凍土工程特性及其凍土地基施工方法

劉鐵銀

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院,哈爾濱 150080)

我國凍土主要分布于青藏高原及大小興安嶺,東西部一些高山頂部,即高緯度、高寒地區(qū)。凍土是在溫度等于或低于零攝氏度,并且含有固態(tài)冰的土,其劃分種類較多,按凍結(jié)時間長短可分為:瞬時凍土、季節(jié)凍土、多年凍土;按形成與存在的自然條件不同,又可將多年凍土分為:高緯度多年凍土、高海拔多年凍土;按與下臥土層的關(guān)系,可將季節(jié)凍土分為季節(jié)凍結(jié)層和季節(jié)融化層。

凍土是一種溫度敏感性土體,在凍土區(qū)工程建設(shè)中不可避免地會遇到土層處于凍結(jié)、未凍結(jié)、正在凍結(jié)、正在融化以及已經(jīng)融化等不同的狀態(tài)。即使大的物質(zhì)成分和含水量等都保持不變,在凍土區(qū)的地基土也將比在融化區(qū)具有顯著的可變性、復(fù)雜性。因此在工程建設(shè)中必須加以足夠重視,并設(shè)法采取預(yù)防措施,消除由于凍土變形強度弱化或凍脹、融沉所引起的各種危害。要想在工程建設(shè)中對凍土所引起的危害加以防范,首先應(yīng)該了解其工程特性。

1 凍土的工程特性

凍土的工程特性主要包括其物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、凍脹及融沉性。

1.1 凍土的物理性質(zhì)

1.1.1 總含水率

凍土的總含水率是指凍土中所有的冰的質(zhì)量與骨架質(zhì)量之比和未凍水的質(zhì)量與土骨架質(zhì)量之比的和。

1.1.2 凍土的含冰量

因為凍土中含有未凍結(jié)水,所以凍土的含冰量不等于凍土融化時的含水率,衡量凍土中含冰量的指標有相對含冰量、質(zhì)量含冰量和體積含冰量。相對含冰量是凍土中冰的質(zhì)量與全部水的質(zhì)量之比;質(zhì)量含冰量是凍土中冰的質(zhì)量與凍土中土骨架質(zhì)量之比;體積含冰量是凍土中冰的體積與凍土總體積之比。

1.2 凍土的力學(xué)性質(zhì)

凍土的強度與變形特性與其他類型土的最大差別在于其中冰的存在,其力學(xué)性質(zhì)主要取決于其中膠結(jié)冰的性質(zhì),冰的強度隨溫度的降低而增加,并隨冰晶的結(jié)構(gòu)構(gòu)造變化而變化。此外,冰的強度還隨應(yīng)變速率的增大而增大,在破壞類型上表現(xiàn)為由塑性向脆性的轉(zhuǎn)變,冰的這些性質(zhì)直接導(dǎo)致了凍土也具有類似的特征。凍土的強度受溫度、壓力、以及應(yīng)變速率的改變而發(fā)生很大變化:當溫度降低時,凍土的強度隨之增加;當荷載作用歷時延長時,顆粒間膠結(jié)冰產(chǎn)生塑流而具有流變性,這一特點使得凍土的瞬時強度大而長期強度小;隨應(yīng)變速率的加大,凍土強度增大,破壞類型表現(xiàn)出由塑性破壞向脆性破壞轉(zhuǎn)化。

凍土的強度有別于其他類型土強度的另一突出表現(xiàn)是圍壓的影響。在較低圍壓條件下,凍土的強度是隨圍壓的升高而升高,在較高的圍壓條件下,隨著圍壓的加大,凍土強度隨圍壓的升高而降低。

1.3 凍土的凍脹性

在季節(jié)凍土區(qū)或多年凍土區(qū),當溫度降低到土的凍結(jié)溫度以下時,濕土中的水分就向正凍帶遷移,并以冰的形式充填土顆粒間隙,而當土中的水凍結(jié)成冰時,體積一般會增大9%,當土中水的體積膨脹到足以引起顆粒間的相對位移時就會引起土的凍脹。凍脹的嚴重性在于已凍土中由于未凍水分不斷地遷移積聚,特別是當負溫持續(xù)條件及有充分的水源和水的遷移通道時,凍脹會更加嚴重。

