作者：丁靖康,韩龙武,徐兵魁,杨永鹏
出版社：中国铁道出版社
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多年冻土与铁路工程试读：
前言
2我国多年冻土面积约215万km ，占国土面积的22.3％。主要分布在东北的大、小兴安岭和西部的青藏高原。
2006年，青藏铁路（格尔木—拉萨段）建成通车。这是世界上海拔最高的多年冻土区铁路，通过多年冻土区长度约550km。青藏铁路的成功修建是我国多年冻土区铁路筑路技术研究成就的集中体现。
我国多年冻土地区的铁路建设始于20世纪50年代。自1952年开始，在东北大、小兴安岭先后建成牙林线、嫩林线、伊加线和朝乌线等多年冻土区铁路，总长约1500km。1956年，铁道部第一设计院的勘测设计人员进入青藏高原多年冻土区，开始青藏铁路的勘测设计工作。1960年，铁道部高原研究所在青海格尔木成立，并在海拔4750m的风火山北麓建立了我国首座多年冻土定位观测站，修建了50m碎石路基，拉开了青藏铁路多年冻土区筑路技术研究的序幕。1961年，铁道部科学研究院西北研究所在兰州成立。1962年，高原冻土铁路修筑的研究正式列入铁道部十年科技发展规划，并交西北研究所组织实施。1965年，铁道部第三勘测设计院组织开展了东北多年冻土区铁路工程研究。至此，铁路多年冻土研究进入全面发展时期。1984年，穿越天山多年冻土区的南疆铁路吐鲁番至库尔勒段建成通车，标志着我国多年冻土地区铁路修筑进入了一个新的发展阶段。
半个多世纪来，西北研究所、第一勘测设计院、第三勘测设计院、齐齐哈尔铁路局等单位的冻土工程技术人员，在多年冻土地区铁路修筑技术方面，做了大量研究工作，取得了很多成果。如：块石路基、热棒路基、隔热层路基、通风管路基、遮阳棚（板）路基等特殊路基；桥梁桩基试验与设计计算；房屋架空通风基础；隧道防、排水工程中的泄水隧洞；铁路防冻给水管路与防冻储水池；热棒基础涵洞；冻土区挡土墙的设计和计算等。这些成果均已纳入我国多年冻土区铁路勘察、设计和施工的有关规程规范中，成为我国多年冻土区已有铁路维修、养护和新线设计、施工的依据。
青藏铁路的运营实践表明，采用上述研究成果修建的高原多年冻土区铁路是成功的。这充分说明，我国多年冻土地区的铁路修筑技术已达先进水平。
本书以青藏铁路建设中的工程技术问题为基础，系统总结了我国多年冻土地区铁路修筑中的多年冻土环境工程地质问题和各类铁路工程勘测、设计、施工和运营中的特殊铁路工程技术问题。内容包括多年冻土区铁路选线、建筑选址、冻土地基基础设计原则和计算方法、冻土物理力学参数的确定、热防护措施设计以及冻土环境保护要求等。
谨以此书献给我国多年冻土地区的铁路建设者。作者2011年7月上篇多年冻土工程地质第1章概论1.1全球多年冻土的分布概况2
地球陆地总面积约为14950万km 。多年冻土占整个地球陆地面2积的1/5，约3000万km 。除大洋洲外，各洲均有分布。主要分布在高纬度的极地和极地附近寒冷地区以及低纬度高山区。北半球，多年冻土主要分布在欧亚大陆、北美洲大陆及北冰洋中的岛屿（包括格陵兰、冰岛等）。南半球，多年冻土主要分布在南极洲及其周围岛屿和南美洲南端的火地岛和福克兰群岛。
从多年冻土的分布和形成条件来看，全球多年冻土可分成两大类：一是处于高、中纬度的大陆多年冻土；二是处于中、低纬度的高山和高原多年冻土。
大陆多年冻土区包括欧亚大陆、北美大陆和南极洲大陆的各多年冻土区。
欧亚大陆多年冻土区包括北欧诸国北部，往东到俄罗斯欧洲部分北部、乌拉尔山及西伯利亚的绝大部地区、蒙古国和中国东北以及阿尔泰山地区。欧亚大陆多年冻土区的南界在亚洲最南可达45°～46°N，2其分布面积约1000万km 。
北美大陆多年冻土区包括美国阿拉斯加和加拿大一半以上的国土以及格陵兰岛和北冰洋中的大多数岛屿。
高山和高原多年冻土区包括欧亚大陆多年冻土区以南的天山、帕米尔、青藏高原及欧洲的高加索、阿尔卑斯山、比利牛斯山等多年冻土区和南美洲安第斯山、新西兰库克山、非洲乞力马扎罗山等多年冻土区。
位于欧、亚大陆北部，北极圈附近的俄罗斯、中国和北美大陆北部的加拿大、美国，是世界上多年冻土分布最广的国家。俄罗斯多年2冻土分布面积约1000万km ，占俄罗斯国土面积的58％，是世界上多年冻土分布最多的国家；其次为加拿大，多年冻土面积约490万22km ，占加拿大国土面积的49％；我国多年冻土面积约215万km ，占国土面积的22.3％，在世界多年冻土国家中占第三位，其中，高海拔多年冻土面积居世界之最，主要分布在东北高纬度地区的大、小兴安岭和松嫩平原北部及西部高山和青藏高原。美国多年冻土面积约2140万km ，占美国国土面积的15％，集中分布在阿拉斯加地区。此外，在挪威、瑞典、芬兰、冰岛、智利等国家，多年冻土也有零星分布，但面积很小。南极洲的绝大部分位于南极圈内，面积约1405万22km ，由大陆、陆缘冰和岛屿组成，大陆面积约1239万km ，98％为冰覆盖。冰层平均厚度2000m，最大厚度4750m。裸露的大陆仅见于周边地区。格陵兰岛的绝大部分位于北极圈（纬度66°33′23.9″）以2内，面积约217万km ，82％的面积为冰覆盖，冰层平均厚度1500m，最大厚度3410m。
综上所述，世界多年冻土主要分布在：俄罗斯、加拿大、中国、美国、挪威、瑞典、芬兰、蒙古等国家。季节冻土和冰缘现象发育的主要国家有：日本、波兰、法国、德国、印度、捷克、匈牙利等。1.2多年冻土的形成与发展
冻土是在岩石圈—土壤—大气圈之间的热、质交换过程中形成的。多年冻土是在特定气候条件下，大气圈与地表之间长期相互作用的结果。
众所周知，地表土壤、岩石层中的热量，来自太阳的短波辐射和岩石圈下部的高温塑流地幔层以及地壳岩层放射性元素的衰变。地幔和岩石圈中的热量，以热流q通过地壳岩石，源源不断地向地面传输，并散发至大气中。到达地表的太阳短波辐射（包括直接辐射和散射辐射），在去掉地表的反射辐射和有效长波辐射后，地面得到的是净辐jj射热能Q 。因此，地表土壤、岩石层获得的热量为Q 与q之和。这些热量主要消耗于大气与地表间的湍流热交换、水分蒸发耗热、和地面与地中的热交换（地中土的升温或冷却、水的相变等）。
