多年凍土地區(qū)建筑設(shè)計(jì)淺析

李艷萍

0 引言

黑龍江漠河縣位于黑龍江省西北部、祖國(guó)的最北端，漠河地區(qū)為多年連續(xù)凍土區(qū)。漠河機(jī)場(chǎng)為中國(guó)支線機(jī)場(chǎng)，是我國(guó)位置最北、緯度最高的民用機(jī)場(chǎng)。在多年凍土區(qū)進(jìn)行機(jī)場(chǎng)建設(shè)，最突出的問題是凍害，它嚴(yán)重危害各類工程的建筑物和構(gòu)筑物。實(shí)踐證明，必須針對(duì)多年凍土區(qū)的自然特點(diǎn)，采取綜合防治的辦法，包括科研、設(shè)計(jì)、施工和管理諸多方面的共同努力方能取得效果?，F(xiàn)僅從設(shè)計(jì)方面做簡(jiǎn)要敘述。

1 多年凍土區(qū)的自然特點(diǎn)及對(duì)建筑物的危害

多年凍土又稱永久凍土，是持續(xù)三年或三年以上的凍結(jié)不融的土層。其表層冬凍夏融，稱季節(jié)融化層。多年凍土分為兩層:上部是夏融冬凍的活動(dòng)層;下部是終年不融的多年凍結(jié)層。多年凍土是寒冷氣候(年均氣溫小于－2℃)區(qū)的產(chǎn)物。它的形成有著復(fù)雜的地質(zhì)、地理及氣候因素，凍土層內(nèi)含有冰體或純冰層，年平均地溫在0℃以下。

當(dāng)土壤保持自然凍結(jié)狀態(tài)時(shí)，其承載力比相應(yīng)的融土大，若將建筑物建在上面，凍土受熱融化，地基承載力相應(yīng)減小并下沉，將導(dǎo)致建筑物不均勻沉降，墻體變形、開裂等破壞。

在多年凍土地區(qū)進(jìn)行基本建設(shè)，如果僅憑個(gè)人在未凍土地基設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)盲目設(shè)計(jì);或者忽視對(duì)凍脹力作用下基礎(chǔ)穩(wěn)定性驗(yàn)算，結(jié)果會(huì)不符合凍土地基的客觀規(guī)律，出現(xiàn)不合理、施工不當(dāng)而導(dǎo)致的融化下沉、建筑物失穩(wěn)。眾所周知的是:黑龍江省大興安嶺地區(qū)二十世紀(jì)五六十年代開始修建的一批建筑物，到目前為止已幾乎全部報(bào)廢、重建，數(shù)量多，損失大，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的影響是不可估量的。

2 多年凍土地區(qū)地基設(shè)計(jì)狀態(tài)的選擇

2.1 保持凍結(jié)狀態(tài)的設(shè)計(jì)

在建筑物施工和使用期間，地基土始終保持凍結(jié)狀態(tài)。這種狀態(tài)主要適用于多年凍土的年平均溫度低于－1.0℃的場(chǎng)地;持力層范圍內(nèi)的地基處于堅(jiān)硬凍結(jié)狀態(tài)的場(chǎng)地;最大融化深度范圍內(nèi)，存在融沉、強(qiáng)融沉、融陷性土及其夾層的地基;非采暖建筑或采暖溫度偏低，占地面積不大的建筑;最適宜的基礎(chǔ)形式為架空通風(fēng)基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和熱樁基礎(chǔ)，采取的措施是用粗顆粒土墊高地基、設(shè)保溫隔熱地板、人工降低土溫。

2.2 逐漸融化狀態(tài)的設(shè)計(jì)

在建筑物施工和使用期間，地基土處于逐漸融化狀態(tài)。這種狀態(tài)主要適用于在最大融化范圍內(nèi)，地基為不融沉和弱融沉土，持力層范圍內(nèi)的地基土處于塑性凍結(jié)狀態(tài);室溫較高、占地面積較大的建筑;最適宜選用壓縮性土為持力層，采用能適應(yīng)不均勻沉降的柔性結(jié)構(gòu);采用措施:加大基礎(chǔ)埋深、采用保溫隔熱地板，加強(qiáng)建筑物的整體性與空間剛度。

2.3 預(yù)先融化狀態(tài)的設(shè)計(jì)

在建筑物基礎(chǔ)施工時(shí)，預(yù)先使地基土融化至計(jì)算深度，適用于多年凍土的年平均氣溫較高、室溫較高、持力層范圍內(nèi)地基土處于塑性凍結(jié)狀態(tài)、在最大融化深度范圍內(nèi)，存在變形量為不允許的融沉、強(qiáng)融沉和融陷土及其夾層、占地面積不大的建筑物地基;按照預(yù)先融化狀態(tài)設(shè)計(jì)，當(dāng)凍土層全部融化時(shí)，應(yīng)按季節(jié)凍土基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

