嚴(yán)寒地區(qū)黏土滯水層防凍脹技術(shù)

張志福 郭曉紅 許楠楠 徐佳鈺 孫 欣

中國(guó)建筑第二工程局有限公司 遼寧 沈陽(yáng) 110016

隨著房建專業(yè)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了越來(lái)越多的新型施工工藝。由于地下土體的分布存在著不確定性和復(fù)雜性，加上采取措施不當(dāng)，凍脹事故頻繁發(fā)生。而事故頻發(fā)的主要原因與地下水及土體性質(zhì)密切相關(guān)，尤其是在寒冷的北方地區(qū)，更易發(fā)生凍脹問(wèn)題，加大了施工過(guò)程中的質(zhì)量安全控制難度。

1 工程概況

美的潤(rùn)東府項(xiàng)目位于遼寧省沈陽(yáng)市，總建筑面積為14.24萬(wàn) m2，共11棟小高層、4棟洋房，最大建筑高度

44.85 m。

項(xiàng)目地勘報(bào)告顯示，場(chǎng)區(qū)內(nèi)土質(zhì)均為粉質(zhì)黏土，富含大量的上層滯水，補(bǔ)給區(qū)與分布區(qū)一致，分布范圍有限，往往雨季時(shí)存在，干旱季節(jié)消失，且持力層底部為分布連續(xù)的不透水性土層，滯水缺乏有效的自然排除通道，長(zhǎng)期留滯于土層內(nèi)，越冬過(guò)程中極易發(fā)生凍脹問(wèn)題。采用截治水、暖棚法及保溫材料覆蓋的方式能夠有效地縮減施工成本，降低施工難度，減少凍脹問(wèn)題的發(fā)生，確保結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

目前現(xiàn)存的越冬防護(hù)做法，雖可以起到一部分作用，但凍脹問(wèn)題頻發(fā)，極大地影響房建工程的結(jié)構(gòu)使用功能。采用黏土滯水層防凍脹技術(shù)可以最大程度地規(guī)避凍脹風(fēng)險(xiǎn)，確保越冬過(guò)程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及使用功能。

2 滯水對(duì)房建工程施工的影響

上層滯水對(duì)房建工程的影響主要可以分為以下幾種：第1種是對(duì)土方開挖的影響，由于滯水的匯集需要時(shí)間，土方開挖過(guò)程中如存在停頓，會(huì)因土層中的滯水滲出，對(duì)車輛行駛及機(jī)械開挖造成很大影響；第2種是對(duì)建筑基礎(chǔ)的影響，基槽開挖后，由于滯水的存在，并緩慢從土層中滲出，導(dǎo)致施工過(guò)程中，地基長(zhǎng)期處于水飽和狀態(tài)，造成地基土承載力下降、不均勻沉降加重等問(wèn)題發(fā)生；第3種是對(duì)建筑防水工程造成的影響，由于滯水層滲水緩慢，施工基礎(chǔ)防水時(shí)，防水基層一直處于潮濕狀態(tài)，對(duì)防水工程施工質(zhì)量造成很大影響，而且在防水工程施工完成后，由于滯水依舊向外側(cè)滲出，導(dǎo)致已施工完成的防水層因受到下部水壓力的影響而遭到破壞，且修補(bǔ)難度大。

以上3點(diǎn)是滯水對(duì)房建施工的普遍影響。除此之外，由于南北方溫度差異較大，北方地區(qū)每年很長(zhǎng)時(shí)間氣溫處于0 ℃以下，地基土存在凍脹的可能，房建主體受到基礎(chǔ)凍脹的影響，可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)破壞，影響建筑物的安全性和穩(wěn)定性。

沈陽(yáng)美的潤(rùn)東府是美的旗下的重點(diǎn)工程項(xiàng)目，場(chǎng)區(qū)內(nèi)土質(zhì)均為粉質(zhì)黏土，富含大量的上層滯水，且持力層底部為分布連續(xù)的不透水性土層，滯水缺乏有效的自然排除通道，長(zhǎng)期留滯于土層內(nèi)。黏土夾層具有較大的含水性和保水性，由于沈陽(yáng)地處我國(guó)的北方地區(qū)，一旦氣溫過(guò)低，黏土滯水層容易產(chǎn)生附加反力，對(duì)結(jié)構(gòu)造成不可修復(fù)的影響。