在这种热、质交换过程中，如果地表土壤、岩石层（10m至数百米）连续多年获得的能量小于失去的能量时，则形成多年冻土。
太阳辐射是地表热量的主要来源，是影响多年冻土发育的主要因素。通过太阳辐射和地表能量平衡观测，可正确判定、评价多年冻土的发展趋势。
多年冻土的保存与发展，取决于地表与地中的热交换。在一个接触层热交换周期中（寒季和暖季），地表放出的热量等于或大于吸收的热量时，多年冻土得以保存和发展。否则，多年冻土将衰退和消亡。1.3多年冻土地区的铁路
多年冻土地区的铁路建设始于19世纪晚期。俄罗斯是在多年冻土地区进行铁路建设最早的国家。目前，俄罗斯在多年冻土地区已修筑了7条干线铁路，通过多年冻土地区长度达10000km以上。1892年俄罗斯开始修建第一条西伯利亚大铁路，即后贝加尔铁路。该线全长9446km，穿越多年冻土地区约2200km，1902年建成通车。20世纪70年代，又开始修建第二条西伯利亚铁路，即贝阿铁路。该铁路西起贝加尔湖北部的乌斯季库特，东至阿穆尔河（黑龙江）下游的共青城，全长3500km，通过多年冻土地区长度约2500km，于1984年建成通车。目前正在修建的别尔卡基特—托莫特—雅库茨克铁路全长818km，几乎全部位于多年冻土区。另外，秋明经苏尔古特至乌连戈叶、沃尔格达至沃尔库塔、彼尔姆至谢尔吉斯克、卡尔波戈雷至阿拍吉特几条南北向铁路干线，几乎全部从多年冻土地区通过，铁路北端已进入北极圈。
加拿大在二战期间，开始在多年冻土地区修建铁路。目前，加拿大在多年冻土地区共有铁路五条，即：埃得蒙顿—丘吉尔港（哈得森弯）；利贾纳—海利克（大努湖）；梅尼埃港—谢费维尔；迫斯—林莱克；锡基特波蒂奇—林莱克。五条铁路穿越多年冻土区长度约2000km。
美国在1904年开始修建从阿拉斯加南部港口苏瓦德至中部城市费尔班克斯的阿拉斯加铁路，线路总长756km，通过多年冻土地区长度约350km。
我国多年冻土区铁路总长约1900km，主要集中在东北大兴安岭多年冻土区和青藏高原多年冻土区。计有：青藏线（多年冻土区线路长度约550km）；牙林线（约350km）；嫩林线（约470km）；潮乌线（约90km）；伊加线（约230km）、林碧线（约80km）、塔韩线（约80km）等。穿越天山的南疆铁路，亦有约50km线路通过天山多年冻土区。
其他国家在多年冻土地区建设的铁路就比较少了。在北极圈内，挪威有铁路约180km；瑞典有铁路约300km；芬兰有铁路约420km。
在南美洲秘鲁、智利和波利维亚三国交界的安第斯高原（海拔4000m以上）上，有三条高原铁路，即：秘鲁的中央铁路；智利的堪拉浩雪铁路（从智利沿海港口安托法加斯塔至波利维亚高原城市乌尤尼）；波利维亚的波托西支线铁路。其中，堪拉浩雪铁路最高点海拔4825.2m，但由于该处纬度在南纬20°附近，多年冻土的分布下界应在5000m以上。故三条铁路都未通过多年冻土区。1.4多年冻土地区筑路的特殊工程地质问题
多年冻土地区的铁路运营实践表明：多年冻土地区的铁路建筑，必须运用特别的设计理念、选择合理型式的基础和地基处理方法、采用特殊的施工工艺，才能确保和维持铁路工程的长期稳定。否则，多年冻土上的铁路工程必然会出现大量变形，甚至破坏。
多年冻土地区铁路工程的设计、施工和运营，需要考虑和解决的核心问题是：（1）在采用保持地基多年冻土冻结状态原则设计时，应选用合理的建筑结构和基础类型，通过特殊的施工方法，来保持地基多年冻土的冻结状态，维持地基多年冻土的地温在施工和运营期间始终在设计允许的变化范围内。（2）允许地基多年冻土在施工和运营期间融化时，应控制地基的融化下沉速率和下沉总量始终在设计允许范围内。
多年冻土地区的铁路工程地基基础系统，是位于地表半无限热力学系统中的一个子系统。即多年冻土地区的铁路工程地基基础系统，首先是一个热力学系统，维持多年冻土上铁路工程稳定的问题，首先是一个热工问题。在铁路的施工与运营期间，应保证系统与外界的热交换，不影响铁路工程地基基础的热学稳定，这是多年冻土地区筑路与一般地区不同的地方。
冻土是一种含有冰的多相岩体，在负温条件下，其强度和变形特性与一般软岩相比，具有良好的工程性质。但随着土温的升高，冻土的工程性质迅速变化，冻土工程的可靠度（稳定性）迅速降低。在地基多年冻土融化时，很多情况下，将引起建筑物的大量变形，甚至破坏。冻土中，冰和未冻水的存在，使冻土具有明显的流变特性。多年冻土地区严寒的气候和特殊的水文地质条件，使冷生过程和冷生现象发育。
经验表明，在多年冻土地区，许多严重的工程问题都是由高含冰量多年冻土的生成与退化引起的。地基高含冰量多年冻土的融化，将使地基失去承载能力，引起建筑物的变形和破坏。地基中高含冰量冻土的生成，将引起建筑物的严重冻胀变形。
多年冻土地区的工程施工，将影响多年冻土地区许多自然过程的发展速度和规模，特别是对冻结和融化过程及其伴生现象的影响尤为明显。施工活动对多年冻土的影响可以是直接的，也可以是间接的。多年冻土地区的工程活动引起的环境工程地质问题主要有：多年冻土的衰退和融化；热喀斯特、地面沉陷、热融滑塌发育；冰锥、冰丘活动加剧；活动层厚度加大，地下水位下降，植被衰退，土地荒漠化加剧等。
近30多年来，全球气温升高和人类经济活动加剧给多年冻土环境带来的影响是巨大的。我国的多年冻土出现了明显衰退，由此产生的环境工程地质问题，给多年冻土地区铁路工程建设造成的损失也是巨大的。
多年冻土环境的热敏感性和冻土的特殊工程性质，使得多年冻土地区的铁路工程建设过程复杂化。为维持多年冻土上铁路工程的稳定，除设计合适的冻土工程结构和基础形式外，还要求采用保护多年冻土环境的特殊施工方法。100多年来的多年冻土地区筑路经验表明：“没有多年冻土环境的热稳定，就没有多年冻土上铁路工程的稳定。”稳定的多年冻土环境是维持多年冻土区铁路工程热、力学稳定的前提。
多年冻土环境是地质历史变迁与现代气候变化的产物。存在于大气、植被、活动层和多年冻土间的热平衡状态，是上述变迁和变化的结果。维持、改善现有热平衡状态，提高多年冻土环境的热稳定性，则多年冻土是相对稳定的。
