淺析季節性凍土地區工程建設基礎合理淺埋的可能性

郝曉琴

摘 要：該文主要分析了季節性凍土對工程建設的危害、引起土的凍脹現象機理、不利影響，以及防治凍脹危害的主要工程措施；影響凍脹的土、水、外界氣溫等因素；對場地土凍結深度的影響因素，在對于深厚季節性凍土地區（凍結深度大于2m），基礎合理淺埋在保證建筑安全方面實現的可能性，基礎底面下允許凍土層最大厚度應根據當地經驗確定。沒有地區經驗的可按現行《建筑地基基礎設計規范》中由地基土的凍脹性、基礎形式、采暖情況、基底壓力所確定的基底允許凍土層最大厚度有關數據資料查取。

關鍵詞：凍脹機理 影響因素 安全合理的基礎淺埋

中圖分類號：TU753 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（c）-0074-01

季節性凍土的凍脹性對工程建設的不利影響：發生凍脹時，使路基隆起，路面鼓包、開裂或錯縫折斷。引起建筑物的開裂、傾斜甚至倒塌。而發生融陷后，路基路面變軟或翻漿，也會使建筑物發生不均勻的沉降或下沉，或使建筑物開裂破壞。

導致土的凍脹現象機理：當大氣季節性降溫時，大氣負溫進入土中，將土中的水變成冰晶體，伴隨氣溫的不斷降低，弱結合水的最外面開始凍結，不斷擴大冰晶體，使冰晶體附近土粒的結合水膜變薄，土粒會產生剩余的分子引力，此外，因結合水膜變薄，增加了水膜中的離子深度，從而形成滲透壓力。通過兩種力的共同作用，下臥沒有凍結區水膜較厚處的弱結合水被吸引到水膜較薄的凍結區凍結，增大了冰晶體，且繼續存在不平衡引力。若下臥沒被凍結區有水源和一定的補給來源（毛細通道），補充源源不斷的水到凍結區，這樣未凍結區的水會不斷遷移和積聚到凍結區，不斷擴大冰晶體，凍夾層也逐漸形成，土體也隨之而隆起，凍脹現象因此產生。

引起融陷現象機理：受季節影響，氣溫回暖，土層開始解凍，積聚在土中的冰晶體融化，土體發生下陷，此現象即融陷現象。

有三方面因素會影響凍脹。

（1）土的因素。細粒土中通產會產生凍脹現象，粉質粘土、粉土、粉砂等毛細現象較為顯著，具有上升高度較大的毛細水，且有較快的上身速度，水源補給通暢，同時，土有較細的顆粒，具有較大的表面能，土中礦物成分有較強的親水性，含有的結合水較多，因此能遷移和積聚大量的結合水。但粘土因有很小的毛細空隙，對水分遷移有很大的阻力，水源補給通道不暢，故存在很小的凍脹性。故在現行《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2011附錄G表G.0.1下標注：“3.塑性指數大于22時，凍脹等級降低一級；4.粒徑小于0.005mm的顆粒含量大于62%，為不凍脹土。”對于粗顆粒土，結合水很少或者不存在，自由水在空隙中凍結后，水分的遷移和積聚不會發生，且砂礫中幾乎沒有毛細現象，所以凍脹現象不會發生。

（2）水的因素。因水分的遷移和積聚導致了土層發生凍脹，凍結區附近如果有較高的地下水位，且毛細水上升高度能夠達到或接近凍結線，使外部水源能補給給凍結區，則凍脹會很強烈。

（3）外界氣溫的影響。當氣溫突然下降，且有很大的冷卻強度時，土的凍結面向下推移比較迅速，也就是有很快的凍結速度，這樣冰夾層在土層中看不到，看到的只是分布在空隙中的冰晶體，這是形成的凍土凍脹現象不明顯。如果氣溫下降緩慢，有很小的冷卻強度，但有很長的負溫持續時間，則明顯的閑夾層會在土中形成，凍脹現象明顯。

三方面影響地基土的凍脹因素證明：在負溫的持續作用下，有較高地下水位的粉土、粉質粘土、粉砂等土層的凍脹危害通常都是很大的。為了用科學數據來計算地把土的凍脹性評價，根據其土的類名、凍前天然含水量ω、凍結期間地下水位距凍結面的最小距離hw，把地基土按凍脹性分類，并確定凍脹等級：Ⅰ級不凍脹土、Ⅱ級弱凍脹土、Ⅲ級凍脹土、Ⅳ級強凍脹土、Ⅴ級特強凍脹土。

主要防治凍脹危害的工程措施為：將構筑物基礎底面置于當地凍結深度以下。因此在現行《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2011的地基計算中對季節性凍土地基的場地凍結深度zd有明確的計算公式：zd=z0·ψzs·ψzw·ψze。根據當地標準凍結深度z0按地基土的類別、凍脹性和環境條件進行修正。其中ψzs——土的類別對凍結深度的影響系數，因巖性不同、土的顆粒的粗細不同，導熱系數有所不同，當其他條件相同時，粗粒土比細粒土的導熱系數大，其影響的凍深也大，見表1。ψzw——土的凍脹性對凍結深度的影響系數，由于土中水在相變時要放出大量的潛熱，而凍脹土凍結的過程是放熱的過程，放熱減緩了凍深的發展速度，因此凍深相對變淺，見表2。ψze——環境對凍結深度的影響系數，見表3。

季節性凍土地區基礎埋置深度宜大于場地凍結深度。對于深厚季節性凍土地區（凍結深度大于2m），當建筑基礎底面土層為不凍脹、弱凍脹、凍脹土時，基礎合理淺埋在保證建筑安全方面是可以實現的，埋置深度可以小于場地凍結深度，基礎底面下允許凍土層最大厚度應根據當地經驗確定。沒有地區經驗的可按現行《建筑地基基礎設計規范》中由地基土的凍脹性、基礎形式、采暖情況、基底壓力所確定的基底允許凍土層最大厚度有關數據資料查取。

參考文獻

[1] 趙明華.土力學與基礎工程[M].武漢：武漢理工大學出版社，2000.

[2] 國標《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2011[S].

[3] 工程地質手冊[M].4版.北京：中國建筑出版社，1970.