论文部分内容阅读
【摘 要】本文通过对季节性冻土冻胀力产生的原因及其对建筑物所造成的危害的分析，阐明了防止冻土对建筑物危害的重要性，并论述了设计的防治措施以及施工过程中的注意事项。
【关键词】防止;建筑物;冻胀;措施
前 言
冻土与非冻土的主要区别在于土中是否含有冰。冻土可分为两种：一种土是在冬季低温时冻结，而在夏季高温时解冻，这叫季节性冻土；另一种长年在0℃以下，连续3年以上，处于冰冻状态的冻土，叫多年冻土。水分在冰冻过程中，体积增大(冻胀)，产生冻胀力。迫使土粒发生相对位移，这种现象称土的冻胀；季节性冻土层到了春夏，冰层融化，地基沉陷，这叫融陷。过大的冻融变形，势必造成水工建筑物的损坏。因此，在季节性冻土地区，除了应满足一般地基要求外，还要考虑冻胀和融陷对建筑物的影响。
1.冻土的冻胀性
在寒冷地区并不是所有土类都存在冻胀，而主要是细粒土，尤其是粘性土，冻胀性最为突出。粘性土产生冻胀的原因，不仅是由于水分冻结时体积增大1/11，更重要的是在冻结过程中，它还能把周围没有冻结区的水分吸附到冻结区(即迁移集聚)，使冻结区水分源源不断地增加，冰晶体不断扩大，形成冰夹层，土体随之逐步膨胀，一直到水源补给断绝才会停止。显然，在冻结过程中，水分自非冻结区向冻结区迁移的原因，是与粘性土中存在结合水及其迁移的特点有关。但是，到目前为止，其中的奥秘人们还不是很清楚的。
粗粒土的冻胀性是微不足道的；细砂土即使含水量较高，也只表现轻微的冻胀现象。粉砂中粘粒含量很少时，结合水的冻胀危害也是很小的。当粉砂中粘粒含量较多时，有一定的结合水膜，其冻胀性与粘性土相似。粘性土含水量接近塑限ω，才开始冻胀，即超过塑限的那部分含水量(主要是弱结合水)才能够构成冻胀性。
2.防止冻胀措施
(一)换土法。把属于冻胀土的粘性土开挖，掉换填砂石料，消除和减小基底法向冻胀力。如图3。但对于水工建筑物要注意防渗问题。在基础侧面冰冻层范围内，换填砂砾石、炉渣等材料，减小切向冻胀力。采用砂砾石换填时，其中粘粒含量控制在15％以内，为使填料不被水流冲走，在填料表面应进行护砌。
(二)选用合理的基础型式。在冻深大、冻胀力强的地基上可以利用冻胀反力的“锚固”作用进行处理。冻胀反力是指土体冻胀时对冻结峰面以下土层产生压缩，即给非冻结层以压力，并按一定角度传递给基础。在这种情况下，对埋置于冻结线以下又临近冻结线的板式基础的稳定是很有利的。在寒冷地区这是一种较好的桥梁与渡槽的基础型式，已得到广泛的应用。
一、季节性冻土冻胀力产生的原因及其对建筑物的危害
在寒冷地区冻害对建筑物寿命有严重影响，这是由于地基土中毛细管里的积蓄水受冻后体积发生膨胀，使地基土产生不均匀的胀力造成建筑物的损坏。地基土中存在着无数的毛细管，地下水主要通过地基土中的毛细管上升到基础底面。冬季来临，当大气负温传入地下，地表土中的自由水首先冻结成冰晶体，随着气温的继续下降，结合水的最外层也开始结冻使冰晶体逐渐扩大，并在土层中形成冰夹层。水分冰冻后体积将增加9%，使土体随着膨胀发生隆起出现冻涨现象。土中细粒越多形成的毛细管越多，对地基的影响也越大。