多年冻土工程地质条件与多年冻土环境特征密切相关。多年冻土环境，决定着多年冻土的特征、分布和埋藏条件；决定着冻土的构造特征和物理力学特性；决定着冻土区冷生过程与现象的发育程度。国内外多年冻土区铁路工程的运营实践表明：要维持多年冻土区铁路工程的稳定，必须根据铁路通过地带多年冻土环境的特点，采用不同的、合理的环境保护措施，来确保多年冻土环境的热稳定。
100多年来，尽管冻土工程师们，在多年冻土地区铁路选线、建筑结构与地基基础设计、施工等方面，作了大量的研究，采用了许多新的结构与热防护措施，但多年冻土区铁路路基工程的病害发生率仍维持在20％～40％。据1996年俄罗斯铁路部门对后贝加尔铁路（西伯利亚大铁路）多年冻土地区路基冻融病害的调查，其病害率竟达40.5％；据1994年调查，贝阿铁路路基的病害率，亦达26.7％；我国大兴安岭地区铁路线路的病害率也在30％以上。
在多年冻土地区的工程活动中，要正确、全面评价多年冻土环境对工程的影响是困难的。例如，1976年，美国修建阿拉斯加输油管线工程时，由于对多年冻土的影响估计不足，致使工程建设费用由最初预算的10亿美元，增加至决算时的80亿美元。在阿拉斯加州，每年用于道路工程的养护费用约80亿美元，其中20％的支出与多年冻土有关。这就充分说明，认识多年冻土环境的特殊性，加强对铁路工程与多年冻土环境相互影响的研究，于多年冻土地区铁路工程建设是多么重要。
多年冻土地区筑路将遇到以下主要冻土工程地质问题。（1）地基多年冻土的衰退和融化对铁路工程的危害；（2）地基活动层土体冻结、融化过程对铁路工程稳定性的影响；（3）不良冻土现象对铁路工程的危害。
尽量减少对现存地表状态（植被覆盖、水体分布、沼泽湿地分布、裸露地表的岩性成分和密实度等）的破坏和对地基多年冻土的热干扰，是维持冻土工程稳定的重要方法。缺少对多年冻土环境和冻土工程特性的充分认识，将导致极高的施工和养护费用，有时甚至使工程毁坏而不得不废弃重建。
多年冻土地区铁路建筑技术的核心问题，是铁路工程基础合理型式的选择和多年冻土地基的正确处理。多年冻土地区铁路工程的设计和施工，常采用以下方法。（1）合理选择铁路线路：充分考虑多年冻土工程地质条件的特殊性，为提高铁路工程的稳定性，应将线路布置在多年冻土热稳定性好，向阳、干燥的低含冰多年冻土分布地带；避开不良冻土现象、地下水发育地带和高含冰量多年冻土分布地带。（2）选择良好的站后工程建筑场址：多年冻土地区建筑物的选址，对建筑物的长期稳定有重要意义。地基良好的冻土工程地质条件是冻土工程稳定的基本保障。（3）减小和消除地基活动层土冻融循环过程对铁路工程建筑物的影响：施工前，采用热学、力学等物理化学方法对地基土进行改良和处理，使地基活动层土体具有良好的抗冻融循环性能；采用适应多年冻土环境特点的合理基础型式；采用柔性结构等能适应大变形的建筑结构。（4）控制地基土的热状态，防止地基多年冻土衰退：保护好多年冻土环境，在建筑物施工和运营期间，把地基多年冻土的热状态控制在允许的变化范围内，来保持铁路工程的稳定。（5）合理组织施工，采用快速施工方法：尽量减少地基多年冻土的暴露时间，是减少施工热干扰的有效方法。因此，多年冻土地区铁路工程的施工，应尽量采用“爆破开挖、快速施工”方法，并加强施工场地排水和暴露多年冻土的临时隔热防护，以减少对地基多年冻土的热干扰，加速工程—地基系统热平衡的恢复，提高铁路工程的稳定。
多年冻土地区的铁路建设已有100多年历史。在这100多年的铁路设计、施工和运营中，积累和总结出了不少成功的经验，使今天多年冻土地区的铁路建设得以蓬勃发展。但由于多年冻土环境的复杂性及当今全球气候转暖，在多年冻土出现严重衰退条件下，如何维持多年冻土地区铁路工程的长期稳定，仍是一个值得关注和探讨的问题。第2章我国多年冻土的分布和特征2.1我国多年冻土的类型和分布
我国多年冻土的类型与分布如图2-1和表2-1所示。2
我国是世界上主要的多年冻土国家，多年冻土面积约215万km ，居世界第三位，其中，高海拔多年冻土面积居世界之最，主要分布在东北高纬度地区的大小兴安岭、松嫩平原北部、蒙古高原和西部高海拔的青藏高原以及西部、东部的部分高山区（图2-1）。图2-1 我国多年冻土分布及类型
图2-1中东北和西南的两大片深蓝和浅蓝色部分和星点分布的浅蓝色斑点就是我国的多年冻土。从图可以看出，我国的多年冻土主要分布在我国的西部高原和高山地区；东部平原和中、高山区，除北纬50°附近的高纬度地区有大片多年冻土分布以外，其余地区仅有少量多年冻土分布。即我国的多年冻土主要有两大片：西部高海拔的青藏高原多年冻土和东北高纬度的大、小兴安岭多年冻土。其余的多年冻土则分散分布在我国西部和东部的部分高山区。
多年冻土的存在和分布是地质历史变迁和近代气候变化的产物。影响和决定多年冻土形成和发展的因素有：气候条件、地形、地貌和地质构造等。其中，气候条件对冻土的形成和发展有着重要影响。在高纬度和高海拔地区，严寒的气候条件（年平均气温低于0℃），是多年冻土生成和保存的基本条件。在我国三大气候区（东部季风区、西北干旱区和青藏高寒区）中，多年冻土均有分布。在三大气候区进一步划分的12个气候带中，多年冻土主要分布在寒温带、中温带北部和高原寒带、高原亚寒带及高原温带五个寒冷气候带中，这些气候带的自然景观和主要气候要素如表2-2所示。表2-1 我国多年冻土的分布和特征表2-2 我国多年冻土分布地区的自然景观和主要气候要素
地质构造和地形、地貌对冻土形成和发展的影响，主要表现在地形（高山、河谷平原）、地貌（包括植被和雪盖）不同，地表得到的太阳辐射能量不同，因而，多年冻土的发育程度不同。如：山区较之河谷平原，气温要低，寒季要长，多年冻土的年平均地温要低，厚度要大；阴坡较之阳坡，由于获得的太阳辐射能量较少，多年冻土的年平均地温要低，厚度要大；植被覆盖良好地段较之裸露地段，由于植被叶面蒸腾、光合作用耗热大，地表暖季获得的太阳辐射能量较少，多年冻土的年平均地温要低，厚度要大。地质构造和岩相（热物理性质变化）不同，地中热流的大小不同。在地质构造带，岩浆和地下水活动频繁，地中热流q大，多年冻土的年平均地温较高，厚度要小；岩石圈的年代越古老，放射性元素的衰变越弱，q越小，多年冻土的年平均地温要低，厚度要大。即地形、地貌和地质构造对多年冻土的温度和厚度都有重要影响。
