淺析季節(jié)性凍土地區(qū)工程建設(shè)基礎(chǔ)合理淺埋的可能性

郝曉琴

摘 要：該文主要分析了季節(jié)性凍土對工程建設(shè)的危害、引起土的凍脹現(xiàn)象機(jī)理、不利影響，以及防治凍脹危害的主要工程措施；影響凍脹的土、水、外界氣溫等因素；對場地土凍結(jié)深度的影響因素，在對于深厚季節(jié)性凍土地區(qū)（凍結(jié)深度大于2m），基礎(chǔ)合理淺埋在保證建筑安全方面實(shí)現(xiàn)的可能性，基礎(chǔ)底面下允許凍土層最大厚度應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定。沒有地區(qū)經(jīng)驗(yàn)的可按現(xiàn)行《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中由地基土的凍脹性、基礎(chǔ)形式、采暖情況、基底壓力所確定的基底允許凍土層最大厚度有關(guān)數(shù)據(jù)資料查取。

關(guān)鍵詞：凍脹機(jī)理 影響因素 安全合理的基礎(chǔ)淺埋

中圖分類號：TU753 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（c）-0074-01

季節(jié)性凍土的凍脹性對工程建設(shè)的不利影響：發(fā)生凍脹時(shí)，使路基隆起，路面鼓包、開裂或錯縫折斷。引起建筑物的開裂、傾斜甚至倒塌。而發(fā)生融陷后，路基路面變軟或翻漿，也會使建筑物發(fā)生不均勻的沉降或下沉，或使建筑物開裂破壞。

導(dǎo)致土的凍脹現(xiàn)象機(jī)理：當(dāng)大氣季節(jié)性降溫時(shí)，大氣負(fù)溫進(jìn)入土中，將土中的水變成冰晶體，伴隨氣溫的不斷降低，弱結(jié)合水的最外面開始凍結(jié)，不斷擴(kuò)大冰晶體，使冰晶體附近土粒的結(jié)合水膜變薄，土粒會產(chǎn)生剩余的分子引力，此外，因結(jié)合水膜變薄，增加了水膜中的離子深度，從而形成滲透壓力。通過兩種力的共同作用，下臥沒有凍結(jié)區(qū)水膜較厚處的弱結(jié)合水被吸引到水膜較薄的凍結(jié)區(qū)凍結(jié)，增大了冰晶體，且繼續(xù)存在不平衡引力。若下臥沒被凍結(jié)區(qū)有水源和一定的補(bǔ)給來源（毛細(xì)通道），補(bǔ)充源源不斷的水到凍結(jié)區(qū)，這樣未凍結(jié)區(qū)的水會不斷遷移和積聚到凍結(jié)區(qū)，不斷擴(kuò)大冰晶體，凍夾層也逐漸形成，土體也隨之而隆起，凍脹現(xiàn)象因此產(chǎn)生。

引起融陷現(xiàn)象機(jī)理：受季節(jié)影響，氣溫回暖，土層開始解凍，積聚在土中的冰晶體融化，土體發(fā)生下陷，此現(xiàn)象即融陷現(xiàn)象。

有三方面因素會影響凍脹。

（1）土的因素。細(xì)粒土中通產(chǎn)會產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象，粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂等毛細(xì)現(xiàn)象較為顯著，具有上升高度較大的毛細(xì)水，且有較快的上身速度，水源補(bǔ)給通暢，同時(shí)，土有較細(xì)的顆粒，具有較大的表面能，土中礦物成分有較強(qiáng)的親水性，含有的結(jié)合水較多，因此能遷移和積聚大量的結(jié)合水。但粘土因有很小的毛細(xì)空隙，對水分遷移有很大的阻力，水源補(bǔ)給通道不暢，故存在很小的凍脹性。故在現(xiàn)行《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011附錄G表G.0.1下標(biāo)注：“3.塑性指數(shù)大于22時(shí)，凍脹等級降低一級；4.粒徑小于0.005mm的顆粒含量大于62%，為不凍脹土。”對于粗顆粒土，結(jié)合水很少或者不存在，自由水在空隙中凍結(jié)后，水分的遷移和積聚不會發(fā)生，且砂礫中幾乎沒有毛細(xì)現(xiàn)象，所以凍脹現(xiàn)象不會發(fā)生。

