高海拔地区土冻胀对建筑物的危害及其防治措施

高海拔地区土冻胀对建筑物的危害及其防治措施摘要：冻土地区的各种土建工程普遍存在着因地基土的冻胀给工程带来严重破坏和损害，这是工程设计中经常遇到的问题。文章介绍了地基土的冻胀特征、冻胀对建筑物的危害及其防治措施。关键词：冻土地带；土冻胀；冻结特征；冻胀中图分类号：TV698文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）08-0150-03云南省迪庆州处于冻土地带，现就220kV香格里拉变电所土建设计中土的冻胀对建筑物冻害防治谈几点工作体会。一、土的冻结特征和冻胀土冻结时，最主要的特征就是土中的水变成了冰，在矿物颗粒间产生了新的冰晶胶结作用，从而改变了土的物理力学性质。由于冰胶结作用，使冻土具有抵抗外力的很高强度，压缩性显著减少，压缩模量增大，同时其物理指标与电学指标增加，其透水性减少。土体冻胀变形基本特征值是冻胀量。冻胀量是土体冻结时引起地面的总上升量；分层冻胀量是某土层土体冻结时引起该土层垂直向上的位移变形值。还有一种常用的表明土体冻胀变形的特征值，称冻胀率或冻胀系数用（?浊）表示：?浊=△hi/△zfi×100％式中：△hi——某冻结土体厚度△zi时的冻胀增量值m；△hi=hi-h；△zfi——某冻结土体厚度m；hi——土体冻结到某深度△z时某地点标高m；H——冻结前的标高m。为了评价土体冻结时位移变形增大的程度将冻胀土分为四个等级：非冻胀性土（冻胀系数η≤1）；弱冻胀性土（冻胀系数1＜η≤3）；冻胀性土（冻胀系数3＜η≤6）；强冻胀土（冻胀系数η＞6）。据野外观测资料表明，季节冻结区土体冻胀量沿冻结深度的分布状态是上大下小，地表层冻胀量最大，其冻胀率的最大值出现在1/3～2/3最大冻深的地方。为此，在季节冻土区修建（构）筑物时，应根据当地水文地质条件做具体分析，不能一律要求埋深超过最大冻深，一般可以保留一定的残留冻土层。我国工业民用建筑地基基础设计规范中便规定了允许残留冻土层厚度的公式。二、土的冻胀机理与冻胀力现场观测与计算表明，在潮湿的粘土及含有较多的细颗粒土体冻结过程中，土体内水分冻结，每cm3体积膨胀0.09cm3。土冻胀必须具备下列三个条件：一是具备冻胀敏感性的土；二是初始水分及外界水分（包括地下水、大气降水和人为活动引起的水）的供给；三是适当的冻结条件和时间，当人们采取措施去削弱其中的一个条件便可以抑制冻胀，达到防冻害的目的。土冻结过程中水分迁移和冰析作用是产生土体冻胀的直接因素。它们的强弱主要取决于土颗粒的大小、矿物成分、土中水分及补给来源、冻结条件、外荷作用以及交换盐基等因素。冻胀力是在土体发生冻胀时，在土体内部由水相变成冰体积膨胀而产生的一种内应力。当土中含水量小于起始冻胀含水量时，水相变体积的膨胀主要用于填充土的孔隙，尚不能使土体增大，也即在宏观上不表现冻胀。当土中含水量大于起始含水量，尤其是有外界水源补充时，原驻水相变化产生的体积膨胀以及迁移水结冰占据了土体的部分空间，从而引起土体膨胀。参与相变水的数量越多，土体积增加的越甚，冻胀量越大。如果这种体积膨胀受到约束，即产生冻胀力。为此冻胀和约束是产生冻胀力的两个必要条件。建筑物的修建，将使地基的冻胀变形受到约束，使地基上的冻结条件发生变化，进而改变基础周围的温度状态，且将外部荷载传递到地基中，改变了地基土冻结时的约束力，地基土冻结时产生的冻胀力将反映在对建筑物的作用上，引起建筑物位移、变形。冻胀力是有方向、大小和作用点的。沿着基侧周边表面向上作用的冻胀力叫做切向冻胀力σ；作用在基础底面且垂直底面的冻胀力叫法向冻胀力σno；作用于基侧且垂直于基侧的冻胀力称为水平冻胀力σho。三、建（构）筑物冻害的防治措施（一）防冻害的地基处理措施1．换填法。是用粗砂、砾石、煤渣、矿渣、石灰渣等非冻胀性材料，置换天然地基的冻胀性土，以消除或基本消除地基的冻胀。（1）房屋基础的换填深度。当地下水位较低时，主冻带偏于冻层上部，对非采暖房屋基础加换填厚度可按当地冻深的80%确定；对采暖房屋基础加换填厚度，可按冻深的60%确定；当地下水位较高时，采用基础加换填厚度等于当地冻结深度。基础换填可消除基础底部的法向冻胀力，换填断面可采用倒梯形；在基坑不深且土质较好的情况下，换填断面可采用矩形断面；为消减作用墙基外侧的切向冻胀力，可采用倒梯形断面形式，并外侧加填10～15cm的换土；（2）支挡建（构）筑物换填深度。以挡土墙为典型范例，换填厚度推荐日本的方法确定。