根据多年冻土的生成和保存条件，我国的多年冻土大体可以划分为高纬度多年冻土和高海拔多年冻土两种类型。（1）高海拔多年冻土
我国的高海拔多年冻土主要分布在我国西部的青藏高原和西部、东部的部分高山区。因此，高海拔多年冻土又可划分为高原多年冻土和高山多年冻土。高原多年冻土分布在西部青藏高原；高山多年冻土主要分布在西部的阿尔泰山、天山、祁连山、阿尔金山、横断山、喜马拉雅山以及东部的太北山、五台山、长白山、黄岗梁山等高山区。
青藏高原是新构造运动强烈的地区，南北跨越近10个纬度，东2西横穿约26个经度，其面积约200万km 。高原地势高耸，海拔平均在4000m以上，高原腹部地区，海拔高度达4500m以上。青藏高原特有的海拔高度，决定了它具有-3.0℃～-7.0℃的年平均气温，这就为高原多年冻土的形成和保存，提供了必要的低温条件。青藏高原多年冻土区是世界中、低纬度地带海拔最高、面积最广的冻土区，多年冻土面积约占我国多年冻土区面积的72％。
青藏高原地势西北高、东南低，西北部寒冷干燥，东南部较温暖湿润。因而，高原西北部多年冻土最为发育，呈连续分布，年平均地温低、厚度大，为大片连续多年冻土区。从西北向东南，随纬度和海拔高度的降低，气温升高，多年冻土由大片连续分布过渡为岛状分布。
高原地区河流下切强烈，第四系沉积多为粗颗粒砂卵石土和碎石土。
高山多年冻土的分布受纬度和海拔高度控制。翻开中国地形图，横断山脉以西的西部高原，有阿尔泰山、天山、祁连山、喜马拉雅山等诸多大山系分布。在东部中、高纬度地区有秦岭、太行山、长白山等高山分布，在这些山系的顶峰及其相邻地区，当由纬度和海拔高度决定的气候条件适合多年冻土的生成和保存时，则有多年冻土分布。
高山多年冻土的分布下界受纬度控制，随纬度的降低，多年冻土的分布下界升高。（2）高纬度多年冻土
我国的高纬度多年冻土集中分布在我国东北的大、小兴安岭地区，是欧亚大陆高纬度多年冻土区的南部边缘。
大兴安岭为北东～南西走向，小兴安岭为北西～南东走向，两山呈“人”字形分布，其地势整体呈现西北高、东南低。大兴安岭东坡较陡峻，西坡则是较为平缓的丘陵山地，海拔高度在600～1400m；小兴安岭山势较平缓，海拔在500～800m。由于高纬度地区气温具有明显的随纬度升高而降低的特性，故该区多年冻土的分布和特征也具明显的纬度地带性。自南而北，随着纬度的升高，年平均气温降低，多年冻土的年平均地温降低，多年冻土厚度增加，分布面积逐渐增大，多年冻土的连续性由岛状分布，逐渐过渡为大片连续分布。2
我国多年冻土的总面积约215万km ，占我国国土面积的22.3％。其中：2
①高纬度低海拔多年冻土：约39万km ；2
②高原多年冻土：约150万km ；2
③高山多年冻土：约26万km 。2.2我国多年冻土的基本特征
总体来看，我国的多年冻土具有以下基本特征：（1）多年冻土的年平均地温高，厚度小，热稳定性较差、连续性较差；（2）我国大、小兴安岭的多年冻土环境与青藏高原的多年冻土环境有着明显差别。因而，两地的“多年冻土工程地质条件”具有不同的特点。
大、小兴安岭多年冻土区为森林、草原覆盖的地势平缓的低山、丘陵（图2-2）区。该区具有湿润多雨、地表水发育、河流蛇曲，沼泽、湿地发育，第四纪沉积多为残积、坡积、洪积细颗粒土和碎石土；青藏高原多年冻土区则是高原荒漠（图2-3）地区。具有干旱少雨、新构造运动活跃，地势高耸，中、高山与平原相间，山区地形割切严重，平原地形平坦开阔，植被稀疏，第四纪沉积多为冲积、冰水沉积的粗颗粒土。这种冻土环境的差异，决定了两地多年冻土的分布和特征不同，多年冻土工程地质条件不同：在大、小兴安岭多年冻土区，饱水细颗粒土的冻融循环，会使冷生过程和不良冻土现象发育，从而给铁路工程建设和运营带来更多的冻土环境工程地质问题；而在青藏高原多年冻土区，少水干燥粗颗粒土的冻融循环过程相对缓和，铁路工程建设和运营遇到的冻土环境工程地质问题则相对较少。图2-2 大兴安岭多年冻土区的地形、地貌图2-3 青藏高原多年冻土区的地形、地貌2.2.1 高纬度低海拔多年冻土
我国东北高纬度、低海拔多年冻土区位于北纬46°30′和53°30′之2间，海拔高度从几百米至1400m，面积约38.8万km ，其分布如图2-4所示。
该多年冻土区的自然景观可分为以下四个区：大兴安岭北部和中部的针叶林区；小兴安岭的针、阔叶混交林区；松嫩平原森林草原区以及呼伦贝尔—锡林郭勒高原干旱、荒漠草原区。
多年冻土的发育特征与分布，受以下环境条件的制约。（1）气候条件图2-4 大、小兴安岭多年冻土分布及未来南界变动预测A—100年前南界位置；B—现今南界位置；C—气温升高1℃时的南界位置；D—气温升高3℃时的南界位置。
该多年冻土区位于我国气候区的寒温带和中温带北部。气候严寒、干燥，冬季漫长，夏季短促，年平均气温低，年较差大，属大陆性季风气候。从多年冻土南界向北，年平均气温从0℃～1.0℃降低到-5℃～-6℃（图2-5）；气温年较差从35℃递增到50℃左右；降水量由500～600mm减少到200～300mm以下。冬季，该区气候受西伯利亚和蒙古高压控制，冷空气长驱直入大、小兴安岭，使得该区气温大幅度下降，与同纬度的新疆地区相比，气温要低5℃～14℃。图2-5 大、小兴安岭年平均气温（℃）、降水（mm）等值线图
夏季，南来的暖湿气流与北来的冷空气在本区交汇，形成多雨天气，使80％～90％的降雨量都集中在夏季，在一定程度上抑制了气温升高。因而，东北夏季气温比同纬度的新疆地区要低1℃～7℃。大、小兴安岭较低的年平均气温是该区多年冻土得以发育和保存的基本条件，也是欧亚大陆多年冻土南界能在本区明显向南突出的主要原因之一。
另外，冬季（11月中旬至翌年2月底），该区大气逆温层的广泛分布，是大、小兴安岭地区气候的另一特点。这是受西伯利亚、蒙古高压控制的结果。逆温层中心约位于俄罗斯雅库茨南部山地。逆温层的厚度在西伯利亚山地约达1200～1500m，逆温梯度（1.5～2.0）℃/100m。进入我国境内逆温层厚度为500～1000m，其逆温梯度：漠河为1.0℃/100m，嫩江为0.8℃/100m，海拉尔为0.5℃/100m（1961年）。冬季逆温层的广泛分布，对大、小兴安岭多年冻土特征地域差异的形成和发育有着重要影响。（2）植被覆盖