寒冷地区冰冻线在2米左右，位于冻胀区内的浅基础，如果埋置深度浅于冻结深度，会受到地基土冻胀力的作用。如果冻胀力大于基底上的荷载，基础就有可能被抬起，使基础及建筑物开裂。一般房屋向阳面地基土的冻层较浅，阴面地基土的冻层较深。因此，阴面冻层深含冰量多，土体膨胀变化大，往上抬拱得厉害；阳面冻层浅，冰的含量少，土体膨胀小，往上抬拱的亦小，再加上土质的不均匀性，房屋基础所受冻土胀力是不均匀的。土层解冻时，地基土中积聚的冰晶体融化，使土中含水量大大增加，加之细粒土排水能力差或基底下还有土层未解冻，上面已融化的土层中的水渗透不到土层深处，基底土层处于饱和软化状态，强度大大降低，使建筑物发生下陷成为溶陷。不论冻胀或溶陷一般都是不均匀的。这样每年冻溶交替，造成了浅基础建筑物的开裂。在地下水位较高，土中细粒多，承载力差的土层中建房，冻害尤为严重。
二、防治季节性冻土对建筑物危害的几种方法
1、设置砂砾垫层
在季节性冻土地区，采用砂砾垫层换掉部分冻胀土，能取得较好效果。基底下设置砂砾垫层能起到隔离层的作用。当地下水通过地基土毛细管上升到砂砾垫层时，因砂砾垫层孔隙较大形成的毛细管少，就控制了地下水的上升数量。浅基础设计深度一般在0.6-2.0米之间，设置在寒冷地区冰冻线以上，基底下还有不同深度的地基土受冻。如果在基底下设置砂砾垫层，可减少冻胀地基土的厚度从而减轻冻土的膨胀程度，削弱冻胀土的抬拱力。一般做法是：使砂砾垫层层底深度应满足基础最小埋置深度的要求，砂砾垫层的厚度不小于30厘米。地基土承载力较高时，垫层底宽与基础宽相同，垫层顶宽根据基坑放坡确定，一般按基础每边放出10-20厘米。做砂砾垫层采用水撼砂质量为好。
2、选择独立式基础或桩基础
在冻土深，冻胀性又较强的地基上建造无采暖措施的房屋或构筑物，采用独立式基础和桩基防冻害效果较好。由于独立式基础荷重较大有利于减小基础的胨胀变形，且独立式基础与土的接触面积比其他类型基础较小，对消除冻切力也较为有力。
3、减少基础外侧冻切力影响
对标准冻深大于2米，基底以上为强冻胀土的采暖建筑及标准冻深大于1.5米，基底以上为冻胀土和强冻胀土的非采暖建筑，除满足基础最小埋深外，还必须考虑冻胀时的冻切力对基础侧面的作用。可在基础外侧回填粗砂、中砂、砾石、碎砖、火山灰和炉渣等非冻胀性材料，以减小冻切力的作用。
三、在季节性冻土地区进行房屋选址、设计时应注意的问题
在选择总平面图位置时，应尽可能选择地势高、地下水位底、地表排水良好和土冻胀性小的建筑场地。
离室外暖气管沟2米之内不应建造非采暖建筑，以防建筑物受单侧地基土影响而裂开。如非采暖建筑距室外暖气管沟较近时，应设置圈梁或在墙体及转角处做配筋砌体。
建筑物在下列情况下应设置防冻胀变形缝，这种变形缝应从基础到屋顶全部断开，缝宽20-30厘米。
1、在同一个建筑物采用两种不同深度基础（既小于计算冻结深度的“浅基础”及大于计算冻结深度的“深基础”）的交接处；
2、采用两种不同形式的基础可能产生不均匀隆起的地方，如室外门台阶、室外平台、落地式阳台、门坡道等与建筑物连接处。
四、建筑施工和房屋使用时应注意的问题
基础在冬季施工时不得使地基土受冻，除按冬季施工规定施工外，要做到随挖、随砌、随回填，并用保温材料覆盖基础。
要做好排水设施，防止施工和使用期间的雨水、地表水、施工用水、生活废水和生活污水侵入地基，山区必须做好截水沟或在房屋和构筑物下设暗沟，排走地表水，避免因基础堵水而造成冻害。
