰ建筑的楼房、交通主干道和停车场、行人道、其他任何覆盖积雪地面所占用的面积均属于集约因素。
控制好延伸因素可以在城市建设要求和经济合理性的范畴内根据楼房密度、道路、工程网，以及土壤改良改变建筑结构（比如，排水、大块碎石材料填土、绿化、清除积雪）。根据城市建设要求，住宅建筑区域内建筑物的密度可以变更18—24%。同时，如果根据原则Ⅱ建筑的楼房，其临界密度（临界密度指的是连续性中断的多年冻岩退化形成的热源密度，）在沃尔库塔地区是6%，在雅库茨克地区是17%。
集约因素调节方法具有很大的潜力。在楼房建筑区域内这种方式可以通过运用固定的建筑原则，或者是固定的建筑原则相结合进行。调节建筑区域内土壤的热状况的合理性主要依赖于冻结土壤的条件和构筑物的用途，选择建筑施工原则可以大范围改变土壤表面的温度，其边界由户外和屋内的年平均温度决定。同时，此类调节的不足在所难免。Г.В.Порхаев（1970年）和Л.Н.Хрсталев（1971年）的专著对建筑物下土壤表层的年平均温度计算方法进行了阐述。
地下管道对多年冻岩的影响可以通过运用铺设方法（地沟铺设、管道铺设）和使用绝热设施加以控制。在畅通的通风管道里铺设卫生工程系统得到广泛普及。在这种情况下，管道铺设地带土壤的年平均温度接近零度。
地域土壤改良是影响土壤表面温度最有效的方法之一。此时调节积雪状况是最主要的方法。依据上述措施可以降低土壤表面的温度4—6℃。该温度的预测方法在专著[102，136]中有所阐述。
最近一些年，在土壤改良方面广泛使用大块碎石材料填土方法。它们对表面温度的影响各不相同，既可能导致土壤的解冻，也可能导致土壤的冻结。同时，大块碎石材料填土与卧式气液温差环流散热系统（散热填料）结合起来可以使土壤深度冻结，其温度相当于冬季户外平均温度。温差环流散热系统的新型结构（Долгих等，1991年），温差环流散热器（冷却装置）长度达500米，不仅可以在某些楼房和构筑物下面，而且可以在整体建筑区域下面使用散热填料，比如，在天然气综合设施、群孔钻进区域、储备库等所有区域。关于散热填料在论文中[138]有所阐述。
如此看来，在自然和技术综合体范畴内有很多种技术资源和影响加权平均温度形成的方式，并且可以保证其具有广泛的应用领域。由此出现一个问题，加权平均温度应该是什么样的呢？
今天无论谁都不会产生疑问，大多数情况下，破坏具有不可逆转特性的自然条件，注定会造成相当大的人力和物力的损失，所以，在区域开发的过程中应当努力将破坏程度减少到最小。就研究的任务而言，这就意味着Tcp = To。但是要达到上述条件不大可能，即使加权平均温度本身是个概值，并且由许多偶然因素的综合影响决定。在Tcp =To条件下，它偏离自身定额，即可能导致退化，有可能导致冻层发育。因为从工程地质观点来看，在许多情况下退化过程是最危险的，所以，比较合理的是在控制地球工程综合系统的过程中力争达到Tcp值要比To低一些。
表 6.2 岩石的多年冻层类型分布
根据由土层构成的岩石组成多年冻层类型分级，块体﹡及其标示
根据岩石、土层和块体的含冰量多年冻层类型组，（iоб）及其标示
根据年平均气温（tср，℃）和厚度（H，米）的分布和特征值多年冻层类型种类及其标示
根据与下部边界地下水的相互作用多年冻层类型的变种及其标示
永久冻结土壤层类型标示
A
分散性粘性（粘土，亚粘土，亚砂土，黄土）

