西藏高寒地區凍土層施工技術的研究

索朗白姆 楊才濱

摘要：介紹西藏高寒地區凍土層的情況及其對建筑工程的影響，并提出解決高寒地區凍土層施工的措施。

關鍵詞：高原凍土；施工技術

中國的多年凍土主要分布在兩大地區，即分布在東北部的高緯度多年凍土區及分布在青藏高原的高海拔多年凍土區。在以前進行寒區基本建設時，由于當時尚無有關的設計規范，設計人員處于無章可循的狀態，單憑設計人員在凍土地區建設方面的有限知識進行盲目設計，結果由于設計不符合凍土地質的客觀規律（如考慮融化下沉不足或忽視凍脹力的作用）而導致建筑物失穩破壞。這種破壞數量之多，損失之大眾是所周知的。有的地區破壞率高達50%—60%，嚴重破壞者達30%。[1]

本研究主要是通過研究更好地解決凍土層在建筑施工中的難題，通過研究調查發現，目前，國內外對凍土層的施工方面存在的問題進行了分析和探討，并通過大量的研究和試驗證明，凍土層已不再完全是建筑施工技術的難題，這種技術研究，改變了過去傳統的冬季施工難、延長施工時間等問題。隨著社會技術的發展，施工方已經可以在各種土層、砂層、淤泥中施工。其目的是達到最經濟、最快捷、最環保，實現了高效節約環保的科學施工理念。現在，我們主要研究的是：如何能夠更徹底、更具體地解決在西藏高寒凍土地區施工的問題。

我們將從建筑施工工藝、建筑材料、結構設計等方面，對西藏高寒地區凍土層施工技術進行進一步研究。

一、西藏高寒地區凍土層對建筑工程的影響

西藏是中國最大凍土分布區之一，也是世界上中低緯度地區海拔最高、面積最大的凍土區。凍土對西藏各類建筑工程的設計，施工等均有著重要影響。

（一）西藏高原凍土及其特征

何為凍土呢？具有0℃和負溫，并含有冰的各類土巖稱為凍土，凍土區別于常規融土的最本質的特征是冰的存在。一般來說，并不是溫度低于0℃融土就會立即成為凍土，土受冷凍結的過程如圖所示，即首先要經過一個過冷的階段，溫度達到Tsc時，土才會開始凍結，這時過冷的水處于亞穩定狀態。當水突然結晶成冰時，放出大量的潛熱，使得溫度上升到Tf。在此溫度下，土中的自由水被凍結，繼續釋放潛熱，土的冷卻過程緩慢。當自由水被完全凍結后，這時結合水開始成冰，釋放的潛熱不多，冷卻過程才會繼續。Tf稱為土的凍結溫度，對于粗粒土，這個溫度接近0℃，而對于細粒土尤其是黏土，凍結溫度可能會低達—5℃。[2]

1、西藏高原凍土的類型

西藏高原的凍土種類繁多，按凍土時間的長短可分為季節凍土、隔年凍土和多年凍土。按含冰的特征可分為：少冰凍土，多冰凍土，富冰凍土，飽冰凍土和含土冰層。具體分類如下表所示。

2、西藏高原凍土的分布

根據資料，西藏多年凍土分布可分為5個不同的凍土區：藏北羌塘高原連續多年凍土區，崗底斯山、念青唐古拉山大片島狀多年凍土區，雅魯藏布江流域季節凍土區，喜馬拉雅山高山極高山島狀多年凍土區和藏東南極高山零星島狀多年凍土區。西藏多年凍土下界分布有顯著的自北而南逐漸升高的趨勢，其中昆侖山多年凍土下界為海拔4200～4300米，唐古拉山多年凍土下界為海拔4600～4700米，喜馬拉雅山多年凍土下界為海拔5000米，橫斷山多年凍土下界為海拔5200～5800米。

（二）凍土引發常見工程問題

地基土凍融對建筑物的破壞作用，表現在兩個方面：一方面是地基凍脹時，使房屋上升，這種上升是由于切向凍脹力和垂直凍脹力的共同作用所引起的；另一方面則是次年春天地基解凍時所引起的不均勻沉降。一般房屋向陽面地基土的凍層較淺，含冰量少；陰面地基土的凍層較深，含冰量多。因此，陰面土體膨脹變化相對較大，往上抬拱得相對厲害，導致房屋基礎所受凍脹力是不均勻的。土層解凍時地基土中積聚的冰晶體融化，使土中含水量大大增加，加之細粒土排水能力差或基底下還有土層未解凍，上面已融化的土層中的水滲透不到土層深處，基底土層處于飽和軟化狀態，強度大大降低，使建筑物發生下陷成為融陷。這樣每年凍融交替，造成了淺基礎建筑物的開裂。在房屋凍害方面。常見的破壞現象有：

