冻土层(Tundra),亦作冻土、冻原或苔原,语出萨米语tūndra(tundar的属格),意思是"无树的平原"。在自然地理学指的是由于气温低、生长季节短,而无法长出树木的环境;在地质学是指0℃以下,并含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土(数小时、数日以至半月)、季节冻土(半月至数月)以及多年冻土(数年以上)。冻土层处于水的结冰点以下超过千百年甚至数万年的状况,称为永久冻土(Permafrost)。地球上多年冻土、季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50%,其中,多年冻土面积占陆地面积的25%。
中文名称 | 冻土层 | 外文名称 | Tundra |
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亦作 | 冻土、冻原或苔原 | 出自 | 萨米语tūndra |
冻土层分布地区
前苏联和加拿大近一半的领土都是冻土层,阿拉斯加有85%的土地都是冻土层,赤道附近的乞力马扎罗峰顶也发现有多年冻土。年平均温在0℃以下,一般都在-10℃至-17℃,冬季气温可低至-40℃,甚至-55℃,夏季温度也很低,7月份平均温度不超过10℃,全年结冰日长达240天以上。好山与漠土年均温也很低 ,一般为-4℃至-12℃。冻土区降水很少,欧洲部分为200-300毫米,亚洲和北美洲北部在100毫米以下,西藏冻漠土区因地势高、远离海洋,降水更稀少,一般为60~80毫米,其北部更少,为20~50毫米,其中90%集中于5-9月。降水虽然少,但气温低,蒸发量不大,长期冰冻,土壤湿度很大,经常处于水分饱和状态,夏季土壤-母质融化,砂土可达1~1.5米,壤土70~100厘米,泥炭土35~40厘米,以下即为永冻层,高山冻漠土在宽谷、湖盆永冻层深度80厘米,山坡上可达150厘米。
冻土层暖化
冻原依据其地理位置,可分为北极冻原、南极冻原及高山冻原三大类。西伯利亚西部冻土层含有大量的甲烷,达七百多亿吨,占全球地表甲烷总数四分之一。近年来由于受全球气候变暖的影响,世界各地的冻土有解冻的情况发生,近50年来,北半球冻土面积缩小了300万-400万平方公里。青藏铁路最终克服冻土工程,成为中国引以为傲的成就,但有科学家指称,随着全球暖化的情况日益严重,青藏高原的永久冻土层正在迅速融化中,造成冻土区域的地面不稳定性,再加上青藏高原地震活动频繁,使得青藏铁路的未来抹上一层隐忧。 无论哪一类冻原,占优势的植物都是草、苔藓和地衣。在森林和冻原之间的过渡地带称为树木线。
在地质学里有一门专科叫作冻土学,专门研究有关冻土层的地质特性。
冻土类别 | 形成条件和时间 |
短时冻土 | 数小时、数日以至半月 |
季节冻土 | 半月至数月 |
多年冻土 | 冻土层处于水的冰点以下超过数年 |
永久冻土 | 形成冻土层的时间年限超过千百年甚至数万年以上 |
冻土层施工
冻土是一种对温度极为敏感的土体介质,含有丰富的地下冰,冻土中有一定数量的未冻水存在。不含冰的岩土称为寒土。因此,冻土具有流变性,其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征,在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险:冻胀和融沉,冻胀是因为凝结的冰块非常坚固,膨胀的冰块将土顶上来,并形成大土包。中国的青藏铁路全长1956公 里,其中有长达550公里的地段需要通过冻土层,其中风火山隧道全部位于永久冻土层内,另外还有长达111公里的 "片石层通风路基"。工程师需要透过多种方法如:石气冷、碎石护坡、以桥代路、热棒降温等方式使冻土层的温度稳定,以避免因为冻土层的转变而使铁路的路基不平,防止意外的发生。中国专家指出,青藏铁路的冻土区使用了"热棒"技术,所谓的热棒是一根根中空密闭的钢管,直径约15厘米,高约2米,里面注入氨水,并将热棒的一部份埋入地下,由于上下的温差会让氨水变成气体上升,带走热量,可用以降低冻土的温度,到了夏季,热棒则停止工作。2005年10月12日青藏铁路全线贯通,冻土层行车时速为100公里。
永冻土层上大坝的设计与施工——对俄罗斯远北地区进行工业开发在经济上可行、在政治上有利,而且是国家的重要任务之一。 论述了在极端气候条件下永冻土地区大坝设计与施工的经验。
上世纪90年代起全国通信行业实施了传输网八横八纵战略,在各地通信网建设中,光通信产品以其先进技术和独特优势被广泛运用。西藏业界也渴望建设高效大容量的通信光缆传输干线,服务于藏区经济发展。但因高原气候条件恶劣生态环境脆弱、光缆的物理特性局限等制约屡屡望而却步。西藏靠卫星通信作传输手段,容量小无法满足藏区通信需求。藏区通信工作者勇于探索实验,找到了解决高原冻土层埋设光缆的方法,使光缆通信传输走进青藏高原再上喜马拉雅服务藏区经济社会发展。
依据相似准则进行室内季节冻土层与人工冻结壁共同工作围护体系的破坏试验,确定破坏机制与约束效果。运用传热学、冻土粘弹塑力学等理论,在季节冻土层地温、约束作用可变条件下,得到冻结壁的非均匀温度场、冻结壁内塑性区动态发展规律、壁外侧土压力沿深度变化规律,建立该体系水、热、力耦合空间模型,编制相关程序,数值分析不同气温、冻土层厚度、土质条件、水文地质条件、季节冻土层对冻结壁上端部的约束效果,冻结壁厚度减小趋势。与无季节冻结层约束的冻结壁水平位移、变形、以壁内冻结管为中心的温度场非均匀程度进行对比分析,建立有约束条件的人工冻结壁设计理论。利用破坏试验的位移、温度等实测数据对理论进行完善。本研究成果利用地壳天然冻土层,对传统的直立板墙自由边界计算模型给与创新。为明显降低冻结壁厚度提供了科学依据,在理论上形成新的计算体系,对进一步提高围护结构工程的安全度、降低经济造价具有重要的实际意义和广阔的应用前景。 2100433B
批准号 |
40571032 |
项目名称 |
季节冻土层与人工冻结壁相互作用机制 |
项目类别 |
面上项目 |
申请代码 |
D0106 |
项目负责人 |
徐学燕 |
负责人职称 |
教授 |
依托单位 |
哈尔滨工业大学 |
研究期限 |
2006-01-01 至 2008-12-31 |
支持经费 |
31(万元) |
在季节性冻土地区,当基础设计为设置在允许残留冻土层的基础时,在冻土层上施工的基础。2100433B