Ⅰ
富冰
iоб＞0.4
1–岛状分布，
tср = 0÷-1，
H达到50
K-与承压水接触
AⅠ1K
HK-不与承压水接触
AⅠ1HK
2–非连续式分布，
tср = -1÷-3，
H=50-100（150）
K-与承压水接触
AⅠ2K
HK-不与承压水接触
AⅠ2HK
3–连续式分布，
tср ＜ -3，
H＞100（150）
K-与承压水接触
AⅠ3K
HK-不与承压水接触
AⅠ3HK
Ⅱ
中等含冰量和少冰
iоб＜0.4
1–岛状，
tср = 0÷-1，
H达到50
K-与承压水接触
AⅡ1K
HK-不与承压水接触
AⅡ1HK
2–非连续式分布，
tср = -1÷-3，
H=50-100（150）
K-与承压水接触
AⅡ2K
HK-不与承压水接触
AⅡ2HK
3–连续式分布，
tср ＜ -3，
H＞100（150）
K-与承压水接触
AⅡ3K
HK-不与承压水接触
AⅡ3HK
Б
分散性游离（砂质，粗碎屑）
Ⅲ
少冰，
iоб≦0.2
1–岛状分布，
tср = 0÷-1，
H达到50
K-与承压水接触
БⅢ1K
HK-不接触
БⅢ1HK
2–非连续式分布，
tср = -1÷-3，
H=50—100（150）
K- 与承压水接触
БⅢ2K
HK-不接触
БⅢ2HK
3–连续分布，
tср ＜-3，
H＞100（150）
K-与承压水接触
БⅢ3K
HK-不接触
БⅢ3HK
В
岩浆，变质，沉积，胶结，化学，有机生成
Ⅲ
少冰
iоб≦0.2
1–岛状分布，
tср = 0÷-1，
H达到50
K-与承压水接触
ВⅢ1K
HK-不接触
ВⅢ1HK
2–非连续分布，
tср = -1÷-3，
H=50—100（150）
K-与承压水接触
ВⅢ2K
HK-接触
ВⅢ2HK
3–连续分布，
tср ＜ -3，
H＞100（150）
K-与承压水接触
ВⅢ3K
HK-不接触
ВⅢ3HK
﹡指20米深处多年冻岩上部

为了达到此目的，在工程冻土条件研究和建筑地基多年冻岩温度状况预测的基础上，可以选择土壤改良及其配套措施。显然，初始冻土状态决定着地基土潜在的热稳定性和地基土热状况变化的后果所产生的危害，是设计规划没有考虑到的（在各种各样投入使用的建筑工程中极为常见）。为了评价地球工程综合系统潜在的稳定性，可以使用多年冻岩分类（见表6.2），包括以下主要特征：构成土层的岩石组成；岩石总体积的含冰量；具有相应年平均温度和多年冻层总厚度相应值的多年冻岩的分布特点；与承压冻结层下的水相互作用的特性，该特性由蓄水层与冻结岩层直接或者间接接触决定。所有这些特征均可以当作管理的必要措施。显然，在年平均温度低于-3℃和总厚度达到100米以上的冻结分散粘性富冰土连续分布地段，适于使用建筑原则Ⅰ。此时控制措施的目标仅仅是保持多年冻层顶板的必要状态。如果建筑区域分布着类似的与承压地下水接触的冻结层，那么控制措施的目标同样应该保持多年冻层底板的稳定状态。在相反条件下，当Tcp＞To时，冻岩可能从下部开始迅速解冻，最终有可能导致地球工程综合系统发生危险的状况。在贝阿铁路干线[9，26]我们观察到了这种情况。在开发非连续式和岛状分布地域的时，年平均温度高于-3℃，多年冻层厚达30—50（70）米，同时接触承压冻结层下水，在这种情况下有关冻结岩层底部边界的稳定问题是特别迫切需要解决的。使用建筑原则Ⅰ来替代在这些条件下传统使用的建筑原则Ⅱ变得更加经济、合理，在这种情况下有可能排除承压水溢出表面，并形成冰椎的可能性。
