季凍區(qū)凍脹和融陷對(duì)建筑物的危害和防治

吳 維 奇

(包頭市財(cái)政性投資評(píng)審中心，內(nèi)蒙古 包頭　014030)

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季凍區(qū)凍脹和融陷對(duì)建筑物的危害和防治

吳 維 奇

(包頭市財(cái)政性投資評(píng)審中心，內(nèi)蒙古 包頭014030)

從季節(jié)性凍土區(qū)建筑物受到凍脹和融陷破壞的形成機(jī)理入手，分析了產(chǎn)生凍脹破壞的主要因素，并從換填法、保溫法、排水隔水法、基礎(chǔ)形式等方面，提出了不同的防止建筑物凍脹和融陷破壞的措施，對(duì)類似地區(qū)建筑設(shè)計(jì)與施工有一定的參考價(jià)值。

季節(jié)性凍土區(qū)，凍脹，融陷，防治方法

在我國(guó)東北、華北、西北等地季節(jié)凍土分布廣泛，即地表土體存在著冬季凍脹、夏季融陷的現(xiàn)象，此過(guò)程中土體性質(zhì)的變化直接影響著上部建筑物的穩(wěn)定性，引起房屋裂縫、傾斜及變形現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。本文在分析產(chǎn)生凍融破壞的主要因素和形成機(jī)理后，提出一些防治措施，供設(shè)計(jì)和施工人員參考。

1　季凍區(qū)凍脹和融陷的發(fā)生機(jī)理

外界氣體、土體中的固相土顆粒和水存在著反復(fù)進(jìn)行的熱交換，冬季，當(dāng)外界大氣溫度下降時(shí)，使得土體溫度達(dá)到土中水冰凍點(diǎn)時(shí)，存在于地表土中的自由水首先凍結(jié)成冰晶體，形成最初的凍結(jié)—融化層；當(dāng)氣溫不斷下降時(shí)，凍結(jié)融化層位置產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，使得土中孔隙水或外界水源不斷上升補(bǔ)給冰晶體，并形成多晶體、透鏡體、冰夾層等，從而引起土體膨脹體積增大，地表土體發(fā)生隆起或不均勻的上升[1]，即土體發(fā)生了凍脹現(xiàn)象。春季后期或夏季，隨著外界大氣溫度的不斷上升，地溫也隨之提高，土體中的冰晶體開(kāi)始融化，各種形式的冰侵入體不斷消融為自由水，隨著荷載的施加不斷排出地表，使得地表土體不均勻的下降，同時(shí)由于土體處于飽和或過(guò)飽和狀態(tài)，使得有效應(yīng)力大幅下降，引起地基承載力的降低，繼而造成建筑物的不均勻沉降，導(dǎo)致裂縫、傾斜等現(xiàn)象發(fā)生。

從物理力學(xué)的角度而言，地基中毛細(xì)管中的積聚水受凍后體積發(fā)生膨脹，或者是由于孔隙水的補(bǔ)給引起土顆粒的被迫移動(dòng)，都可以使地基土產(chǎn)生水平凍脹力、切向凍脹力和法向凍脹力，這些凍脹力會(huì)直接施加在基礎(chǔ)表面或周圍土層，引起建筑物的位移、變形乃至損害。

因此，對(duì)于在季節(jié)性凍土區(qū)建造淺基礎(chǔ)，一方面，當(dāng)基礎(chǔ)埋深小于當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度時(shí)，往往會(huì)受到地基土豎向凍脹力的作用，如果豎向凍脹力大于作用于基底上的荷載，基礎(chǔ)就有被抬起的可能，使建筑物的部分受力構(gòu)件產(chǎn)生開(kāi)裂[2]。另一方面，一般建筑物向陽(yáng)面由于日照相對(duì)較長(zhǎng)的原因，地基土的冰凍層較淺、較薄，建筑物陰面地基土的冰凍層較深、較厚。因此，陰面地基土體膨脹得厲害；陽(yáng)面地基土體膨脹變化相對(duì)小些，這樣一來(lái)，房屋基礎(chǔ)所受凍土脹力是不均勻的，也會(huì)引起建筑物部分構(gòu)件的開(kāi)裂。當(dāng)土層中冰晶體不斷解凍融化時(shí)，土中含水量不斷增加，加之粉細(xì)砂等易產(chǎn)生凍脹的細(xì)粒土排水不良，使得地基土層處于飽和軟化狀態(tài)，地基強(qiáng)度大幅下降，使建筑物發(fā)生下沉，稱為融陷。此外，若溫度提升較快時(shí)，基底下就會(huì)存在未解凍土層，上面已融化的土層中的水滲透不到該層而只能向上滲透到地表，同樣會(huì)引起淺基礎(chǔ)的建筑物開(kāi)裂。此外，若建筑物所在場(chǎng)地的地下水位較高，地下水能補(bǔ)給冰晶體，即所謂的凍脹開(kāi)放系統(tǒng)，由于冰晶體能夠在整個(gè)冬季不斷擴(kuò)大，使得凍脹程度巨大，相應(yīng)地融陷也很大，建筑物產(chǎn)生不均勻下沉和開(kāi)裂可能性及程度都較大。