按采暖设计的房屋和构筑物，如冻前不能交付正常使用时，应对地基和基础采取过冬保温措施，一般在基础上覆盖锯末、砂、草垫、珍珠岩、石棉被或松散砂土等。
【关键词】防止;建筑物;冻胀;措施
前 言
冻土与非冻土的主要区别在于土中是否含有冰。冻土可分为两种：一种土是在冬季低温时冻结，而在夏季高温时解冻，这叫季节性冻土；另一种长年在0℃以下，连续3年以上，处于冰冻状态的冻土，叫多年冻土。水分在冰冻过程中，体积增大(冻胀)，产生冻胀力。迫使土粒发生相对位移，这种现象称土的冻胀；季节性冻土层到了春夏，冰层融化，地基沉陷，这叫融陷。过大的冻融变形，势必造成水工建筑物的损坏。因此，在季节性冻土地区，除了应满足一般地基要求外，还要考虑冻胀和融陷对建筑物的影响。
1.冻土的冻胀性
在寒冷地区并不是所有土类都存在冻胀，而主要是细粒土，尤其是粘性土，冻胀性最为突出。粘性土产生冻胀的原因，不仅是由于水分冻结时体积增大1/11，更重要的是在冻结过程中，它还能把周围没有冻结区的水分吸附到冻结区(即迁移集聚)，使冻结区水分源源不断地增加，冰晶体不断扩大，形成冰夹层，土体随之逐步膨胀，一直到水源补给断绝才会停止。显然，在冻结过程中，水分自非冻结区向冻结区迁移的原因，是与粘性土中存在结合水及其迁移的特点有关。但是，到目前为止，其中的奥秘人们还不是很清楚的。
粗粒土的冻胀性是微不足道的；细砂土即使含水量较高，也只表现轻微的冻胀现象。粉砂中粘粒含量很少时，结合水的冻胀危害也是很小的。当粉砂中粘粒含量较多时，有一定的结合水膜，其冻胀性与粘性土相似。粘性土含水量接近塑限ω，才开始冻胀，即超过塑限的那部分含水量(主要是弱结合水)才能够构成冻胀性。
2.防止冻胀措施
(一)换土法。把属于冻胀土的粘性土开挖，掉换填砂石料，消除和减小基底法向冻胀力。如图3。但对于水工建筑物要注意防渗问题。在基础侧面冰冻层范围内，换填砂砾石、炉渣等材料，减小切向冻胀力。采用砂砾石换填时，其中粘粒含量控制在15％以内，为使填料不被水流冲走，在填料表面应进行护砌。
(二)选用合理的基础型式。在冻深大、冻胀力强的地基上可以利用冻胀反力的“锚固”作用进行处理。冻胀反力是指土体冻胀时对冻结峰面以下土层产生压缩，即给非冻结层以压力，并按一定角度传递给基础。在这种情况下，对埋置于冻结线以下又临近冻结线的板式基础的稳定是很有利的。在寒冷地区这是一种较好的桥梁与渡槽的基础型式，已得到广泛的应用。
一、季节性冻土冻胀力产生的原因及其对建筑物的危害
在寒冷地区冻害对建筑物寿命有严重影响，这是由于地基土中毛细管里的积蓄水受冻后体积发生膨胀，使地基土产生不均匀的胀力造成建筑物的损坏。地基土中存在着无数的毛细管，地下水主要通过地基土中的毛细管上升到基础底面。冬季来临，当大气负温传入地下，地表土中的自由水首先冻结成冰晶体，随着气温的继续下降，结合水的最外层也开始结冻使冰晶体逐渐扩大，并在土层中形成冰夹层。水分冰冻后体积将增加9%，使土体随着膨胀发生隆起出现冻涨现象。土中细粒越多形成的毛细管越多，对地基的影响也越大。