表 6.3 民用、工业、采矿工程和交通建设中工程构筑物的主要类型
构筑物
类型
标示
Ⅰ 楼房
1 民用
2 工业
3 交通
Ⅰ.1
Ⅰ.2
Ⅰ.3
Ⅱ 交通干线
1 街道、人行道、广场、停车场
2 公路
3 铁路
4 机场跑道、码头
Ⅱ.1
Ⅱ. 2
Ⅱ.3
Ⅱ.4
Ⅲ 管道
1 卫生管网
2 水管
3 煤气管道
4 石油产品输送管道
Ⅲ.1
Ⅲ.2
Ⅲ.3
Ⅲ.4
Ⅳ 高大构筑物
1 井架
2 冷却塔
3 烟囱
4 通风和水塔
5 支架
Ⅳ.1
Ⅳ.2
Ⅳ.3
Ⅳ.4
Ⅳ.5
Ⅴ 地面构筑物
1 活动支架
2 天桥
Ⅴ.1
Ⅴ.2
Ⅵ 地下设施
1 矿山井筒
2 露天矿场
3 钻孔
Ⅵ.1
Ⅵ.2
Ⅵ.3
Ⅶ 容器
1 贮存库
2 粮囤
Ⅶ.1
Ⅶ.2
Ⅷ 空闲开阔地
1 仓库和杂用场地
2 绿化带
3 娱乐休闲场所
Ⅷ.1
Ⅷ.2
Ⅷ.3
正像所指出的那样，为了选择和布置控制手段必须确定建筑区域内的加权年平均温度。对于具体的自然和技术综合体来说，可以在预测特定建筑结构表面温度状况变化的基础上寻求最佳的加权温度值。后者依据开发类型，包括规定的构筑物综合体，其列表见表6.3。预测能够解决水分相位转换环境中不稳定的三维热问题。它属于数学物理方面的最为复杂的问题，目前还没有得到解决。但是，如果忽视对流热传递分量，那么可以把它归结为三维斯蒂芬定律范畴，并尽可能得到基本的解决。我们已经成功地进行了针对上面描述的自然和技术综合体的数学模型 [26]。采用相对不太复杂的计算方程式和措施，预测建筑区域多年冻岩的温度状况，这样就可以用选代法选择控制方式及其最佳的配套措施。
用实例说明。表6.2和表6.3的数据资料表明了地球工程综合系统，及其配套措施，即以开发类型为前提条件的自然和技术综合体。由于专著内容的局限性，我们不可能描述自然和技术综合体所有内容，因此，我们只研究典型地质冻土条件下的天然气开采综合体，由分散富冰岩和不与承压水接触的多年冻层三种分布类型构成。天然气开采的自然和技术综合体的组成包括11种主要的构筑物类型。在上述条件下它们组成33种地球工程综合系统，针对这些组成部分进行了合并统计，并且制定出主要的管理原则（见表6.4）。管理原则在每一种具体条件下，通过大量的上面已经提到过的准确的评价得以确认。
表 6.4 地球工程综合系统管理方法
自然和技术综合体
地球工程综合系统
管 理
多年冻层类型
构筑物类型
集约因素范围：
外延因素
构筑物
建筑
天然气开采综合体
AⅠ1HK
Ⅰ.2；Ⅶ.1
原则Ⅱ。多年冻岩地段范围–土解冻和固结
地域防雪设施，天然气开采综合设施、钻孔群和路基地段大碎石材料的填积
根据可能性多年冻岩地段不建房物。在Tcp＞To的情况下允许建筑房屋
Ⅱ.2；Ⅷ.1
清除积雪
Ⅲ.1
管道堑沟铺设。多年冻岩地段范围–土解冻和固结
Ⅲ.2；Ⅲ.3
管道堑沟铺设。在多年冻岩地段–地面铺设
Ⅳ.5；Ⅴ.1；Ⅴ.2
不适用
Ⅵ.3
多年冻岩地段范围–土解冻和固结
AⅠ2HK
Ⅰ.2；Ⅶ.1
原则Ⅰ。在未溢流类型多年冻岩地段范围–预冻结融土
地域防雪设施，天然气开采综合设施、钻孔群和路基地段冷却材料的填积
根据技术要求和条件Tcp＜To制定建筑结构
Ⅱ.2；Ⅷ.1
清除积雪