植被覆盖对大、小兴安岭多年冻土的发育特征和分布有着重要影响。大、小兴安岭地区绝大部分地面都为森林、灌木、苔草、苔藓层所覆盖。植被的蒸腾和光合作用，要消耗来自太阳的大量辐射热能，其表面温度是较低的，加上植被生长有机层的隔热，使传入地中的太阳辐射热量大为减少。据有关观测资料，夏季晴天时，密集塔头草覆盖地面的温度比裸露地面要低16℃～22℃（图2-6）。植被覆盖地表的这种热特性，对该区多年冻土的发育和保存是很有利的。图2-6 大兴安岭北部裸露地面与植被覆盖地面温度（14时）的比较1—裸露地面；2—14时气温；3—塔头草覆盖（3）地形、地貌
大、小兴安岭多年冻土的分布和特点与地形、地貌特征有密切关系。大、小兴安岭的地形、地貌是地壳在内、外营力长期作用下，经褶皱、断裂等构造运动和侵蚀、夷平等地貌过程而形成的。大兴安岭为北东～南西走向，小兴安岭为北西～南东走向，两山呈“人”字形分布，贯穿整个地区，其地势整体呈现西北高、东南低，嫩江、贝尔茨河从中部穿过。中段的阿尔山、伊尔施至卓尔河一带，地势较高，海拔1000～1400m；北部的满归、古莲地段，则地势较低，海拔500～600m。大、小兴安岭地形的不对称性，使得阴、阳坡面松散物质沉积、水分、植被、温度等出现较大差异，这对多年冻土的分布与保存有着重要影响。（4）地质构造
大、小兴安岭在地质构造上属于兴安海西褶皱带。该褶皱带是在古生代经海西运动形成的。大兴安岭由几组平行的北东～南西向复背斜、复向斜和几组北东～南西向深大断裂组成。小兴安岭则为北西～南东向褶皱组成。中生代以后，又经燕山运动和喜马拉雅运动，火山活动频繁，因而，大、小兴安岭地区的基本岩层多为岩浆岩，岩性主要为花岗岩、流纹岩、玄武岩等，沉积岩及变质岩仅有少量分布。该区自第三纪末以来，在老构造的基础上一直处于缓慢抬升，长期受到剥蚀和夷平。第四纪沉积，在山顶只有1～2m的残积碎石、角砾夹亚黏土、亚砂土；山麓、山间谷地、盆地则沉积着10～15m不等厚度洪积、坡积型粉土、粉质黏土夹碎石、砂砾等。长期相对稳定的沉积环境，赋予植被良好的生长条件，坡地表层沉积着厚度1～3m、河谷阶地达5m的腐殖质土和泥炭。这种良好的地质环境非常有利于多年冻土的发育与保存，在一些潮湿的细颗粒土地段和饱水泥炭地段，甚至在年平均气温高达0℃～1℃条件下，仍有岛状多年冻土和厚层地下冰存在。
在上述因素影响下，大、小兴安岭地区的多年冻土具有以下特点：（1）多年冻土的分布和特征受纬度控制，即具明显的纬度地带性。
在该多年冻土区，自南而北，随着纬度的升高，年平均气温降低，多年冻土的年平均地温降低，多年冻土厚度增加，分布面积逐渐增大。多年冻土的连续性由零星分布、岛状分布，逐渐向大片连续分布变化，多年冻土中的融区逐渐减少。（2）多年冻土的特征还受海拔高度影响。
在西北部的大兴安岭中、高山地区，多年冻土比东南部的小兴安岭低山丘陵区更为发育。西北部中、高山区的多年冻土，其年平均地温较低、厚度较大、连续程度较高。（3）多年冻土区中的多年冻土面积从南往北从10％～20％增至70％～80％。（4）多年冻土年平均地温从南往北从0℃～-1.0℃降至-1.0℃～-2.0℃，最低可达-4.0℃左右。（5）多年冻土厚度：从南往北，从5～20m增至60～70m，最厚可达120m以上。（6）地温年变化带厚度一般12～16m，以14～15m居多。（7）受冬季逆温层的影响，在同一局部地区，植被发育的山间低地、沼泽湿地地段，多年冻土往往最为发育，而在高地和山顶，多年冻土则处于衰退状态或缺失。
根据大、小兴安岭多年冻土的分布规律和发育特征，可对其进行如下冻土工程地质分区：岛状融区多年冻土区（Ⅰ）；岛状多年冻土区（Ⅱ）；零星岛状冻土区（Ⅲ）（图2-4，表2-3）。表2-3 大、小兴安岭多年冻土的工程地质分区及特征
以下为各区多年冻土的基本特征。（1）岛状融区多年冻土区（Ⅰ）
岛状融区多年冻土位于大兴安岭西坡北部的最北部边陲，为年平2均气温-5℃线所包围的地区，面积约5.16万km 。西、北以额尔古纳河、黑龙江为界，西南沿着莫尔道嘎、得尔布尔一线至图里河，东边沿大兴安岭岭脊线东侧向北至漠河一带。该区气候严寒，年平均气温在-3.8℃～-6℃以下，气温年较差可达46℃～48℃，冻结指数大于3600℃·d，冻结期长达7个月，属寒温带。多年冻土呈大片分布，连续率可达75％左右。除河床下没有冻土外，基本都有多年冻土分布。但在裸露或树木稀少的阳坡和海拔高度低于700～800m的山顶，往往没有多年冻土存在。由于坡向、植被发育程度、第四系松散层厚度等的不同，多年冻土厚度、温度及地下冰等都具有较大的变化。山间河谷及沼泽洼地和低阶地地带的冻土厚度可达60～80m，最厚可超过90～120m；多年冻土年平均地温一般为-1.5℃～-2.5℃，最低可达-3.2℃。从年变化深度至50m深处的地温梯度约为0.05～0.06℃/m左右；50m以下至冻土下限为0.03℃/m左右。
该区多年冻土的上限埋深具有如下特点：在植被覆盖良好地段为0.5～1.0m；覆盖条件一般地段为1.0～2.0m；覆盖条件差的地段为1.5～2.5m。
该区的山间盆地底部、沼泽、湿地、低阶地及河漫滩等地段，往往是多年冻土最发育、地下冰最多的地段。地下冰层厚度由几厘米至1～2m，向下延续深度可达十几米。此外，多年冻土中裂隙冰也很发育，一般厚度1～5cm。（2）岛状多年冻土区（Ⅱ）
岛状多年冻土区为年平均气温-5℃和-3℃等值线所包围的地带，呈半环状，即岛状融区多年冻土区的东南部地区，面积约5.6万km 2 。该区多年冻土的连续率为40％～55％。除大、中河流河床及深大断裂充水带属于融区外，在部分小河河床下以及植被稀少和裸露的阳坡也出现融区。多年冻土主要分布在山间谷地、阴坡和半阴坡、沼泽湿地等地段，厚度一般20～50m，多年冻土年平均地温为-0.5℃～-1.5℃。多年冻土上限埋深为0.5～2.5m，层状地下冰和裂隙冰较为发育。（3）零星岛状多年冻土区（Ⅲ）
