淺談高原凍土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)計

孫莉 徐海

【摘要】本文針對高原凍土地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)計進(jìn)行了簡單的論述，并結(jié)合自身的工作經(jīng)驗，對凍土基礎(chǔ)設(shè)計做出了一定的總結(jié)。影響凍土基礎(chǔ)設(shè)計的因素很多，只有設(shè)計者根據(jù)自身經(jīng)驗，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件，采取必要的防凍措施，才能使得基礎(chǔ)設(shè)計既合理又經(jīng)濟。

【關(guān)鍵詞】高原凍土；凍脹力；基礎(chǔ)設(shè)計；回填處理

引言

高原凍土，又可稱為永久凍土、多年凍土，是嚴(yán)寒地區(qū)所特有的地層，主要指在連續(xù)三年或更長時間內(nèi)凍結(jié)不融化、夾雜冰晶的各種巖石和土壤的一種土層。凍土地層根據(jù)其活動特點可以大致分為兩層：表層土層屬于冬季凍結(jié)、夏季融化的活動層，為季節(jié)性凍土；而下層土層屬于終年不化、冷凍多年的凍結(jié)層，為多年凍土。我國的凍土面積在世界排名第三，主要分布在青藏高原一帶，同時在新疆天山、阿爾泰山及東北大、小興安嶺等地區(qū)也有分布。其中我國青藏高原的凍土地帶是世界上中低緯度地區(qū)面積最大、海拔最高的永久性凍土區(qū)域，在分布上具成片、島狀等形態(tài)分布，且在垂直方向上呈現(xiàn)出薄厚不均勻、不穩(wěn)定等特點。在高原凍土地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)，在設(shè)計前應(yīng)熟悉工程場地，并針對不同凍土條件的地基進(jìn)行科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)計，所采用的基礎(chǔ)形式不但要與工程的功能特點相結(jié)合，更需要合理考慮施工所處的地質(zhì)條件及地基性質(zhì)。

1 高原地基發(fā)生凍脹、融沉的原因

在寒冷的高原地區(qū)，由于土層中所攜帶的水凍結(jié)成冰，體積增大約9%，因此土層會出現(xiàn)體積膨脹現(xiàn)象，即凍脹。水、低溫、土體是高原地區(qū)土層產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象必須具備的三要素。水分所具有的流動性和滲透性，使得水分在土層中重新分布，并在凍結(jié)面上產(chǎn)生冰夾層或者透鏡體，因而出現(xiàn)地層膨脹、地面隆起等現(xiàn)象，使土層凍脹變得劇烈。

當(dāng)氣溫高于0℃時，土層中的冰層逐漸融化成液態(tài)水，在密閉體系內(nèi)，液態(tài)水有一定的承重能力，若土層中的冰繼續(xù)融化，使得密閉體系逐漸成為開放體系，那么液態(tài)水將在重力作用下沿著土層孔隙向一定方向流動，而土層表面的承載能力將降低，土層不斷排水固結(jié)，隨著土體的壓密而下沉，即形成了地基的融沉。

2 凍土特性及其對基礎(chǔ)的影響

2.1 凍土的特性

由于凍土產(chǎn)生的自然地質(zhì)環(huán)境較為特殊，凍土主要具備凍脹性、熱融性、流變性三個特性。（1）凍脹性：這是凍土最主要的特性之一，在細(xì)粒土層中水分含量較多時就會結(jié)冰產(chǎn)生凍脹，并將土層中的礦物小顆粒擠出，水分凍結(jié)膨脹而形成新的間隙，從而增加了土體體積，出現(xiàn)地表隆起等不良現(xiàn)象。（2）熱融性：熱融性指的是土體中的小冰晶隨著溫度的升高而融化，土層表現(xiàn)出松軟塌陷等現(xiàn)象，并出現(xiàn)收縮，失去固有能力。尤其是多年凍土由于埋藏位置較淺，在自然變化或者人為因素作用下產(chǎn)生沉降、塌陷，從而導(dǎo)致凍土地區(qū)基礎(chǔ)被破壞，為工程帶來較大難題。（3）流變性：由于凍土中存在粘塑性的冰和粘滯性的液態(tài)水，在受到外部載荷的作用時，凍土中的應(yīng)力和應(yīng)變隨著時間而發(fā)生規(guī)律性變化，如應(yīng)力松弛、蠕變、強度下降等。其中時間對以上力學(xué)指標(biāo)具有極大的影響，所以在對高原凍土地區(qū)的基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計時，需要考慮時間因素。

2.2 凍土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)計需要考慮的因素

由于高原凍土地區(qū)的地基受到凍脹力的作用，因此基礎(chǔ)的設(shè)計必須要結(jié)合地基土凍脹這一實際情況，除了進(jìn)行常規(guī)的地基承載力設(shè)計、變形計算、穩(wěn)定性試驗等基本設(shè)計外，同時還需要考慮以下兩方面的因素。

（1）基礎(chǔ)的埋置深度。由于凍土地區(qū)的下層存在著一層只凍不脹的土層，所以需要合理設(shè)計地基的埋置深度[1]。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2002）中的相關(guān)規(guī)定，基礎(chǔ)的最小埋置深度應(yīng)該為：