1、基礎拉斷

這種情況對不采暖的輕型結構的基礎經常可能發生，如倉庫基礎、圍墻基礎等。

2、臺階隆起、門窗歪斜

部分居民住宅，每到冬天，由于臺階隆起，外門不易開關。明年開凍以后，臺階又回落，經多年起落，變形不斷增加，出現不同程度的沉落和傾斜。由于內外墻變形不一，常使門窗變形，壓碎玻璃。

3、天棚抬起

主要是因冬季外墻基礎因凍脹抬起，而內墻基礎因采暖而沒有受凍脹影響，天棚是支承在外墻上的，致使內墻頂面與天棚脫開，出現裂縫，最大的可達10~20ram。春季地基融化后回落，裂縫寬度縮小。

4. 墻壁裂紋

輕型住宅裂縫、最普遍。常在房屋的轉角、門、窗、洞口附近、山墻等處，出現水平裂縫、垂直裂縫和斜裂縫。水平裂縫常發生在門、窗洞口上下墻的橫斷面上，往往沿房屋的長度方向出現，水平裂縫又因房屋的結構和采暖情況不同，裂縫有內大外小或外帶內小。垂直裂縫一般多出現在內墻和外墻的連接處，外門斗、群房和主體結構連接處。這種裂縫主要是地基凍脹不均引起的。斜裂縫主要是由于房屋周邊產生不均與凍脹和融化沉陷引起的，沿著門、窗洞口的對角方向出現。有的出現對稱正八字和倒八字裂縫，也有在山墻上出現不對稱的斜裂縫。

由凍土所引發的工程問題還有很多，只有認識和了解了這些問題產生的本質，才能更好的節約投資，做出好的工程。

二、 西藏高寒地區凍土層施工技術策略研究

（一）在設計中應采取的措施

1、基礎設計

（1）合理確定基礎埋深

建筑物基礎應有足夠的深度，以保證建筑物的穩定，建筑物基礎埋深應根據建筑結構的形式、建筑結構的高度等確定。一般情況下，基礎埋深宜不小于冰凍深度，若采用灰土基礎，冰凍深度應算至灰土頂面；若為砼基礎、毛石基礎，冰凍深度應算在基礎底部或砼層底部。當建筑基礎底面之下允許有一定厚度的凍土層時，可按《建筑地基基礎設計規范》GB5007-2002中5.1.8確定。

（2）基礎變形協調

對于凍土地基，在巖石出露的地方應采用砂墊層進行褥墊處理，用以保溫和減少應力集中和不均勻沉降。

在設計中, 主體建筑物與附屬建筑物不能共用一個基礎, 要各自單設, 防止受凍脹時變形不協調, 引起建筑物產生凍害事故。

（3）合理利用上部荷載，加強對基土凍脹力的抑制

對不采暖的建筑物、圍墻、花池、建筑小品等上部結構荷載較小的，在設計中應充分利用上部結構荷載對地基土凍脹力的抑制作用。設計基礎斷面時應盡量考慮采用獨立墩或樁基礎。使地基承載能力得到充分利用, 盡量減小基礎斷面面積,增大基礎底面壓應力。并在適當位置設變形縫, 在梁或磚拱下留出10—15cm高的凍脹空隙。為保證所留空隙質量, 可在梁下的內外側,用磚或砼土板把填土擋住, 為防止凍切力對建筑物基礎的危害,在基礎周圍涂瀝青瑪蹄脂作為防凍隔離層,盡量使基礎側表面變的平整光滑,減小地基土與建筑物基礎之間的凍結, 防止法向凍脹力與凍切力對建筑物基礎的危害。

（4）避免對地基土的凍脹約束

對那些接觸地面的外墻懸挑式的墻壁垛, 墻壁板,要分兩方面進行考慮。一方面對懸挑較小的墻壁垛基礎可與主體基礎同步砌出,變為有基礎墻垛。另一方面對懸挑較大的墻壁板, 要與地表面之間留出 20—30cm 高的凍脹空隙。這樣可以消除壁垛、壁板對地基土的凍脹約束,防止凍害事故的發生。[3]

2、上部結構設計

（1）加強結構剛度

加強結構的剛度，以提高房屋抵抗不均勻變形的能力，加強結構剛度的方法有如下幾種：

1）增設鋼筋混凝土圈梁,增加框架內的鋼筋用量； 2）盡量用構件受拉、壓代替受彎曲；3）合理布置支承；4）用肋或隔板增強剛度；5）合理設計斷面形狀；6）采用新型復合材料節點，采用鋼纖維砼和勁性砼梁柱節點效果較好。由于勁性鋼材或鋼纖維與砼的共同工作，使得節點區砼的受力性能特別是剪切變形大大改善，延性和耗能能力顯著提高。

