土的凍脹對樁基基礎的影響分析

嵇學培

摘 要：紅崗油田15MW光伏發(fā)電項目位于吉林省，該地區(qū)為季節(jié)性凍土區(qū)域，當區(qū)域內(nèi)的樁基基礎埋深較淺時，極易由于受到土的凍脹融沉作用而產(chǎn)生病害。本文通過對土的凍脹機理及其主要影響因素進行分析，提出了樁基基礎凍脹病害的防治措施，并在紅崗油田15MW光伏發(fā)電項目中進行應用，取得了良好成效。

關鍵詞：凍土；基礎工程；影響；治理

引言

凍土現(xiàn)象主要表現(xiàn)為土的凍脹、融沉和土中水分在負溫作用下的水分遷移現(xiàn)象。當外界負溫的持續(xù)影響下，土中水分開始凝結成冰。同時水分在凝結成冰的過程中會發(fā)生體積膨脹，而膨脹的過程中必然要對土顆粒產(chǎn)生擠壓作用，導致土顆粒位移，最終土體整體表現(xiàn)為體積膨脹現(xiàn)象，這就是凍脹現(xiàn)象。土的凍脹和融沉現(xiàn)象對凍土地區(qū)的橋涵基礎工程具有不同程度的危害，因而對凍土地區(qū)的橋涵基礎工程除按一般地區(qū)的要求進行設計施工外，還要考慮凍土的特殊要求。

1凍脹的機理分析

當土層溫度降低至0℃時，該土層中的水分開始發(fā)生相變，并凝結成冰層，并對土體內(nèi)部的其他部位的水分產(chǎn)生基質(zhì)吸力。土體內(nèi)部其他部分的水分在基質(zhì)吸力的作用下向冰層處發(fā)生遷移，凍結鋒面也會逐漸向下發(fā)展。同時由于土體內(nèi)部的水分發(fā)生相變凝結成冰后會發(fā)生體積膨脹，土體體積也會因此而產(chǎn)生膨脹。

2影響凍脹的因素

從凍脹機理分析中可以看出，土的凍脹現(xiàn)象是在一定的條件下形成的，影響凍脹的因素主要有以下三方面：

2.1土的因素

凍土現(xiàn)象通常發(fā)生在細粒土中，特別是粉土、粉質(zhì)粘土中，具有較顯著的毛細現(xiàn)象，凍結時水分遷移積聚最為強烈，凍脹現(xiàn)象嚴重。

2.2水的因素

土的凍脹現(xiàn)象是由于土體中的水分發(fā)生相變凝結成冰時發(fā)生體積膨脹，當膨脹的體積超過原有孔隙體積時，土顆粒在冰晶體的擠壓作用下向外發(fā)生位移而表現(xiàn)出來的土體體積膨脹的現(xiàn)象。在持續(xù)負溫的作用下，土中含水率越高，發(fā)生水-冰相變的水分就會越多，土的凍脹現(xiàn)象也就會越強烈。

2.3溫度的因素

在外界環(huán)境的影響下，當土體溫度降到負溫以后，土中水分開始凝結成冰，土體發(fā)生凍脹現(xiàn)象。因此，負溫持續(xù)時間越長，土的凍脹現(xiàn)象也就越明顯。

土質(zhì)、含水率和溫度是影響土體凍脹的主要因素。因此，土體中的細粒含量越高、土的含水率越高、負溫持續(xù)時間越長，土體的凍脹程度就越大。

3凍土按凍脹性分類及其對基礎結構物的危害

土的凍脹程度按凍脹率的大小可劃分為五個等級，具體分類見見表1所示。

相關研究表明：由于在凍土中凍脹變形引起的切向凍脹力使基礎向上拔，從而導致上部結構開裂，甚至發(fā)生結構物破壞；到春暖土層解凍融化后，由于上部土層積累的冰晶體融化，土中水分含量迅速增加，而下部土層仍處于凍結狀態(tài)，上部土層中的水分不能及時排除，土層強度降低，導致基礎結構物不均勻沉降病害發(fā)生，最終將導致工程結構遭到破壞。

4剛性擴大基礎及樁基礎抗凍拔的力學分析

地基土在發(fā)生凍脹的過程中，將對基礎產(chǎn)生抗凍作用，而基礎的抗凍拔穩(wěn)定性可按下式計算：

當工程所在地標的準凍深較大時，若地基土為III ～V類凍脹土且工程結構的上部恒重較小時，若基礎埋深較淺，樁基基礎受周圍土體的凍拔作用影響顯著，易發(fā)生病害。因此，在設計的過程中，一定要確保樁基入土深度及剛性擴大基礎的截面形式滿足工程所需的抗凍拔要求。

