退化多年冻土区桩基室内试验成果

作为世界第三大冻土国，我国也是中纬度多年冻土和高海拔多年冻土分布区域最广泛的国家。多年冻土主要分布于青藏高原、西部天山和阿尔泰山、东北大小兴安岭等地区，面积达159万km2，其中高海拔多年冻土面积约为135万km2，高纬和山地复合的兴安岭—贝加尔型多年冻土面积约为24万km2。近年来全球气候出现不断变暖的发展趋势，造成多年冻土区面积减少和冻土分布海拔下界持续的上升，尤其是位于多年冻土边缘地带的岛状冻土区发生的退化最为明显。2013年第五次全球地温评估报告指出，全球地表温度持续升高，1880～2012年全球平均温度已升高到0.65～1.06℃［1～2］。

对于地质时代期间的气候变化研究，可以认为气温存在突变（短期内大幅变化）和渐变（长期内低幅变化）两种升温方式。然而，气温并非是多年冻土的唯一影响因素，除气温因素外，地形、地面状况、地层性质、雪盖等都显著影响多年冻土的存续和状态，甚至，有时局地因素在小的时间尺度和空间尺度内对多年冻土的影响可占主导作用。因此，多年冻土分布的复杂性也决定了多年冻土在退化过程中的非同步和同步，使问题复杂化，但多年冻土的历史分布变化可从某些冰缘构造（如冰楔假形、砂楔、古冻胀丘遗迹、地层中的冻融挠曲等）中判读。

青藏高原从20世纪70年代后期气温持续转暖，导致高原多年冻土呈区域性退化趋势。年平均地温升高0.1～0.5℃，在边缘地带垂向上形成不衔接冻土和融化夹层，多年冻土分布下界上升40～80m，高原多年冻土总面积约减少10×104km2。与70年代相比，目前青藏高原（以下简称高原）上的年平均气温普遍升高0.2～0.4℃，尤其是冬季升温幅度较大，气温年较差逐渐减小，导致在自然条件下高原冻土呈区域性退化。尤其在岛状多年冻土区内，冻土对气候变化的响应较敏感，冻土退化的迹象很多，在微地貌、地表景观及植物等方面均有显示。由于全球气候持续变暖，以青藏高原为主体的多年冻土物理力学现状发生了显著改变，其变化主要体现为以下几点：

（1）地温升高。

冻土温度呈现上升趋势，例如位于青藏高原中低部位山区的冻土温度基本上由以往的-3℃上升至-3～-1℃，盆地和河谷地区的冻土温度升高较大（达到了-1～-0.5℃），青藏高原地区的多年冻土温度升温率达到了0.1℃/a；青藏公路沿线近20年来地温变化表明，高原季节冻土区、河流融区及岛状多年冻土区内含冰量较小的地段年平均气温升高0.3～0.5℃，大片连续多年冻土区内地温升高0.1～0.3℃。

（2）不衔接冻土和融化夹层。

高原气候转暖，导致季节冻结深度减少10～40cm，而融化深度增加5～30cm。当多年冻土区每年的融化深度大于冻结深度时，热量逐渐积累向下传递，造成冻土在垂向上不衔接，在季节冻结层和多年冻土层之间形成多年不冻的融化夹层。在高原多年冻土区的边缘地带，不衔接冻土分布相当普遍，据大量勘探资料统计，多年冻土层顶板埋深为4～7m，而季节冻结深度为2～3m，融化夹层厚为1～4m。(www.xing528.com)

（3）多年冻土分布下界升高。

通过近几年实地勘察资料和70年代前的数据对比，发现在多年冻土边缘地带多年冻土分布的最低下界普遍升高。但由于岩性、坡向及水分等影响因素的差别，造成不同地区和同一地区不同地貌部位多年冻土分布下界升高幅度各有差异，一般上升值为40～80m。

（4）多年冻土总面积缩小。

地温升高造成边缘地带多年冻土层减薄5～7m，或使几米厚薄层多年冻土全部融完，导致高原四周岛状多年冻土界线向中心推移，如青藏公路岛状多年冻土南界向北推移12km，其北界向南推移3km，玛多县城附近多年冻土界线水平推移达15 km，高原冻土退化的结果是多年冻土总面积缩小。按1975年绘制的青藏公路南段117～125道班沿公路两侧2km的范围内《1∶10万的岛状多年冻土分布图》统计，在320km2的图幅内，多年冻土岛总面积为64.8km2，约占图幅总面积的20.2%。根据多年冻土分布的地貌部位，图上又划分出山间盆地冻土岛、山间沟谷冻土岛、山间倾斜平原冻土岛及中、高山地冻土岛四种类型。据近几年来钻孔地温变化资料、公路整治工程的勘察资料及地表沼泽化、沙化、植被变化等综合调查结果与1975年绘制的1∶10万岛状多年冻土分布图相比，重新确定各类岛状多年冻土分布的范围，并分别统计出新的分布面积，结果表明，目前各类多年冻土岛的总面积为41.72km2，约占图幅总面积的13.1%，比1975年减小7.1%，多年冻土岛总面积相对缩小35.6%。

鉴于冻土对全球气温不断升高较为敏感，冻土区地温升高幅度较大、土体冻结持续状态缩短、冻土区最大冻土深度降低、冻土表面积减少、季节性冻土表面积增大、冻土下界总体提升，高原冻土有整体退化趋势。在全球气温上升以及多年冻土退化的情况下，冻土地区桩基的承载力极有可能会发生变化。随着冻土区地表温度升高，冻土中存在的冰晶体将开始融化，而冰晶与土体形成的冰胶结作用也会由于温度升高而发生破坏，土体原有的应力状态发生变化并产生变形，导致冻土区土体的稳定性严重下降，其压缩性和透水性会变得较大，强度与原来冻结状态下相比下降很多，而这很可能会导致冻土局部区域的下沉。而更为严重的是，水的流动会将已融化的土体从承重面挤出，使冻土区上部结构的稳定性降低，从而给国家和人民的财产带来重大危害。在未来的50年，高原的气温将持续转暖，冻土退化的速度可能比现在还要快，大面积的冻土退化将对高原上的环境、生态系统和工程建筑均产生重大影响，我们应高度重视冻土退化的研究和监测工作。