先通过计算或观测资料首先确定墙后的冻结线，然后从墙背顶点引一条与地面成40°角的直线，将墙后填土按冻胀方向分成向墙体和地表两个地区，该直线称为分区冻胀边界线。冻胀边界线与冻结线交点到墙外表面的水平距离Z称为边界冻深；换填断面的边界线应通过冻胀边界线与冻结线的交点，同时结合开挖断面加以确定；（3）板式基础下的换填深度。涵闸和各种净水、污水场的水池板形基础的换填深度，目前多根据经验确定。面积较大的板形基础一般采用板厚加换填总厚度等于当地冻深来确定换填深度，面积小且刚度较大的板式基础可根据建筑物的允许变形值适当减少，可按底板厚加换填厚度为冻深的65%～80%考虑；（4）路基工程的换填深度。为防止道路翻浆，普遍采用换填法，西南地区换填厚度一般采用20～30cm，对地下水位高的低路基或无路面结构的情况，换填率一般也都低于50%，本变电所工程设计时采用换填法运用良好。2．物理化学法。是利用交换阳离子和盐分对冻胀影响的规律采用人工材料处理地基土，改变土粒子与水之间相互作用，使土体的水分迁移强度及冰点发生变化，从而达到消减冻账的目的。人工盐渍化法是指向土体中加处一定量的可溶性无机盐类，如：NaCl、GaCl2、KCl等使之成为盐渍土。土中加可溶性无机盐后，可使电解质增加，增大土颗粒表面水膜厚度。由于粒子间凝固，使土颗粒的表面能和毛细作用降低，溶液冻结温度随其浓度的增加而降低。根据不同交换性阳离子对土冻胀性的影响，加入钾、钠等离子就可以大大地抑制土体的冻胀性。在人工盐渍化坑冻胀措施中，较多地采用NaCl做为掺入的盐分。掺入量的多少以土的种类和施工方法而定。一般情况下，在砂质亚粘土中，可按重量比加2%～4%的NaCl、GaCl2；对含少量粉土和粘土的砂质土，应添加1%～2%的GaCl2或KCl。3．保温法。保温法是指在建筑物的基础底部或四周设置隔热层，增大热阻，以推迟地基上的冻结，提高土温，减少冻结深度，进而起到防冻胀作用。4．排水隔水法。在产生冻胀的三个要素中，水分条件是决定条件，采用排水隔水法将能达到消除或减弱地基土冻胀的目的。（1）工业民用建筑中排水隔水法。在工民建筑附近应避免有积水坑，同时应结合城市给排水管网设置排除地表水的排水沟或排水管路。为降低地下水位和排除基础周围的水，可在基础两侧（或底部）填砾石料并与基础外排水沟或无压排水管路相连接；（2）挡土墙的排水隔水法。回填砂性土或砂砾石等弱冻胀土挡土墙，设置排水设施后均会降低回填土体的含水量，从而减少作用于墙后的水平冻胀力，应尽量布置排水设施。（二）防冻害的结构措施1．不允许冻胀变形建筑物的防冻害措施。在冻土地区，采用墩桩基础桥梁、渡槽及其他重要建筑物，根据运用上的要求，应保证在土冻胀或融沉作用下不变形。为满足此要求，常采用深基础或各种形式的锚固基础。2．允许冻胀变形建筑物的防冻害措施。实践表明，工业与民用建筑中的平房和水利工程中的小型桥、涵、闸、引水渠道的衬砌等，都具有适应不均匀冻胀变形的能力。在冻土地区，允许变形建筑物的基础可以适当浅埋，这一原则对冻土地区的工程实践具有重要意义，将为国家节省大量投资。（三）防冻害的回避措施在允许变形或不允许变形的结构中，除前述各种防冻害措施外，通常采用回避的结构措施。就是在建筑物形式选择、结构形式等方面采取措施，避开不利条件，使建筑物免受冻害，常采用架空法、埋入和隔离法三种。1．架空法。在水利工程中的架空筛网消能、架空扬水站，两侧不填土墙和U型槽以及在石油化工工程中的管线常采用架空法，都是有效防冻害的回避措施。在房屋建筑中采用桩基和墩式基础减少了与地基的接触面，从而回避了大面积基础面上的法向冻胀力和切向冻胀力对基础的作用。2．埋入法。埋入法是将整个建筑物的大部分或部分埋入地下或填土下面，使其免受冻害或减轻冻胀作用。水工建筑物的竖井式跌水就是埋入法的一种结构形式。3．隔离法。隔离法是在基础周围土间采用隔离措施，使基础侧面与土之间不产生胶结作用，进而消除切向冻胀力对基础的作用。常用的隔离法，有的基础侧面涂（贴）料或在桩外加套管两种方法。基础侧面涂贴材料有树脂、原油、沥青、玛碲脂、聚乙烯薄膜等。都能收到较好的效果。4．桩外加套管方法。桩外加套管方法是在冻层范围内，在桩外加一套管。套管常采用铁（钢）管，套管与桩留2～5cm的间隙，内填充黄油、沥青、或废机油等。为防止油类流出，套管上下端均用橡皮圈或沥青麻封住。注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文