其中， ——基礎(chǔ)的最小埋置深度

——設(shè)計凍深

（2）預(yù)防基礎(chǔ)凍害。在工程建設(shè)時要優(yōu)先選擇高地勢地區(qū)，因為高地勢地區(qū)地下水位低，有利于地表排水，土層凍脹性較小。位于地下水位之上的基礎(chǔ)可在其側(cè)面回填砂礫、爐渣等散狀材料；而位于地下水位之下的基礎(chǔ)可使用自錨式基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)。如果地梁下存在凍脹土?xí)r，最好在梁下填充疏松材料，防止地梁因凍脹而破裂。

（3）2.3 高原凍土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)計的狀態(tài)

（1）以地基一直處于冷凍狀態(tài)設(shè)計：在工程施工及使用期間，該地基一直處于冷凍狀態(tài)，這類設(shè)計方法適用于永久凍土區(qū)域，并且始終保持年平均氣溫很低。一般非采暖建筑或采暖溫度較低的建筑可采用這類基礎(chǔ)設(shè)計方法。

（2）以緩慢融化的狀態(tài)設(shè)計：即在工程施工或使用期間，該地基一直處于緩慢融化的狀態(tài)，這類設(shè)計方法可適用于地基持力層內(nèi)的土層始終處于塑性冷凍狀態(tài)，或土質(zhì)呈不融沉或弱融沉狀態(tài)。設(shè)計時最好選擇低壓縮性土質(zhì)作為該工程的持力層，盡量采用柔性結(jié)構(gòu)。

（3）以預(yù)先融化狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計：在工程施工前期，從地表到設(shè)計深度，地基就已經(jīng)出現(xiàn)融化或者處于完全融化狀態(tài)，這類凍土處于全年平均氣溫較高的地區(qū)，適用于融沉或強融沉土層。

3 高原凍土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)計

對凍土上的建筑及其設(shè)施而言，采用正確的基礎(chǔ)類型對其長期安全使用具有重要的影響。因此，建造在凍土層上的工業(yè)、民用建筑、鐵路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施需要重點考慮建筑的熱學(xué)、力學(xué)特性[3]。施工會破壞凍土層的熱量平衡，從而形成新的凍土深度。因此凍土層需要具備較高的強度和穩(wěn)定性，同時凍土層的季節(jié)特性、下沉量和融沉地下水等條件也對基礎(chǔ)的選型有著重要影響。

3.1 凍土的基礎(chǔ)選型

常見的基礎(chǔ)有鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、鉆孔插入樁基礎(chǔ)、鉆孔打入樁基礎(chǔ)等，以下對各種樁基進(jìn)行比較分析。

（1）鉆孔灌注樁基礎(chǔ)

鉆孔灌注樁具有較高的水平和垂直承載能力，適用范圍大，不受地層巖性和地下水的影響，可以建造具有大承載能力的大直徑樁，同時施工工具和施工方法比較簡單。由于鉆孔過程及混凝土硬化過程對地基的熱撓動及回凍時間有較大的影響，因此鉆孔灌注樁適用于地溫低于零度的各種巖性的凍土地基。

（2）鉆孔插入樁

鉆孔插入樁適用于年平均地溫低于-0.5℃的于各種巖層和凍土層，并且它克服了鉆孔灌注樁對地基擾動大、回凍時間長、效率低等缺點。但是它的承載能力僅為鉆孔灌注樁的三分之一，不適合承載大水平載荷樁。插入樁周邊的填充材料對插入樁的承載能力具有較大的影響，密實的填充物能夠提高插入樁的承載能力，但是目前在填充檢測、施工工藝等方面還不完善，施工質(zhì)量難以控制，難以大范圍應(yīng)用，特別是凍土層容易發(fā)生熱脹冷縮等不穩(wěn)定現(xiàn)象。

（3）鉆孔打入樁

鉆孔打入樁的適用條件較小，適用于粘性土、砂土為主的塑性凍土地區(qū)，不適用于巖石多或塊石地區(qū)的施工。該樁承載能力高于插入樁，但低于灌注樁。插入樁施工方法較為復(fù)雜，同時容易出現(xiàn)沉降問題，不適合在高原地區(qū)大范圍使用。

對三種基礎(chǔ)樁的評價分析可以得出高原地區(qū)選擇鉆孔灌注樁較為合適。

3.2 基礎(chǔ)底部施工處理措施

凍土分為永久性凍土和季節(jié)性凍土，高原地區(qū)的永久性凍土要更為復(fù)雜，可以采用以下措施進(jìn)行：

（1）在樁基范圍內(nèi)填充非凍脹性土、石、砂礫等，當(dāng)樁徑小于500mm時填充范圍為3～4倍樁徑，大于500mm的填充范圍為2～3倍樁徑，要嚴(yán)格控制粘土和粉土的含量，同時填料的粒徑不大于50～70mm。