2　季凍區(qū)建筑物地基凍脹和融陷的防治方法

2.1換填法

換填法是指把天然地基具有凍脹性的土部分或全部清除，然后回填粗砂、礫石等排水良好的非凍脹性材料，以削弱或基本消除地基土的凍脹。換填法是季節(jié)性凍土地區(qū)建筑物防治凍害常用的措施。當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，凍脹往往是開(kāi)敞型的，即地下水補(bǔ)給冰晶體的效果好，一般采用基礎(chǔ)加換填的總厚度等于當(dāng)?shù)貎鼋Y(jié)深度；當(dāng)?shù)叵滤惠^低時(shí)，凍脹往往是封閉型的，即地下水補(bǔ)給冰晶體的效果差，基礎(chǔ)加換填的總厚度可適當(dāng)減少；當(dāng)基礎(chǔ)面積較小時(shí)，換填法僅削弱了法向凍脹力，較大的切向凍脹力依然存在，而基礎(chǔ)面積較大時(shí)，換填效果相對(duì)良好；另外換填后要進(jìn)行壓實(shí)，使土達(dá)到一定的密實(shí)度；同時(shí)，在基礎(chǔ)底面或側(cè)面要設(shè)置排水措施，輔助增強(qiáng)防凍脹效果。

2.2保溫法

保溫法是指在建筑物基礎(chǔ)四周和底部設(shè)置保溫隔熱層，阻斷冷空氣大量進(jìn)入地基土層，達(dá)到推遲地基土的凍結(jié)時(shí)間、提高地基土體溫度、減少土體凍結(jié)深度等目的，從而起到防止或減小凍脹。目前常用的鋪設(shè)材料為聚苯乙烯泡沫塑料板或聚氨酯板，其吸水性低，導(dǎo)熱效果差，可阻止冷空氣進(jìn)入地基基礎(chǔ)；鋪設(shè)位置可以是基礎(chǔ)側(cè)面或底面，也可以是建筑物周圍一定距離的地表土中，為防止車輛通行時(shí)對(duì)聚苯乙烯板的擠壓作用，應(yīng)將其埋在地面下足夠深度；對(duì)墻基外露部位也可以用聚苯乙烯泡沫塑料加以保護(hù)。

2.3排水隔水法

排水隔水法是指通過(guò)降低地下水位來(lái)隔斷冰晶體的水源補(bǔ)給和阻止地表水進(jìn)入地基土，降低可能產(chǎn)生凍脹的土體的含水量，達(dá)到減小地基土凍脹的一種方法。房屋建筑物周圍地表的散水就是防止雨水、雪水從房檐流下后滲入基礎(chǔ)；結(jié)合換填法可在基礎(chǔ)兩側(cè)或底部填砂礫石料，并用排水管與基礎(chǔ)外一定距離的排水溝相連，且溝槽底部應(yīng)低于季節(jié)凍深；當(dāng)基礎(chǔ)底部?jī)錾钐幱胁怀袎旱耐杆畬訒r(shí)，應(yīng)設(shè)排水孔與之連通，降低或穩(wěn)定地下水位，切斷或減少地下水對(duì)冰晶體的補(bǔ)給，達(dá)到減少凍脹的目的。