零星岛状多年冻土主要分布在大兴安岭东南和小兴安岭地区。为年平均气温-3℃等值线和0℃等值线所包围的地区，总面积约2.6万2km 。在零星岛状多年冻土区，由北向南多年冻土的分布面积，由30％逐渐减少至小于5％。
该区多年冻土多存在于草甸，塔头草发育的沼泽、湿地、洼地以及阴凉的山前缓坡中。阳坡和山顶通常很少发现有多年冻土；在黑河至北安的高等级公路沿线的沼泽湿地中都发现有多年冻土岛存在；即使在南界的北安，厚层泥炭覆盖的沼泽湿地亦见有多年冻土岛。多年冻土厚度的变化，总的规律是由南界往北随纬度升高而增大。受地质、地理因素的影响，即使同一谷地，因岩性、植被、地质构造、地表水、地下水、坡向等条件不同，多年冻土厚度也有较大的变化。一般说，多年冻土厚度最大的地段，是植被覆盖良好的沼泽湿地中央。
从空间分布看，该区的岛状多年冻土可分为衔接的和不衔接的。衔接岛状多年冻土分布在该区的北部，南部则为不衔接多年冻土。
零星岛状多年冻土具有以下工程地质特点。
①多年冻土的年平均地温高，北部的衔接多年冻土，一般在-0.5℃～-1.0℃；南部的不衔接多年冻土，一般为-0℃～-0.5℃。因而，热稳定性差。
②多年冻土厚度较小，最小仅几米，最大不超过30m，一般在7～15m。
③岛状多年冻土的上限埋深具有以下特点：在北部的衔接多年冻土地段，其上限埋深一般为1.0～2.5m；植被覆盖较差的河漫滩地段，上限可达3.0～3.5m。在南部的不衔接多年冻土地段，其上限埋深一般在5～7m，最大可达10m以上。
④多年冻土岛的面积较小，一般在数百平方米至数千平方米。尤其是在该区的南部边缘地带，冻土岛的面积小到有时一栋房屋不得不采用两种地基，即不得不把一幢房屋的基础同时放在冻土和融土地基上。
在全球气候转暖背景下，目前，大、小兴安岭地区的多年冻土处于衰退状态。主要表现在：多年冻土的年平均地温升高，厚度减小，融区面积增大，热稳定性较差，大多属于不稳定多年冻土。
多年冻土地区现存的冻土环境是大气圈—活动层—多年冻土之间长期热量平衡过程的结果。在现存气候、地形地貌、植被、水文和水文地质条件下，大、小兴安岭地区的多年冻土环境是相对稳定的。但这种“稳定环境”是脆弱的，一经破坏，难以恢复，有的甚至永远无法恢复。
植被和水屏障（沼泽、湿地）是多年冻土环境要素中最重要的因素，在大气圈—活动层—多年冻土的热平衡过程中起着重要作用。因此，植被和沼泽湿地的破坏，会使多年冻土处于相对严酷的高地表温度热环境中，多年冻土将可能产生严重的衰退和融化。要维持多年冻土环境的稳定，应尽量不要改变多年冻土地区植被和水体的分布和特性。2.2.2 低纬度高海拔多年冻土2
世界高海拔多年冻土的总面积约230万km 。其中的约一半分布在亚洲，且主要是分布在青南—藏北高原。
青藏高原西起国界，向东延伸至川西、滇北的横断山，北起昆仑2山，南至喜马拉雅山，面积约200万km ，南北跨越近10个纬度，平均海拔在4000m以上。
青藏高原在地质构造上，自北而南有规则的排列着几个东西走向的构造区（带）：昆仑山褶皱带、可可西里—巴颜额拉山褶皱带、青南—三江—羌塘构造区、藏北构造区、喜马拉雅褶皱带。这些构造带，是在中生代晚期或新生代时期，经多次逆冲、堆叠构造运动而形成。更新世以来，印度板块与欧亚板块的冲撞，加大了青藏高原的抬升速度，使上新世平均海拔高度仅1000m左右的青藏高原，在200～300万年时间内，一跃成为地球上最大最高的高原。
青藏高原的地貌具有山地与断陷盆地相间分布的特征。昆仑山至唐古拉山之间的多年冻土区海拔在4400m以上，宏观上属高准平原地貌。除昆仑山北坡地势较险外，其余山系多呈拱形起伏，山顶浑圆，相对高差不大，一般均小于300m。
青藏高原为高寒气候区，其气候具有以下基本特点。（1）海拔高、气压低、高寒，大气稀薄而纯净、透明度高，因而太阳辐射强度大，气温日变幅大。（2）深处大陆腹地，大陆性气候特征明显。
青藏高原的地面平均气温与同纬度地区相比要低10℃～14℃。特别是在夏季，藏北高原平均比同纬度的我国平原地区日平均气温低20℃。但是，与同纬度、同高度的自由大气相比，夏季高原比平原气温要高5℃～7℃。
与东部平原地区相比，高原气温的年较差小，日较差大，表现为明显的内陆山地气候特征。青藏高原气温主要受高度制约，随着海拔高度升高，年平均气温逐渐降低。至5000m高度，年平均气温可低达-7.5℃（风火山观测站，1985年）。
我国西部高海拔多年冻土的分布及特征如表2-4所示。表2-4 我国西部高海拔多年冻土的分布及特征
在青藏铁路沿线高原岛状多年冻土的分布北界，在昆仑山北麓的西大滩，拔海高度约为4150m，至海拔高度4500m，便进入大片连续多年冻土区，岛状多年冻土的分布宽度约6km。高原大片连续多年冻土的南界，在安多附近，其海拔高度约4700m。而岛状多年冻土的分布南界（海拔高度约4650m，与年平均气温-2℃～-3℃等值线大致相当）可延伸至藏北高原的腹地（青藏公路原125道班附近），南北宽约200km。高原大片连续多年冻土区南、北界的岛状多年冻土，其年平均地温约为-0℃～-0.5℃；厚度由几米至20～30m。在两道河一带的沼泽湿地，岛状多年冻土的年平均地温可达-1.0℃～-1.2℃，厚度最大可达60m。
我国西部的高海拔多年冻土具有以下特征。（1）高原多年冻土的分布和特征受海拔高度控制，即具明显的垂直地带性。（2）高海拔多年冻土的分布下界受海拔高度控制，随着海拔高度的增加，多年冻土的年平均地温降低，厚度和面积增大，连续性提高。（3）高原多年冻土的分布还受纬度控制。在青藏高原，从北往南，随着纬度的降低多年冻土的分布下界升高。据统计，纬度每降低1°，多年冻土下界上升80～100m。沿青藏公路，多年冻土的北部界限出现在4150～4300m；南部界限出现在4640～4680m。位于北纬46°～49°的阿尔泰山，其高山多年冻土的出现下界为2200m，位于北纬40°～45°的天山，多年冻土下界为2700m；到北纬28°的喜马拉雅山北坡，多年冻土下界达到5200m以上。（4）高原多年冻土的厚度受海拔高度和纬度控制。据统计，高度每上升100m多年冻土厚度增加15～20m。往南每推进150km，厚度减少10～20m。多年冻土厚度从5～25m变化到60～130m，一般在30～60m。（5）高原多年冻土的年平均地温受海拔高度和纬度控制。高度每上升100m，多年冻土的年平均地温下降0.6℃～1.0℃；自北往南每推进150km，多年冻土的年平均地温上升0.5℃～1.0℃。高原多年冻土的年平均地温一般在-0℃～-2.5℃，最低-3.0℃。