漠河機(jī)場(chǎng)航站區(qū)包括航站樓內(nèi)的建筑物均落在多年凍土融沉性分區(qū)區(qū)域內(nèi)，根本無法避開此區(qū)域，在這樣的地區(qū)進(jìn)行建設(shè)工程，其地基處理、基礎(chǔ)選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)均有特殊性。下面結(jié)合漠河機(jī)場(chǎng)航管樓施工圖設(shè)計(jì)工作，把設(shè)計(jì)思路尤其是建筑構(gòu)造概述如下，供同行們參考。

3 漠河機(jī)場(chǎng)內(nèi)建筑工程概況

在漠河機(jī)場(chǎng)航站區(qū)內(nèi)共有大大小小建筑物、構(gòu)筑物20個(gè)，根據(jù)使用功能合并為12個(gè)，其中航站樓為建筑面積最大的建筑，建筑面積2000 m2，但是它為1層框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式比較單一;航管綜合樓建筑面積1200 m2，2層框架結(jié)構(gòu)，并有23 m塔臺(tái)，7層框架結(jié)構(gòu)，主要的設(shè)計(jì)參數(shù):建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年，建筑場(chǎng)地類別Ⅱ類，建筑物抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05g，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為丙級(jí)。

航管綜合樓做法中特殊性中帶有整個(gè)航站區(qū)建筑構(gòu)造做法的普遍性。

對(duì)于一棟整體建筑物設(shè)計(jì)時(shí)必須采用同一種設(shè)計(jì)狀態(tài);并且對(duì)于同一建筑場(chǎng)地遵循一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)狀態(tài)，因此航管綜合樓建筑平面布局盡可能簡(jiǎn)單，見圖1。

圖1 航管樓平面示意圖

4 工程地質(zhì)概況

黑龍江省漠河機(jī)場(chǎng)生活區(qū)《巖土工程勘察報(bào)告》(工程編號(hào):Sw200501;勘察階段:詳勘;大興安嶺勘察設(shè)計(jì)院2005年8月)內(nèi)容:航管綜合樓的地質(zhì)情況是:在季節(jié)凍深內(nèi)，分布的主要土層為粉質(zhì)粘土、粘土，粉質(zhì)粘土屬于強(qiáng)凍脹性土;碎石層屬于不凍脹性土。在多年凍土層內(nèi)，凝灰?guī)r強(qiáng)風(fēng)化層屬于不融沉性土。

地基承載力評(píng)價(jià):凍結(jié)狀態(tài)地基承載力較高，融化后地基承載力較低。

地下水:主要為地表水，水量較小，分布在地表以下至多年凍土上限以上。地下水對(duì)混凝土無腐蝕，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕。

本建筑場(chǎng)地凍土工程地質(zhì)條件較好，地基多年凍土屬不融沉性、弱融沉性石質(zhì)土，故本建筑物工程地基采用允許逐漸融化狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 凍土地區(qū)建筑物處理方案

5.1 地基處理方案的確定

對(duì)于該工程地域的特殊性，認(rèn)真進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研?，F(xiàn)場(chǎng)考察大興安嶺地區(qū)及漠河多年凍土區(qū)的建筑形式，走訪當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)院，了解多年凍土區(qū)建筑物特點(diǎn)、處理方案來制定機(jī)場(chǎng)內(nèi)建筑物的方案設(shè)計(jì)，并結(jié)合地質(zhì)測(cè)繪部門給出的地質(zhì)評(píng)價(jià)，對(duì)機(jī)場(chǎng)航站區(qū)建筑單體進(jìn)行必要的技術(shù)措施，來避免和減少凍土融化下沉，以及由于凍脹力作用下建筑物失穩(wěn)，建筑物裂縫、傾斜和破壞等危害。

根據(jù)JGJ 118-98凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范和機(jī)場(chǎng)凍土工程地質(zhì)分區(qū)，航管綜合樓工程地基按季節(jié)性凍土進(jìn)行設(shè)計(jì)，按逐漸融化狀態(tài)的原則進(jìn)行處理。

場(chǎng)區(qū)內(nèi)地基土有融沉性土，在季節(jié)凍深內(nèi)有凍脹性土;基礎(chǔ)持力層為全風(fēng)化凝灰?guī)r，地基承載力特征值fak=140 kPa，挖槽及基礎(chǔ)施工過程中，基坑須做好防護(hù)措施，不得進(jìn)水;基坑底及四周采用單模土工布防水;在季節(jié)融化層范圍內(nèi)基礎(chǔ)側(cè)面做防凍脹處理，對(duì)地表融沉和凍脹作用較強(qiáng)的粉質(zhì)粘土層建議進(jìn)行挖除換填處理，地面進(jìn)行保溫處理。