影響凍脹的主要因素有:土顆粒粒徑大小、礦物成分、土中水分以及補給來源、凍結(jié)條件和外部荷載作用等。一般來說,粗顆粒的土由于水分易于排出而不易產(chǎn)生凍脹,隨著土顆粒粒徑的減小凍脹性逐漸增強,但當顆粒粒徑達到黏性土粒徑范圍(即≤0.0075 mm)時,由于水分遷移量減小,凍脹量也相應(yīng)減小;親水性礦物成分含量高的土凍脹性顯著增強;對于凍脹敏感性土,初始含水量大,水分補給充足的土凍脹性特別強;溫度越低,未凍水含量越少,冰的相對含量增加,凍脹性就越顯著;增加土體的外部附加荷載會對土體凍脹產(chǎn)生顯著的抑制作用。

1.4 凍土的融沉性

凍結(jié)深度或融化層厚度,一般通過勘探和實測地溫方法進行直接判定。

我國多年凍土地區(qū)融化深度約3 m左右,所以對多年凍土融陷性等級評價也按3 m考慮,根據(jù)計算融陷量及融陷系數(shù)對凍土的融陷性分成 5級。

凍土在融化過程中在無外部荷載作用下所產(chǎn)生的沉降,稱為融化下沉或融陷,在有外部荷載作用下產(chǎn)生的壓縮變形稱為融化壓縮。

2 凍土地基工程的施工方法

凍土地基工程的施工方法主要包括凍土地基的工程防護及改造。

2.1 凍土地基的防護

在我國目前由于工程實踐水平有限,凍土區(qū)工程建設(shè)主要集中于凍土工程防護及改造方面,而對其利用尚未開始。在凍土區(qū)工程建設(shè)中,凍土危害主要表現(xiàn)為凍脹及融化下沉,從而導(dǎo)致建筑物地基產(chǎn)生不均勻沉降,并造成建筑物破壞。

對凍土進行防治及改造的目的在于,預(yù)防凍土天然狀態(tài)的改變或消除其危害產(chǎn)生的根源,避免凍土對工程產(chǎn)生危害。防護的方法主要有:采用架空通風(fēng)基礎(chǔ)、粗顆粒土墊高地基、鋪設(shè)隔墊層及各種熱樁、強制循環(huán)制冷樁等。

2.1.1 架空通風(fēng)基礎(chǔ)

是將建筑物通過樁、柱抬升隔離地表通過埋置通風(fēng)管道或預(yù)設(shè)隔熱墊層,使建筑物不能和地表直接接觸,以達到凍土地基不改變其原始溫度條件而得以維持其穩(wěn)定性,凈架空距離一般≥1.0 m,該方法目前使用較為廣泛。它的優(yōu)點在于:在夏季地基土層由于上部建筑物的遮陽作用而不易融化,在冬季通過寒冷空氣在架空空間內(nèi)的流動,可進一步冷凍地基土層。

2.1.2 粗顆粒土墊高地基

在年均氣溫低于 0℃的凍土地區(qū),大多數(shù)建筑地基可采用粗顆粒(碎石、礫石)墊高地基,墊高地基超出建筑物外圍至少0.3m,其作用:①提供施工操作面,平整場地;②阻止熱量導(dǎo)出原始凍土地基,保證其凍結(jié)狀態(tài),該方法具有一定的局限性,一般不適合于采暖建筑物。

2.1.3 鋪設(shè)隔熱層

作為隔熱層的材料必須是具有一定剛度的土工織物或泡沫材料,且使用期間不吸濕(防潮性)。如果材料在建筑使用期間出現(xiàn)明顯的裂縫或防潮性較差,則其隔熱性能將很快喪失。通常隔熱層常使用于地板,以阻止建筑物熱量散入凍土地基。

2.1.4 樁基礎(chǔ)

由于樁基可隔離上層建筑與凍土的直接接觸,且于其間易于設(shè)置架空空間及鋪設(shè)絕熱材料,因此樁基礎(chǔ)是凍土區(qū)建筑采用相對較為廣泛的基礎(chǔ)形式。樁的類型主要包括木樁、H型鋼樁、鋼管樁、混凝土預(yù)制樁及鉆孔灌注樁等,承載力可由樁端或樁周凍結(jié)黏附力提供。

2.1.5 熱樁

熱樁是一種特殊類型的樁,通過自身相轉(zhuǎn)換或強制循環(huán)制冷消散土體中熱量,故其能夠?qū)⑼馏w內(nèi)部的溫度降低,因此在改善凍土地基、防止凍土融化下沉和凍脹以及提高地基穩(wěn)定性方面,都是極好的處理手段。我國曾將熱樁有效地應(yīng)用于青藏鐵路,在穩(wěn)定性方面效果良好。