寒冷地区冰冻线在2米左右，位于冻胀区内的浅基础，如果埋置深度浅于冻结深度，会受到地基土冻胀力的作用。如果冻胀力大于基底上的荷载，基础就有可能被抬起，使基础及建筑物开裂。一般房屋向阳面地基土的冻层较浅，阴面地基土的冻层较深。因此，阴面冻层深含冰量多，土体膨胀变化大，往上抬拱得厉害；阳面冻层浅，冰的含量少，土体膨胀小，往上抬拱的亦小，再加上土质的不均匀性，房屋基础所受冻土胀力是不均匀的。土层解冻时，地基土中积聚的冰晶体融化，使土中含水量大大增加，加之细粒土排水能力差或基底下还有土层未解冻，上面已融化的土层中的水渗透不到土层深处，基底土层处于饱和软化状态，强度大大降低，使建筑物发生下陷成为溶陷。不论冻胀或溶陷一般都是不均匀的。这样每年冻溶交替，造成了浅基础建筑物的开裂。在地下水位较高，土中细粒多，承载力差的土层中建房，冻害尤为严重。
二、防治季节性冻土对建筑物危害的几种方法
1、设置砂砾垫层
在季节性冻土地区，采用砂砾垫层换掉部分冻胀土，能取得较好效果。基底下设置砂砾垫层能起到隔离层的作用。当地下水通过地基土毛细管上升到砂砾垫层时，因砂砾垫层孔隙较大形成的毛细管少，就控制了地下水的上升数量。浅基础设计深度一般在0.6-2.0米之间，设置在寒冷地区冰冻线以上，基底下还有不同深度的地基土受冻。如果在基底下设置砂砾垫层，可减少冻胀地基土的厚度从而减轻冻土的膨胀程度，削弱冻胀土的抬拱力。一般做法是：使砂砾垫层层底深度应满足基础最小埋置深度的要求，砂砾垫层的厚度不小于30厘米。地基土承载力较高时，垫层底宽与基础宽相同，垫层顶宽根据基坑放坡确定，一般按基础每边放出10-20厘米。做砂砾垫层采用水撼砂质量为好。
2、选择独立式基础或桩基础
在冻土深，冻胀性又较强的地基上建造无采暖措施的房屋或构筑物，采用独立式基础和桩基防冻害效果较好。由于独立式基础荷重较大有利于减小基础的胨胀变形，且独立式基础与土的接触面积比其他类型基础较小，对消除冻切力也较为有力。
3、减少基础外侧冻切力影响
对标准冻深大于2米，基底以上为强冻胀土的采暖建筑及标准冻深大于1.5米，基底以上为冻胀土和强冻胀土的非采暖建筑，除满足基础最小埋深外，还必须考虑冻胀时的冻切力对基础侧面的作用。可在基础外侧回填粗砂、中砂、砾石、碎砖、火山灰和炉渣等非冻胀性材料，以减小冻切力的作用。
三、在季节性冻土地区进行房屋选址、设计时应注意的问题
在选择总平面图位置时，应尽可能选择地势高、地下水位底、地表排水良好和土冻胀性小的建筑场地。
离室外暖气管沟2米之内不应建造非采暖建筑，以防建筑物受单侧地基土影响而裂开。如非采暖建筑距室外暖气管沟较近时，应设置圈梁或在墙体及转角处做配筋砌体。
建筑物在下列情况下应设置防冻胀变形缝，这种变形缝应从基础到屋顶全部断开，缝宽20-30厘米。
1、在同一个建筑物采用两种不同深度基础（既小于计算冻结深度的“浅基础”及大于计算冻结深度的“深基础”）的交接处；
2、采用两种不同形式的基础可能产生不均匀隆起的地方，如室外门台阶、室外平台、落地式阳台、门坡道等与建筑物连接处。
四、建筑施工和房屋使用时应注意的问题
基础在冬季施工时不得使地基土受冻，除按冬季施工规定施工外，要做到随挖、随砌、随回填，并用保温材料覆盖基础。
要做好排水设施，防止施工和使用期间的雨水、地表水、施工用水、生活废水和生活污水侵入地基，山区必须做好截水沟或在房屋和构筑物下设暗沟，排走地表水，避免因基础堵水而造成冻害。
按采暖设计的房屋和构筑物，如冻前不能交付正常使用时，应对地基和基础采取过冬保温措施，一般在基础上覆盖锯末、砂、草垫、珍珠岩、石棉被或松散砂土等。