高山多年冻土的分布下界随纬度的降低而升高（图2-7），其特征如下：图2-7 北半球多年冻土分布下界随纬度的变化
①阿尔泰山：位于北纬46°～49°之间，海拔高度2200～2800m分布高山岛状多年冻土。该区年平均气温为-4.4℃～-5.7℃，多年冻土年平均地温为0～-1℃，厚度从几米至19m，上限埋深1～2m；2800m以上，为高山大片连续多年冻土带，年平均气温为-8.4℃，多年冻土年平均地温低于-2.0℃，厚度大于20m，最厚达100m以上。
②天山：我国境内的天山，位于北纬40°～45°，南北宽100～140km，东西长达1700余千米。多年冻土下界的海拔高度为北坡2700～2900m，南坡3100～3500m。天山岛状多年冻土的年平均地温为-0.1℃～-1.0℃，厚度16～32m，上限埋深2.0～2.5m。随着海拔高度的增加，气温降低，岛状多年冻土逐渐过渡到大片连续多年冻土，多年冻土的年平均地温由-0.1℃逐渐降低至-2.0℃，至海拔3900m高度，年平均地温可达-3.9℃，多年冻土厚度可达200m以上。
③祁连山：位于北纬36°～40°，高山岛状多年冻土的分布下界为3450m。南坡海拔3600m以上，北坡3900m以上，便进入连续多年冻土区。随着海拔高度的升高，多年冻土的年平均地温降低，厚度增大。据有关勘探资料，在海拔3480～4033m高度范围内，多年冻土的年平均地温从-0℃变化至-2.0℃；多年冻土厚度从7.0m变化至139m。据统计，在海拔3550～3700m范围，海拔高度每升高100m，多年冻土年平均地温降低约0.2℃，厚度增加约8m。在海拔3700～4200m范围内，海拔每升高100m，地温降低约0.5℃，厚度增加约20m。岛状多年冻土的年平均地温为-0.1℃～-1.5℃，厚度5～35m。
④喜马拉雅山：有关喜马拉雅山区多年冻土的分布和特征资料很少。据推算，喜马拉雅山区多年冻土的分布下界约在4900m。据周幼吾（2000年）推算，北坡多年冻土的分布下界约在5100～5300m（相当于年平均气温-2.5℃线以上）。在喜马拉雅山口的聂拉木、帕里等地，岛状多年冻土的分布下界约为4800～5000m。喜马拉雅山的现代雪线高度约6000～6200m。
⑤横断山：横断山岛状多年冻土的分布下界约在4600～4900m。
东部高山岛状多年冻土的分布下界如下：
⑥黄岗梁山：1500～1700m。
⑦长白山：1800～1900m。
⑧五台山：2300～2400m。
⑨太白山：3100～3200m。2.3我国多年冻土的自然区划
多年冻土的分布主要受气候条件的控制。高纬度和高海拔地区，气候严寒，气温冻结指数大于融化指数，在年热周转循环中，进入地中的冷量多于热量，这就为多年冻土的保存提供了基本条件。根据上述的我国多年冻土的分布和特征，可将我国的多年冻土进行如表2-5所示的两级自然分区。表2-5 我国多年冻土的一、二级自然区划
Ⅰ区多年冻土位于我国气候分带中的寒温带、中温带，多年冻土分布的海拔高度在3000m以下；Ⅱ区多年冻土基本位于高原寒带，多年冻土分布的海拔高度在3000m以上。第3章多年冻土工程地质与水文地质3.1多年冻土上限及其变化特点
多年冻土上限是指多年冻土上部界面的埋置深度。在冻土工程界，习惯上，将多年冻土上限分为天然上限和人为上限。天然上限，是指天然条件下，多年冻土上部界面的埋置深度；人为上限，是指在工程建筑物影响下，地基多年冻土上部界面的埋置深度。人为上限的埋深和形态与冻土工程类型和工程周围的冻土环境有关，即不同的冻土工程，地基多年冻土的人为上限埋深与形态是不同的。3.1.1 多年冻土天然上限
多年冻土天然上限的埋深受多种因素的控制。如：研究地点所处的地理纬度和经度；海拔高度；地貌类型和气候带类型；多年冻土的岩性成分和物理特征；地表植被覆盖条件；地表的朝向等。这些因素对多年冻土上限埋深的影响，其本质都是影响进入地中热量的多少。如果在一个热周转年中，进入地中的热量等于流出的热量，则多年冻土上限的埋深保持不变。如果进入的热量大于流出的热量，则多年冻土的上限将下降，反之，则上限上升。因此，一般而言，多年冻土天然上限埋深与上述因素的关系是：随海拔高度增加而减小，随纬度降低而增大；在同一地区，多年冻土的天然上限埋深，粗颗粒土大于细颗粒土，向阳坡面大于阴坡；植被的蒸腾与覆盖影响着大气与非有机地表之间的辐射热交换和对流热交换，因而，植被对多年冻土天然上限有着重要影响，植被覆盖良好地段的上限浅于裸露地段；土体含水率小的地段的天然上限大于含水率大的地段。（1）多年冻土天然上限埋深与气候的关系
气候对多年冻土上限埋深的影响，主要指年平均气温对上限埋深的影响。表现在年平均气温不同，地表的冻结和融化指数（表面温度和温度延续时间之积）不同，多年冻土的上限埋深不同。因此，多年冻土上限的埋深，具有随年平均气温波动而变化的特点。了解活动层的融化和冻结过程，可全面了解和掌握多年冻土上限埋深与气候的关系。（2）多年冻土上活动层的冻融循环过程特点
暖季，活动层的融化是自上而下单向进行的；寒季，活动层的冻结，则是自上而下和自下而上双向进行的（多年冻土也是一个冷源）。在青藏铁路沿线的多年冻土地区，活动层的融化，约需5个多月才能完成（一般从4月末开始，至9月底，约160d），其平均融化速率，细颗粒土约为0.8cm/d；粗颗粒土约为1.0cm/d。而活动层的冻结，仅需60d左右。在风火山和清水河地区，活动层自上而下的冻结，一般从9月初开始；自下而上的冻结，一般从10月初开始。上、下冻结界面衔接，一般在11月初，即自上而下的冻结延续时间约60d；自下而上的冻结延续时间约30d。自多年冻土上限往上的回冻，约占整个冻结活动层厚度的20％。