2.2 凍土地基的改造

凍土地基改造的宗旨主要是消除其凍脹和融沉特性,以保證工程建設(shè)的正常完成和有效運營。

2.2.1 凍土地基的防凍脹措施

凍土地基防凍脹措施的實施途徑是消除凍脹因素或降低其影響力。目前采用的方法主要有以下幾種:

1)換填法:換填法在凍土改良中是最為廣泛采用的工程措施,換填法即用粗砂、礫石等非或凍脹性的土體材料置換天然地基的凍脹性土,以消除或消弱天然地基的凍脹性。對于換填材料土顆粒粒徑的控制,粗顆粒土中粉、黏粒含量應(yīng)控制在 12%左右,一般以通過0.074 m m含量來控制換填料中的細顆粒含量。同時,為增強換填防凍脹效果,采取有效的排水措施也是十分必要的。

2)物理化學(xué)法:物理化學(xué)法是利用交換陽離子及鹽分對凍脹影響規(guī)律而改良凍土地基的一種方法,其中主要包括加入一定量的可溶性無機鹽的人工鹽漬化,用憎水物質(zhì)及聚合劑使土顆粒聚集或分散等辦法,物理化學(xué)法因該法簡單易行,材料來源廣泛,又比較經(jīng)濟,是目前防治土體凍脹最有效和最有前途的一種方法。

2.2.2 凍土地基的防融沉措施

對于凍土地基融沉的防治,主要是從改良土體的角度出發(fā),包括以下兩個方面:①通過剝離土層或其他工業(yè)融化方法對凍土進行融、預(yù)周結(jié)。②是類似于防凍脹的工程措施,即用純凈的粗顆粒土換填富冰土或含土冰層,以直接消除或消弱土層的融沉。此外,工程中也有采取多填方、少挖方的方針,以盡可能避免對凍土的擾動破壞。

2.2.3 季節(jié)性凍土基礎(chǔ)工程防凍脹措施

目前多從減少凍脹力和改善周圍凍土的凍脹性來防治凍脹。一般采取的辦法有:基礎(chǔ)四側(cè)換土,采用較純凈的砂、砂礫石等粗顆粒土換填基礎(chǔ)四周凍土,填土夯實;改善基礎(chǔ)側(cè)表面平滑度,基礎(chǔ)必須澆筑密實,具有平滑表面。基礎(chǔ)側(cè)面在凍土范圍內(nèi)還可以用工業(yè)凡士林、渣油等涂刷以減少切向凍脹力;選用抗凍脹性基礎(chǔ)改變基礎(chǔ)斷面形狀,利用凍脹反力的自錨作用增加基礎(chǔ)抗凍拔的能力。

2.2.4 多年凍土地基工程的防融沉措施

一般采取的辦法有換填基底土,對采用融化原則的基底上可換填碎、卵、礫石或粗砂等,換填深度可到季節(jié)融化深度或受壓層深度;選擇好基礎(chǔ)形式,對融沉、強融沉土用輕型墩臺,適當增大基底面積,減少壓應(yīng)力,或結(jié)合具體情況,加深基礎(chǔ)埋置深度;注意隔熱措施,采取保持凍結(jié)原則時施工中注意保護地表上覆蓋植被,或以保溫性能較好的材料鋪蓋地表,減少熱滲入量。施工和養(yǎng)護中,保證結(jié)構(gòu)物周圍排水通暢,防止地表水灌入基坑內(nèi)。

3 結(jié)束語

我國擁有幅員遼闊的凍土分布區(qū),在世界四大凍土國家中位居第三,其中季節(jié)凍土面積514萬k m2,約占國土面積的54%,多年凍土占我國總面積的 20%以上,占世界多年凍土總面積的 10%。盡管人類對于凍土的研究時間較短,還處于起步階段,但對于凍土的一些基本工程特性已經(jīng)掌握了一些,并且針對其工程特性在工程建設(shè)中積累了一些行之有效的處理辦法。隨著人類社會的進步與發(fā)展,許多工程建筑都會涉及到凍土,人類對于凍土的研究必將會越來越深入和廣泛,只有對其工程特性逐步加以了解,才能更為有效地采取預(yù)防和改造措施,從而保證工程的安全。

[1] 曲祥民,張濱.季節(jié)性凍土區(qū)水工建筑物抗凍技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[2] 郭東信.中國的凍土[M].蘭州:甘肅教育出版社,1990.