Ⅲ.1；Ⅲ.2；Ⅲ.3
地上管道铺设（除自流管道外）。在未溢流类型多年冻岩地段范围–管道堑沟铺设
Ⅳ.5；Ⅴ.1；Ⅴ.2
不适用
Ⅵ.3
除未溢流类型多年冻岩外，在钻孔口设置矿井方向，
AⅠ3HK
Ⅰ.2；Ⅶ.1
原则Ⅰ
地域的防雪设施，天然气开采综合设施、密集钻孔和路基地段大碎石材料的填积
根据技术要求和条件Tcp＜To制定建筑设计结构
Ⅱ.2；Ⅷ.1
清除积雪
Ⅲ.1；Ⅲ.2；Ⅲ.3
地上管道铺设（除自流管道外）
Ⅳ.5；Ⅴ.1；Ⅴ.2
不适用
Ⅵ.3
深钻孔口设置钻井方向
从表6.4的数据资料中可以得出结论，在分散高含冰多年冻岩岛状分布的情况下，基本管理原则是指多年冻岩的预解冻，此时允许Tcp高于To。在多年冻岩间断和连续分布的情况下，保持土壤冻结状态和遵守Tcp低于To条件。此时，在多年冻岩非连续分布地区建议对融区进行预冻结和迅速使用自然冷冻（冷却填料），以便保持岩石的冻结状态。
所提出的管理地球工程综合系统中土热状态概念，其依据是建筑区域地表加权平均温度的预测，可以使北方建筑大型民用和工业用综合设施所引起生态损失降至最低。
6.2 冻土作用危险的评价方法
大众所理解的术语《危险性》通常是灾难、灾祸和不幸，也就是物质资源或者是精神财富，包括人的生命遭受损害的可能性。资源遭受损害是由于地球工程综合系统遭到破坏（工程构筑物以及与其相互作用的地质环境）或者是自然现象给居住环境带来的危害结果。
众所周知，任何事件发生的可能性总是依据事件发生的概率来评价的。由此得出结论，资源遭到破坏的概率就是危险的定量标准。相应地可以把它称为风险。对于地球工程综合系统来说，就是危险发生概率；对于居住环境来说，就是自然界灾难出现的情况下会给居住环境带来的危害。如果可以用金钱来衡量物质损失和精神损失的话，那么每个区域都可以用一定的价值来评定，这种价值是危险尺度，并且可以建立自然灾难保险系统信息基础，同时使许多建筑领域的技术方案最佳化。我们把这种价值称之为风险价值，并通过数学期望值确定资源损害可能带来的物质损失。
确定风险和风险价值不是一件容易完成的任务，当今解决这个问题只能运用概率法。方法如下：地质环境与构筑物和大气层（地球工程综合系统），或者只与大气层（自然环境）的热和力学的相互作用，可以解释为系统质量空间发育的偶然过程。从质量观点看该系统所允许的许多状况，在质量空间形成容许状态区域。如果过程跨越该领域的界限，那么质量丧失，并发生所谓的系统故障。对于地球工程综合系统来说，就是不允许发生的变形或者是构筑物的损坏；对于自然体系来说，就可能使地质环境形态和性质发生不可逆转的变化。整个观察时期（比如建筑使用期限）这种事件发生的概率我们称之为风险，而此时概率值的所有序列我们称之为风险函数。风险函数分析如下：
（6.1）
式中，R（t）—风险函数，
Vi（τ）—在时间τ之内质量空间过程的坐标i；
Vlim，i—表示允许状态区域界限坐标i；
N—质量空间的坐标数量；
T—现在时间。
方程式（6.1）方括弧中表明系统故障条件。如果方程式中表明的临界条件替换为相反的条件，那么，从表6.5数据资料中可以判读。计算结果R（t）远不是寻常的事情。可以有两种解决方法，即分析法和数值法。