2.4選擇適宜的基礎(chǔ)形式

在季凍區(qū)地基上建造房屋或構(gòu)筑物，采用獨(dú)立式基礎(chǔ)或擴(kuò)大式基礎(chǔ)是較好的選擇。獨(dú)立式基礎(chǔ)較大的自重和較為集中的荷載分布，可提升地基土的溫度，減少基礎(chǔ)的凍脹破壞和地基變形，若獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)置鋼筋混凝土基礎(chǔ)梁，配合回填法即在基礎(chǔ)梁的兩側(cè)回填非凍脹性的散粒土，且底面預(yù)留10 cm～15 cm的空隙，可以防止地基土凍脹時(shí)對(duì)基礎(chǔ)梁的不良影響；所謂擴(kuò)大式基礎(chǔ)是指將基礎(chǔ)在凍層以下的部分?jǐn)U大，一方面可以通過(guò)增大基礎(chǔ)底面積來(lái)提高地基的承載能力。另一方面可利用擴(kuò)大基礎(chǔ)的自錨作用防止凍拔[3]。常用的擴(kuò)大式基礎(chǔ)有爆擴(kuò)樁基礎(chǔ)、排架下板形基礎(chǔ)及其他形式的擴(kuò)孔樁基礎(chǔ)。

2.5其他注意事項(xiàng)

1)在季節(jié)性凍土上設(shè)計(jì)基礎(chǔ)前，應(yīng)有可靠的地質(zhì)資料和水文資料，準(zhǔn)確把握地基土的凍脹類別，因?yàn)椴煌膬雒涱悇e土的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法和防凍脹措施不盡相同；同時(shí)要合理確定基礎(chǔ)的埋置深度，確定基礎(chǔ)下的地基是否可以殘留部分凍土層，還是需要全部挖除；以往很多的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者認(rèn)為只要把基礎(chǔ)埋深定在標(biāo)準(zhǔn)凍深以下即可，實(shí)際上很多建筑物增大了埋深，還是出現(xiàn)了凍害，而且這種做法和基礎(chǔ)淺埋的原則相矛盾。

2)在季節(jié)性凍土區(qū)進(jìn)行建筑物設(shè)計(jì)時(shí)，一定要通過(guò)控制長(zhǎng)高比、增設(shè)圈梁、設(shè)置沉降縫等措施來(lái)提高建筑物的整體剛度。避免因不均勻的凍脹和融陷產(chǎn)生不均勻沉降。

3)建筑物的門斗、臺(tái)階及散水應(yīng)與主體建筑完全斷開(kāi)。散水坡寬度不宜小于1 m，分段不宜過(guò)長(zhǎng)，且應(yīng)用瀝青油膏等填塞其與外墻間的縫隙，以防止地表水侵入地基土中，此外，可適當(dāng)加大散水坡的坡度，其下可用非凍脹性散粒土填充一定厚度。

3　結(jié)語(yǔ)

1)季節(jié)性凍土區(qū)產(chǎn)生凍脹的主要因素是水、土和溫度，三者缺一不可，所以只要能控制其中的一個(gè)方面，就可以減小或削除凍脹帶來(lái)的損壞。

2)季節(jié)性凍土區(qū)建筑物的凍脹和融陷是應(yīng)該避免或減小的，同時(shí)也是可以通過(guò)設(shè)計(jì)、施工等多方面來(lái)達(dá)到目的的。

3)正確判斷地基土的凍脹類別是前提，合理的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，適宜的防治措施是保證。

[1]童長(zhǎng)江,管楓年.土的凍脹與建筑物凍害防治[M].北京：水利電力出版社，1985.

[2]魏敬先,韓媛,錢繼東.關(guān)于凍土地基的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問(wèn)題[J].一重技術(shù),1998(78)：26-28.

[3]徐培龍.季節(jié)性凍土對(duì)建筑物的危害和防治措施[J].黑河科技，2001(4)：73-74.

The damage and prevention on seasonal frost heave and thawing subsidence damage to buildings in seasonal frozen soil zone

Wu Weiqi

(BaotouFinancialInvestmentReviewCenter,Baotou014030,China)

This article talks about the mechanism of frost heave and thawing subsidence damage to buildings, then analyzed the main factors and from the replacement method, heat preservation method, water drainage and isolation method, basic form and other aspects, pointed out some different prevention measure, so it is helpful to design and construction.

seasonal frozen soil zone, frost heave, thawing subsidence, prevention method

1009-6825(2016)23-0077-02

2016-06-01

吳維奇(1978- )，男，工程師

TU241.99

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