凍脹發(fā)生的主要因素為土體本身存在的凍脹性質(zhì)及土體內(nèi)所含的水量大小，故為了做好防凍脹工作，需要從溫度及治水2個(gè)方面進(jìn)行研究。黏土滯水層防凍脹技術(shù)主要由截治水、暖棚保溫及結(jié)構(gòu)邊緣土體覆蓋等3道施工工序組成。

3 技術(shù)應(yīng)用的方法及內(nèi)容

1）設(shè)置截水溝及排水盲溝的作用是防止已排出滯水或外部水源重新匯入基坑內(nèi)，降低防凍脹難度。

2）暖棚保溫可以減緩已建結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的降低，有效地降低結(jié)構(gòu)下持力層在低溫時(shí)的凍脹現(xiàn)象，減小因凍脹而產(chǎn)生的附加反力。

3）結(jié)構(gòu)邊緣土體覆蓋保溫材料可以保證越冬期間地基土處于凍土層以下，降低了土體凍脹的風(fēng)險(xiǎn)，從而控制了已建結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

4 主要施工工藝流程

4.1 截水溝及排水盲溝的設(shè)計(jì)、定位及施工

方案設(shè)計(jì)時(shí)，需著重考慮現(xiàn)場(chǎng)的條件限制，在不破壞地基土的前提下，盡量將施工區(qū)域全覆蓋。在基坑邊坡上口2 m處設(shè)置截水溝，阻斷基坑上部水源流入基坑內(nèi)；在基坑下口設(shè)置截水盲溝，阻斷基坑邊坡滲水流入結(jié)構(gòu)施工范圍。無(wú)論上下口出的截排水措施，其大小可依據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況確定，以滿足截水要求為準(zhǔn)，而且均需設(shè)置符合要求的集水井。

4.2 場(chǎng)區(qū)積水排除

將場(chǎng)區(qū)內(nèi)積水及時(shí)排出場(chǎng)外，阻斷外來(lái)水源，除滯水層滲水外，結(jié)構(gòu)施工范圍內(nèi)的水量便得以控制。由于項(xiàng)目周邊環(huán)境復(fù)雜，無(wú)有效的排水地點(diǎn)，導(dǎo)致已排出滯水又通過(guò)場(chǎng)區(qū)周邊市政排污管道回流至基坑內(nèi)部，變?yōu)檠h(huán)水，為此，需要長(zhǎng)期組織人員開展排水工作。

4.3 搭設(shè)暖棚，封閉已施工完成的結(jié)構(gòu)

對(duì)于已施工完成的結(jié)構(gòu)，需要將所有洞口部位利用阻燃棉被或其他可靠材料覆蓋嚴(yán)密，并在溫度低于0 ℃時(shí)采取升溫措施，確保結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度在0 ℃以上。

4.4 結(jié)構(gòu)邊緣裸露地基土覆蓋保溫材料

結(jié)構(gòu)邊緣采用珍珠巖等有效的保溫材料進(jìn)行苫蓋，苫蓋厚度根據(jù)沈陽(yáng)當(dāng)?shù)氐膬鐾辽疃扔?jì)算，以確保土體處于凍土層以下。

依據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，本區(qū)屬季節(jié)性凍脹區(qū)，標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為1.20 m。依照J(rèn)GJ 104—2011《建筑工程冬期施工規(guī)程》[2]要求，項(xiàng)目地基土土質(zhì)為粉質(zhì)黏土，珍珠巖保溫系數(shù)取3.5，車庫(kù)鋼筋混凝土筏板厚0.35 m、保溫系數(shù)取0.96，素混凝土墊層及防水保護(hù)層厚150 mm、保溫系數(shù)取1.14，棉被厚60 mm、保溫系數(shù)取2.0，取最薄弱點(diǎn)計(jì)算，則：

在未搭設(shè)暖棚前，車庫(kù)筏板上需覆蓋厚164 mm的珍珠巖；項(xiàng)目暖棚搭設(shè)后，凍結(jié)指數(shù)為546，凍深為0.83 m（此為暖棚法棚內(nèi)實(shí)際計(jì)算凍深），暖棚內(nèi)筏板上部珍珠巖厚為5.8 mm，暖棚內(nèi)筏板上部鋪設(shè)厚350 mm珍珠巖可滿足越冬防護(hù)要求。暖棚內(nèi)裸土及后澆帶部位珍珠巖厚為203 mm，暖棚內(nèi)裸土及后澆帶部位鋪設(shè)厚350 mm珍珠巖可滿足越冬防護(hù)要求[3]。