（2）水的因素。因水分的遷移和積聚導(dǎo)致了土層發(fā)生凍脹，凍結(jié)區(qū)附近如果有較高的地下水位，且毛細(xì)水上升高度能夠達(dá)到或接近凍結(jié)線，使外部水源能補(bǔ)給給凍結(jié)區(qū)，則凍脹會很強(qiáng)烈。

（3）外界氣溫的影響。當(dāng)氣溫突然下降，且有很大的冷卻強(qiáng)度時(shí)，土的凍結(jié)面向下推移比較迅速，也就是有很快的凍結(jié)速度，這樣冰夾層在土層中看不到，看到的只是分布在空隙中的冰晶體，這是形成的凍土凍脹現(xiàn)象不明顯。如果氣溫下降緩慢，有很小的冷卻強(qiáng)度，但有很長的負(fù)溫持續(xù)時(shí)間，則明顯的閑夾層會在土中形成，凍脹現(xiàn)象明顯。

三方面影響地基土的凍脹因素證明：在負(fù)溫的持續(xù)作用下，有較高地下水位的粉土、粉質(zhì)粘土、粉砂等土層的凍脹危害通常都是很大的。為了用科學(xué)數(shù)據(jù)來計(jì)算地把土的凍脹性評價(jià)，根據(jù)其土的類名、凍前天然含水量ω、凍結(jié)期間地下水位距凍結(jié)面的最小距離hw，把地基土按凍脹性分類，并確定凍脹等級：Ⅰ級不凍脹土、Ⅱ級弱凍脹土、Ⅲ級凍脹土、Ⅳ級強(qiáng)凍脹土、Ⅴ級特強(qiáng)凍脹土。

主要防治凍脹危害的工程措施為：將構(gòu)筑物基礎(chǔ)底面置于當(dāng)?shù)貎鼋Y(jié)深度以下。因此在現(xiàn)行《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011的地基計(jì)算中對季節(jié)性凍土地基的場地凍結(jié)深度zd有明確的計(jì)算公式：zd=z0·ψzs·ψzw·ψze。根據(jù)當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度z0按地基土的類別、凍脹性和環(huán)境條件進(jìn)行修正。其中ψzs——土的類別對凍結(jié)深度的影響系數(shù)，因巖性不同、土的顆粒的粗細(xì)不同，導(dǎo)熱系數(shù)有所不同，當(dāng)其他條件相同時(shí)，粗粒土比細(xì)粒土的導(dǎo)熱系數(shù)大，其影響的凍深也大，見表1。ψzw——土的凍脹性對凍結(jié)深度的影響系數(shù)，由于土中水在相變時(shí)要放出大量的潛熱，而凍脹土凍結(jié)的過程是放熱的過程，放熱減緩了凍深的發(fā)展速度，因此凍深相對變淺，見表2。ψze——環(huán)境對凍結(jié)深度的影響系數(shù)，見表3。

季節(jié)性凍土地區(qū)基礎(chǔ)埋置深度宜大于場地凍結(jié)深度。對于深厚季節(jié)性凍土地區(qū)（凍結(jié)深度大于2m），當(dāng)建筑基礎(chǔ)底面土層為不凍脹、弱凍脹、凍脹土?xí)r，基礎(chǔ)合理淺埋在保證建筑安全方面是可以實(shí)現(xiàn)的，埋置深度可以小于場地凍結(jié)深度，基礎(chǔ)底面下允許凍土層最大厚度應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定。沒有地區(qū)經(jīng)驗(yàn)的可按現(xiàn)行《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中由地基土的凍脹性、基礎(chǔ)形式、采暖情況、基底壓力所確定的基底允許凍土層最大厚度有關(guān)數(shù)據(jù)資料查取。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙明華.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2000.

[2] 國標(biāo)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011[S].

[3] 工程地質(zhì)手冊[M].4版.北京：中國建筑出版社，1970.