据铁道部西北研究所风火山冻土站1978年地表层冻结、融化进程资料：暖季，出现稳定融化的时间为4月24日，地表出现稳定冻结的时间为9月6日。各个月份活动层的融化百分数，如表3-1所示。表3-1 风火山1978年暖季各月份活动层融化累计百分数
从表3-1可以看出，5、6、7三个月，活动层的80％被融化。8、9两月，仅融化活动层的20％。
地表冻结、融化指数在活动层冻结和融化过程中的消耗分配如下：寒季，地表冻结指数的10％左右，用于活动层冻结，90％的冻结指数消耗于多年冻土的降温；暖季，地表融化指数的68％用于活动层融化时的潜热消耗，9％左右用于活动层融化土体的升温，用于多年冻土升温消耗的表面融化指数约在23％左右。地表融化指数的消耗分配，决定着多年冻土天然上限埋深的特点。
地表温度与气温有着密切关系。图3-1为无植被覆盖的砂黏土地表温度与气温的关系，可用下面直线方程来描述（统计样本数n=324，相关系数R=0.97）：图3-1 地表温度与气温的关系（风火山砂黏土）
y=-4.0666+0.7949x （3.1）式中 y——气温；
x——地表温度。
地表温度的高低，可用n系数来表示。这将在第七章中予以详述。
气候变化意味着地表冻结指数和融化指数的变化。因而，气候变化将引起多年冻土天然上限的升、降波动。据青藏铁路沿线风火山、清水河两地的观测资料统计计算：对于植被覆盖良好的黏性土地层，当年平均气温变化1℃时，天然上限比统计平均值要升高或降低7％；而无植被覆盖的黏性土地层，则要升高或降低17％。（3）多年冻土天然上限埋深与地理纬度的关系
我国多年冻土的分布和特征与地理纬度和海拔高度有着密切的关系。因而，多年冻土天然上限的埋深，也明显受纬度和海拔高度的影响。这在青藏高原多年冻土区和东北多年冻土区都是如此。实践表面：多年冻土天然上限埋深，在一般情况下，随纬度和海拔高度的降低而增大。对于青藏铁路沿线的高原多年冻土地区，可用下面公式来估算植被覆盖良好、细颗粒多年冻土天然上限的埋深：天
h =1531-12.7H-23.0L （3.2）天式中 h ——细颗粒多年冻土天然上限埋深，cm；
H——海拔高度，百米；
L——地理纬度，°。
按上面公式计算的多年冻土天然上限埋深，对于山间洼地中的沼泽化湿地地段应乘以0.7的系数；对于植被稀疏或无植被的卵、碎石土地段应乘以1.5的系数。（4）多年冻土天然上限埋深与坡向的关系
据青藏铁路风火山多年冻土观测站资料：在同一地貌单元，向阳坡多年冻土上限的埋深比阴坡要大20％～30％。（5）多年冻土天然上限埋深与植被覆盖的关系
植被覆盖对太阳能的吸收、反射特性和植物叶面的蒸腾耗热，可使植被覆盖地表的温度较差减小。据青藏铁路风火山冻土站观测资料：与无植被覆盖的地表相比，片状草皮覆盖可减小年较差1.5℃，丘状草皮覆盖可减小年较差3.1℃。因此，植被覆盖地段的多年冻土上限埋深是较小的。
在大兴安岭地区，多年冻土上限埋深与植被覆盖程度的关系如表3-2所示。表3-2 多年冻土上限埋深与植被覆盖的关系（大兴安岭地区）注：“良好”是指植物生长层土壤的含水率高，导热系数小的植被层；“较差”是指土壤含水率低，导热系数大的植被层；“一般”是指介于二者之间的植被层。
从表3-2可以看出，在土质条件和植被隔热条件相同时，多年冻土上限的埋深随草皮层厚度的增加而减小；在土质条件和草皮层厚度相同时，多年冻土上限的埋深随生长层含水率的减小和导热系数的增加而增大。（6）多年冻土天然上限埋深与岩性成分的关系
土体是由不同大小的矿物颗粒组成的。不同类型土体，其组成颗粒的大小不同。不同大小的矿物颗粒，具有不同的物理化学特性。细颗粒具有巨大的比表面积和表面能，可吸附大量的水分子，因而，细颗粒土的含水率一般是较大的。而粗颗粒土，由于其组成颗粒较粗，比表面积小，表面能小，不能在颗粒表面形成吸附水膜，因而，粗颗粒土的含水率一般较小。
在同一地区，不同类型土体的含水率一般是不同的。含水率大小不同，在冻结土体融化过程中，消耗的热量不同。因而，不同类型土体，多年冻土的上限埋深不同（表3-3）。表3-3 青藏公路沿线不同岩性成分地表层的多年冻土天然上限
表3-4列出了大兴安岭多年冻土区的多年冻土天然上限埋深与岩性成分的关系。表3-4 牙林、嫩林铁路沿线多年冻土天然上限埋深与岩性成分的关系
从表3-3和3-4可以看出：细颗粒土由于含水率一般较大，活动层融化需消耗较多的融化指数，故多年冻土的上限埋深一般较小；粗颗粒土与此相反，故多年冻土的上限埋深较大。泥炭、草炭有机层，由于其含水率较大，导热系数较小，且具有导热系数相变异特性（融化和冻结状态的导热系数不同），所以，泥炭、草炭层下的多年冻土上限埋深最小。3.1.2 多年冻土人为上限
多年冻土是在特定的热交换和物质交换条件下发育和保存的。现存的天然地表形态、物质组成、植被覆盖和地表水、地下水分布等，是现今多年冻土得以保存的条件。即现存多年冻土环境下，天然地表活动层是多年冻土的热屏障，是维持多年冻土上部界面位置稳定的保证。但是，冻土工程修建，必然在一定程度上改变建筑场地的天然地表形态及其反射、吸收特性，改变活动层的岩性成分和含水特征等，使大气圈—活动层—多年冻土间的热量平衡遭到破坏。其结果，在一般情况下，都将导致传入地中的热量增加，引起地基多年冻土上限下降，地基基础系统进入新的热量平衡过程，并逐渐形成新的（地基）多年冻土上限，即多年冻土人为上限。
多年冻土人为上限的形态和埋深，除决定于上述影响天然上限埋深的因素外，还与冻土工程特性有关。在影响人为上限的诸多因素中，地基表面的融化指数、工程基础的外部形态和多年冻土的年平均地温是最主要的。
据试验观测资料显示：地基表面融化指数越大，人为上限埋深越大；地基多年冻土的年平均地温越低，人为上限埋深越小。
人为上限埋深的大小和形状影响着冻土工程的稳定。众所周知，要维持多年冻土上建筑物的稳定，建筑物应有可靠而稳固的地基—基础系统。地基多年冻土保持冻结状态时，强度很高，变形甚小，基础是稳定的。因此，多年冻土上的建筑物基础，一般都要求埋入多年冻土中，即基础底面应在稳定人为上限以下。
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