4.5 溫度監(jiān)測(cè)

測(cè)溫時(shí)間為每天8：00、14：00、20：00，測(cè)溫過(guò)程除記錄溫度外，還需檢查現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)是否有凍脹趨勢(shì)。

4.6 低于設(shè)計(jì)要求時(shí)進(jìn)行升溫

根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，搭設(shè)暖棚后，溫度長(zhǎng)期在－10℃以下時(shí)的凍脹風(fēng)險(xiǎn)明顯增高，為了避免凍脹問(wèn)題的發(fā)生，溫度監(jiān)測(cè)過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)棚內(nèi)溫度低于－10 ℃，應(yīng)立即組織人員對(duì)棚內(nèi)進(jìn)行加熱升溫，升溫措施宜選用暖風(fēng)機(jī)，數(shù)量及功率需要根據(jù)場(chǎng)區(qū)情況進(jìn)行核算，確保棚內(nèi)溫度高于－10 ℃。

4.7 暖棚的拆除

根據(jù)項(xiàng)目所做的棚內(nèi)溫度統(tǒng)計(jì)，隨著大氣溫度的變化，棚內(nèi)溫度也會(huì)有所變化。室外溫度在－12 ℃以上時(shí)，棚內(nèi)溫度－4～－2 ℃；室外溫度在－12～18 ℃時(shí)，棚內(nèi)溫度－8～10 ℃；在室外溫度低于0 ℃時(shí)，暖棚可以極大減緩棚內(nèi)溫度變化，但當(dāng)室外溫度隨著春季的到來(lái)，回轉(zhuǎn)至0 ℃以上時(shí)，棚內(nèi)溫度回升不明顯，依舊處于負(fù)溫狀態(tài)，這對(duì)混凝土的強(qiáng)度增加是不利的，故暖棚的拆除節(jié)點(diǎn)應(yīng)控制在室外溫度高于－5 ℃，且逐步有回暖趨勢(shì)時(shí)。

5 黏土滯水層防凍脹技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)的純保溫材料覆蓋的方式在施工完成后，即使每日進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡視監(jiān)測(cè)工作，當(dāng)凍脹問(wèn)題發(fā)生時(shí)，也為時(shí)已晚，無(wú)法做出有效的應(yīng)急措施，通過(guò)黏土滯水層防凍脹技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合沈陽(yáng)地區(qū)的天氣特點(diǎn)，相比傳統(tǒng)純保溫材料覆蓋的方式而言，存在較為明顯的優(yōu)勢(shì)。

1）減緩冬季維護(hù)期間棚內(nèi)溫度的變化。將已施工結(jié)構(gòu)區(qū)域形成封閉空間，在室外氣溫急劇下降時(shí)，可有效減緩棚內(nèi)溫度的變化，從而達(dá)到防凍脹的效果。

2）降低了凍脹發(fā)生的概率。當(dāng)出現(xiàn)凍脹風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可立即組織對(duì)棚內(nèi)進(jìn)行升溫處理，極大地降低了凍脹發(fā)生的概率。

3）加強(qiáng)了冬季維護(hù)期間對(duì)已施工完成結(jié)構(gòu)的質(zhì)量保證。暖棚所形成的封閉空間，保護(hù)了已施工混凝土免受雨雪及寒風(fēng)的侵蝕，減緩了棚內(nèi)溫度的變化，對(duì)混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)及防凍保護(hù)都有著至關(guān)重要的意義。

6 結(jié)語(yǔ)

黏土滯水層防凍脹技術(shù)在施工中的應(yīng)用，有效地解決了北方冬季黏土滯水層因凍脹對(duì)已建結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，避免了因凍脹導(dǎo)致的返工、維修、變形等問(wèn)題，從根本上節(jié)約了施工中的返工和維修費(fèi)用成本，同時(shí)加快了施工工期，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。黏土滯水層在房建工程建設(shè)的施工中具有特有的不確定性和復(fù)雜性，影響著工程的質(zhì)量和安全。一些現(xiàn)有的施工方法只能指導(dǎo)工程中普遍存在的地下水問(wèn)題，而面對(duì)各地區(qū)季節(jié)、地勢(shì)、地質(zhì)構(gòu)成的不同，需要技術(shù)人員發(fā)揮集體的智慧，在實(shí)際的施工過(guò)程中總結(jié)和研究更適宜當(dāng)?shù)厥┕l件的處理方法[4-10]。