5樁基基礎在設計、施工以及日常養(yǎng)護中的防凍脹措施

通過對土凍脹的產(chǎn)生機理和主要影響因素進行分析研究，為防止土體凍脹引發(fā)樁基基礎病害的發(fā)生，建議可從設計、施工、養(yǎng)護等方面采取以下措施。

5.1設計方面

（1）在進行勘測時，工作人員一定要認真負責，對橋涵附近的工程地質(zhì)狀況的勘測務必做到準確詳實，確保設計人員在進行設計的過程中能準確掌握地層土質(zhì)、地下水及地表水分布及工程所在地的標準凍深等情況。

（2）在基礎結構形式選擇的時候，設計單位應根據(jù)工程所在地的具體凍脹情況，在考慮到凍脹變形對基礎結構物影響程度的基礎上進行結構形式的選擇。

（3）當基礎設置在季節(jié)凍土地基上時，應按照凍脹土層中的基底最小埋置深度來嚴格確定。

（4）在進行基礎設計的時候，應盡量選擇抗凍脹能力強的基礎結構形式。

5.2施工方面

砂礫等粗顆粒土，結合水的能力，弱土中含水率低。且由于土顆粒間孔隙的較大，毛細水上升高度很低，地下水難以遷移向凍結區(qū)域遷移，在負溫的作用下土體凍脹現(xiàn)象不明顯，屬于典型的非凍脹性土。因而在有凍脹現(xiàn)象發(fā)生地區(qū)進行基礎施工時，可以通過換填的方式將地基土換填為工程性質(zhì)良好的砂礫等非凍脹性土，并做好防排水措施。

5.3養(yǎng)護方面

建立完善的排水設施，在基礎結構物周圍做好防水排水措施，經(jīng)常檢查進出口排水是否順暢，維修工作及時，盡量減少地面水給凍結區(qū)的水源補給，避免發(fā)生比較強烈的凍脹現(xiàn)象，減少對基礎結構物的損壞。

6工程概況及紅崗油田15MW光伏發(fā)電項目所采取的防凍脹措施

紅崗油田15MW光伏發(fā)電項目位于吉林省白城市，根據(jù)該工程的地質(zhì)勘察報告顯示，該工程所在地標準凍深為1.80m，最大凍深為1.84m。土體凍結期間地下水位距凍結面的最小距離小于2.0m，地層土質(zhì)為粉質(zhì)黏土且具有較高含水率（ω=25.1，ωp=18.7，ωp +5<ω≤ ωp +9），根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB 50007-2011）中的相關規(guī)定進行劃分屬強凍脹土，凍脹等級為Ⅳ級。為了搶工期，該項目于2017年11月正式開工，基礎施工面臨強凍脹土的挑戰(zhàn)。如何消除土的強凍脹成為了該項目的重大難點。

為消除土的強凍脹，減少和避免紅崗油田15MW光伏發(fā)電項目的基礎工程由于受到土的凍脹作用而產(chǎn)生病害，在考慮工程的經(jīng)濟性的基礎上，工程基礎形式設計采用預應力混凝土管樁，型號為PHC300（70）-AB-7。并對周圍凍脹性土體進行開挖換填，將樁基周邊換填為工程性質(zhì)良好的細砂，換填方式采用鉆孔換填，引孔700mm，引孔深度1.8米。工程實際表明該方法具有施工可行性，且施工成本低。目前現(xiàn)場8000多跟管樁已施工完畢，就現(xiàn)場情況看，目前狀態(tài)良好，支架光伏板已經(jīng)安裝到位，完全能滿足工程所需要求。

7結束語

基礎構筑物對于建筑工程，基礎發(fā)生病害后很難維修，并且會嚴重影響到對整個工程的安全性。因此，在凍土地區(qū)進行建筑工程基礎施工時一定要特別重視，堅持以防為主、防治結合的原則，盡量減少由于凍脹而引起的結構物破壞，減少工程損失。

參考文獻：

[1]凌治平，易經(jīng)武.基礎工程[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2]高大釗，袁聚云.土質(zhì)學與土力學[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3]王志堅.青藏鐵路建設中的凍土工程問題[J].中國鐵路，2002（12）.