5.2 建筑物基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及防凍脹有效措施

根據(jù)工程地質(zhì)報(bào)告和專家論證意見，結(jié)合工程實(shí)際情況，航管綜合樓工程基礎(chǔ)形式采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為4.0 m;基礎(chǔ)墊層下部回填300 mm礫砂，夯實(shí)系數(shù)為0.97;墻體下布置現(xiàn)澆鋼筋混凝土基礎(chǔ)梁，基礎(chǔ)梁底部預(yù)留一定空隙。側(cè)面進(jìn)行擋土處理。在基礎(chǔ)及基礎(chǔ)梁側(cè)面進(jìn)行光滑處理，涂渣油15 mm;并在季節(jié)凍土層范圍內(nèi)基礎(chǔ)及基礎(chǔ)梁側(cè)面做防凍脹處理，室外地坪下基礎(chǔ)、基礎(chǔ)梁及墻體兩側(cè)回填300 mm礫砂，夯實(shí)系數(shù)為 0.94。

圖2 散水構(gòu)造圖

5.3 建筑構(gòu)造及其他措施

多年凍土上部的表層土，在夏季融化、冬季回凍，稱為活動(dòng)區(qū)或凍融區(qū)，深度由半米左右至數(shù)米不等，為防止此凍脹力的作用將建筑主體破壞，室外的散水、門口臺(tái)階、坡道與主體建筑脫開，設(shè)沉降縫。并且進(jìn)行如下的構(gòu)造措施:

1)散水:

寬度為1200 mm;散水坡度不小于3%，按4 m進(jìn)行分格，與主體之間設(shè)沉降縫;基層素土夯實(shí)，密實(shí)度不小于0.94，墊層是300厚砂礫石(小于0.074顆粒含量不大于10%)，面層為C15現(xiàn)澆混凝土塊80厚，外包防水土工布到外側(cè)立墻外面(見圖2)。此種構(gòu)造做法的目的是增加基層的密實(shí)度，控制墊層中粘土的含量，面層整體性，減少基礎(chǔ)周圍的含水量，保證基礎(chǔ)下的凍土擾動(dòng)最少，影響最小，避免出現(xiàn)不均勻。

2)地面處理:

為保證該建筑地面不融沉，采取換填非融沉砂礫石料，上面做保溫隔熱防水地面。在鋼筋混凝土基礎(chǔ)板上做保溫隔熱防水地面。具體是:在正常做法的基礎(chǔ)上，增加60厚C15混凝土內(nèi)配∮6@200雙向鋼筋(見圖3)。

圖3 地面構(gòu)造圖

此種構(gòu)造做法的目的是增加地面的整體剛度，避免地面的不均勻沉降;在地面上增加一隔熱層，鋪50厚聚乙烯泡沫塑料板，使室內(nèi)的熱空氣不能進(jìn)入地下，破壞底線凍土的恒溫環(huán)境，減少凍土融化帶來的危害。

3)墻體:

在窗下口設(shè)置配筋的加強(qiáng)帶，來增加墻體的整體性，避免由于基礎(chǔ)的不均勻沉降帶來的墻體開裂(見圖4)。

圖4 墻體窗上下口構(gòu)造圖

為加強(qiáng)建筑物的整體剛性，凡墻高超過4 m時(shí)，增設(shè)圈梁。適當(dāng)增設(shè)構(gòu)造柱和扶壁柱，縱橫墻設(shè)拉筋。

5.4 防止凍土地基融化的其他措施

對(duì)于給排水、暖通等設(shè)備專業(yè)管道盡量保溫隔熱設(shè)置，并采取檢漏防水措施。室內(nèi)管道放水及空調(diào)系統(tǒng)冷凝水不得任意排放。

6 結(jié)語(yǔ)

漠河機(jī)場(chǎng)作為第一個(gè)在凍土地區(qū)建設(shè)的機(jī)場(chǎng)，航站區(qū)工程是機(jī)場(chǎng)建設(shè)中的重要部分，由于其結(jié)構(gòu)技術(shù)要求具有抗凍性與保溫的特殊性，加之人為活動(dòng)的影響，其建設(shè)過程中的穩(wěn)定性對(duì)建成過后的運(yùn)行穩(wěn)定性至關(guān)重要。

因此，設(shè)計(jì)時(shí)采取上述建筑與結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施，建筑物經(jīng)過兩年多的運(yùn)行，除個(gè)別建筑物墻體有輕微裂紋外，主體結(jié)構(gòu)保持良好。

[1]JGJ 118-98，凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB 50324-2001，凍土工程地質(zhì)勘查規(guī)范[S].

[3]王國(guó)濤，焦艷霞.凍土凍脹融沉的微觀分析[J].山西建筑，2010，36(5):126-127.