（2）預留凍脹變形縫

對建筑物主體與附屬部分的門臺階, 散水坡之間、 雨篷柱與大門臺階之間要留出變形縫,然后用瀝青瑪蹄脂灌縫。門臺階、 散水坡等在現澆混凝土前, 要作防凍隔離層。通常采用 20— 30cm 厚的爐渣或河流石等松散材填充。散水坡與建筑物之間留出足夠的變形縫,分段長度不宜過長, 通常為 100—120cm 長,保證建筑物受凍脹時變形互不制約, 以免造成這些建筑物附屬部分產生過大的變形,影響正常使用。

（二）施工中的基礎處理

1、改進混凝土施工工藝，方法如下：

混凝土遭受凍害，強度停止增長；正溫條件恢復，解凍后的混凝土強度仍然能繼續增長，但其強度則有明顯的降低。混凝土澆筑后立即遭受凍害，其內部產生大量微裂紋，將大大降低混凝土的強度、密實性和耐久性，因此，新澆筑的混凝土必須防止遭受凍害。

在凍土條件下施工前，砂石必須備足充分的料源，同時盡量減少骨料中的水分含量，尤其是砂子在結凍前必須備料充分，避免骨料中出現結冰現象，影響后續生產的正常進行。骨料中不得混有冰雪、冰塊及已經被凍裂的礦物質，對砂子儲存場進行搭設保暖棚，確保混凝土的施工質量。

2、人工地基處理措施

（1）換土法

所謂的換土法就是采取偷梁換柱的方法，將那些含水量大的素土換成干燥的沙土或鵝卵石、碎石等有利于施工的材料，雖然這種做法相對成本較高，但它可以縮短施工時間，相比之下，這種方法確實可行，達到了一定的目的，它也是在現實施工中較為常用的一種方法。

（2）深穿基礎法

這種方法主要適用于土壤中含水量大且存在隔年凍土層和永久凍土層，為了使基礎不受凍土的影響，我們通常采用深穿隔年凍土直到永久凍土層，這樣既可以為施工方提供方便，而且還為甲方節約投資，這樣的建筑通常采用的基礎形式是樁基或筏基。

（3）采用樁基

深季節凍結區或高含冰量多年凍土區，如果建筑物設在凍結敏感地基土上，宜優先采用樁基。若預期多年凍土有小量累積融化，則將結構物支承在樁上，樁凍于多年凍土中，其深度要充分低于結構物計劃使用期內凍土預期退化上限，且要足以抵抗冬季凍脹力，就可避免結構物的下沉。

（4）鉆孔

在鉆孔機械的選擇上優先選用實心沖擊鉆，盡量不要使用空心鉆。因為實心沖擊鉆的工作原理是將孔內的土向兩側擠壓，這可以使凍土融化后產生的空隙被新的土填滿，從而使孔壁更加穩定。而空心鉆是將孔內的土沖散后掏出，末土融化后產生的空隙將無法得到補充，進而出現塌孔的現象。

在鉆孔時間的把握上，盡量在冬季進行鉆孔施工，此時可采用干孔成孔，即在鉆進的過程中保持泥漿淹沒鉆頭3—4m，上部的泥漿可隨著鉆孔深度的增加而清除，孔壁暴露在外界溫度下很快就會重新凍結，保證了孔壁的穩定。

成孔后要盡快進行灌注施工。因為成孔后停留的時間越長，凍土融化的程度就越大，產生塌孔的可能性就越大。這就要求施工方要合理組織生產，充分利用手中的人力資源和設備資源，在最短的時間內完成灌孔施工，一般要求在成孔后12h內完成混凝土的灌注。[4]

三、結語

凍土層的存在不僅給施工方帶來直接的施工困難，而且還會增加投資成本,給甲方帶來許多的麻煩。因此，要避免這些問題,我們必須做出正確、合理的規范標準，結合工程實際，實踐出真知，有效的組織員工，嚴格履行各自職能，只有這樣，才能做到既有利于保證施工的順利，也有利于保證工程的質量。

在凍土層進行施工，可以說是困難重重，而工程完工以后，由于凍土的工程特性，建筑物還將面臨著的凍土的危害，這就要求工程的質量必須要高，并且要符合西藏高寒地區凍土工程的各種特性。僅僅依靠本文所列的方法，還遠遠不夠，在實際的施工過程中，我們必須要經過歷代人才的不斷努力，不斷的總結，才能更好的解決西藏高寒地區凍土層施工的各種難題。

參考文獻

[1] 中國寒區建筑基礎設計—劉鴻緒，朱元林

[2] 凍土的力學性質及研究現狀—齊吉琳，馬巍

[3] 建筑物凍害事故預防及處理—劉寶福，王鳳翔

[4] 高原多年凍土施工及不良地質工程的處理—李永