分析法比较理想，但是，由于输入参数转化为输出参数的运算过程十分复杂，同时存在大量相互关联的偶然值和随机函数，分析法又受到限制。按照我们的观点，目前分析法只能用于一些列预先假设的一维过程。因为我们总是与多维过程打交道，因此，用一维过程替代多维过程只能在个别情况下进行。比如，在冻硬土上使用建筑原则Ⅰ建筑楼房的情况下，可能会忽略地基沉陷和地基凸起的危险。在这种情况下系统故障概率由地基承载力与负载量之间的相互关系决定。1987年Г.П.Пустовойт运用数值法研究一维过程，并得出结论，该过程属于пуассоновой故障模型。这使得他得到了分析法（Хрусталев，Пустоойт，1988年）。
但是，分析法暂时属于很少见的情况；主要的解决方法是数值法或者统计实验法，还可以称为蒙特卡洛法。为了实施该方法要求建立将输入参数转化为输出参数的运算过程，并进行多次转化，也就是进行实验。根据实验结果计算出的风险函数：
R（t） ＝n（t）/m， （6.2）
式中，R（t）—风险函数统计评价；
n（t）—时间t的故障次数；
m—实验数量。
所有的计算均使用计算机完成。目前我们研编了NAST程序，该程序可以实现地球工程综合系统的蒙特卡洛方法：楼房-土地基，管道-土，跑道-土地基。了解风险概率对于区域的经济评价还是不够的，为此还需要风险值。风险值与风险有着直接的关系。因为故障是偶然事件，所以不可能准确地规定由于出现故障造成的经济损失量。只能对这种量进行经济上的评价，同时自然要使用数学期望值评价损失值，我们称之为风险值。计算的时候首先要找出故障间的平均时间，称之为无故障连续工作时间tlon。为此要弄清楚安全函数R（t），它是风险函数的补充。无故障连续工作时间与无故障函数有关：
， （6.3）
随后很容易计算出观察期限内运营的平均故障量tэ，将它乘于系统的维修成本Cp，得到风险值（CR）：
（CR）＝ Cp（tэ/tlon ﹣1）。 （6.4）
在此需要做出几点解释。第一点，故障值是整数，因此tэ除以tlon的商数入成整数。第二点，针对不可维护的地球工程综合系统来说，Cp值等于系统的初始成本。第三点，对于自然冻土系统来说，Cp是指为恢复自然景观的支出费用，目的是保障居住环境的生态安全。遗憾的是，Cp值暂时研究得还不够，确定该值是未来的事情。最后，第四点，地球工程综合系统的故障常伴随着的不仅仅是构筑物本身的损坏，还包括外加损失，比如，工业产品的生产量减少、货物运输量缩减、环境污染（石油管道事故等等）。这些消耗都应该归结到维修成本中，并且依据类似地球工程综合系统运营的经验统计分析加以确定。
正如上述表明的那样，风险的价值可以用于建立自然灾害损失的保险体系信基础。为此目的，根据可能产生的经济损失应该对冻土环境进行区划。我们的研究证明，决定风险价值空间变化的主要冻土条件是：整块坚硬岩石顶板的埋深，松散沉积的组成和含冰量，多年冻岩顶板埋深及其温度。这就有理由采用列举的条件作为分类标志将正在开发或者已经开发区域分割成具有风险值常数的几个地段。然后，针对每一个地段计算风险值，并反映在地图上。对于地球工程综合系统来说，更为有益的不是风险图的绘制，而是系统总价值图的绘制，此时反映的是构筑物风险值和初始成本构成的风险消耗总值。现在我们要谈论的是最重要的问题，即最佳风险值。
地球工程综合系统的风险函数值由自然气候因素和技术成因因素决定。属于技术成因因素的结构要素对函数值产生强烈的影响，与其他原始数据不同，在改变风险函数的同时，可以对其产生直接影响。我们把这些