（2）對樁基底部與土層接觸的側(cè)面進(jìn)行處理，包括以下三個方面：一是對基側(cè)抹平壓光處理，減小切向凍脹力，改善受力狀態(tài)；二是在基側(cè)涂上黃油，包上油氈紙形成油包柱，或者注入工業(yè)凡士林，以此減少樁與凍土界面的凍結(jié)力；三是將基側(cè)做成傾斜角，防止凍土將基樁擠出，這種方法可靠、經(jīng)濟[4]。

（3）對樁基底部進(jìn)行處理，做成自錨式樁基，在底部設(shè)置擴展頭、底梁等以增加樁基的抗拔能力，同時保證回填土的質(zhì)量。

3.3 基礎(chǔ)設(shè)計的要求防治措施

高原凍土地區(qū)的施工具有溫度低、溫差大且遠(yuǎn)離人員聚集區(qū)，生產(chǎn)成本高等特點，因此基礎(chǔ)的設(shè)計要充分考慮施工時的具體條件。應(yīng)首先根據(jù)建筑物的使用要求、結(jié)構(gòu)形式、需要基礎(chǔ)承載力的大小等因素確定基礎(chǔ)形式。通過分析所參與過的建筑物的設(shè)計，設(shè)計中一般選用的基礎(chǔ)型式為柱下獨立基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、樁筏基礎(chǔ)等。樁基礎(chǔ)基本上選用的鉆孔灌注樁，樁徑選用800～1000mm為宜，樁基插入永凍層不少于3m且樁長不得少于9m，在混凝土澆注過程中，混凝土采用負(fù)溫混凝土，并加入適量的防凍劑、早強劑，以保證混凝土在永凍層中可以凝固同時保證較高的強度。為減少凍土對樁基的凍脹力和摩擦阻力，可以在底部填充一定厚度的砂礫石墊層。對于凍土層上的建筑物盡可能的采用架空建筑，并且對架空建筑的底部進(jìn)行保溫處理；對于無法采用架空處理的建筑物，可對設(shè)備基礎(chǔ)底面、地面增加保溫板做好隔熱處理；同時做好室內(nèi)外地溝的防水保溫隔熱處理，減少對多年凍土的熱干擾，防止建筑溫度破壞凍土，維持其穩(wěn)定性[5]。

高原凍土地區(qū)除了進(jìn)行工程施工外還有人員居住地區(qū)的施工。對于工程場地應(yīng)將表層的腐殖土挖出，將表面硬化，同時開設(shè)暗渠、排渠，目的是防止生活用水向下滲透形成新的凍土。對于特殊地區(qū)的凍土層要加深建筑物樁基的進(jìn)入，同時還要減小向上拔力和負(fù)摩擦力；使柱樁與水隔離，防止樁基反復(fù)凍融。

各種保護(hù)措施的采用均是為使樁基能夠長期保持強度和使用壽命，減緩鋼筋腐蝕、防止保護(hù)層脫落，使各個環(huán)節(jié)能夠長期使用。

3.4 凍土回填處理

無論是鉆孔灌注樁、鉆孔插入樁還是鉆孔打入樁均會產(chǎn)生大量凍土堆積，需要對這部分凍土進(jìn)行回填處理，同時樁基一般設(shè)置均單樁、多樁承臺，承臺下及四周均須進(jìn)行回填。建筑基礎(chǔ)不許使用凍土回填，路基與地基不能使用凍土回填。回填一般采用砂夾石回填，并在承臺底及四周留有一定的空間，以防凍脹對基礎(chǔ)的破壞。地面、場地平整回填采用凍土回填進(jìn)，應(yīng)與爐渣、礦渣等一起填充，減小凍土結(jié)凍隆起產(chǎn)生的巨大擠壓力，回填地區(qū)要注意排水，防止形成新的凍土層。建筑物周圍地面回填后，架空層地面高出四周地面，設(shè)置散水。散水分段長度不宜過長，坡度大于2%。

4 結(jié)束語

通過以上分析可知，在對高原凍土地區(qū)的基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計時，除了需要考慮外在因素之外，還需要設(shè)計者將設(shè)計經(jīng)驗與當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況結(jié)合起來，根據(jù)施工現(xiàn)場的具體情況而采取相應(yīng)的施工措施。同時，還要注意進(jìn)行預(yù)防凍害的發(fā)生，要充分認(rèn)識凍脹力的危害，將這些因素都考慮進(jìn)去，才能使得基礎(chǔ)設(shè)計更加經(jīng)濟合理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陸雨軍. 凍土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)計探討與實踐[J]. 甘肅科技，2009（11）：136-138

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[3] 任衛(wèi)良. 高原凍土地區(qū)建筑基礎(chǔ)設(shè)計[J]. 煤炭工程，2013（7）：23-25

[4] 王彬彬，楊永平. 青藏鐵路多年凍土地區(qū)樁基礎(chǔ)設(shè)計研究[J]. 鐵道勘察，2005（2）：42-45

[5] 青藏鐵路高原多年凍土地區(qū)工程設(shè)計暫行規(guī)定. 鐵道第一勘察設(shè)計院，2001（7）