防止凍土對建筑物危害措施初探

文/唐平　中鐵建電氣化局集團(tuán)南方工程有限責(zé)任公司　湖北武漢　430000

防止凍土對建筑物危害措施初探

文/唐平中鐵建電氣化局集團(tuán)南方工程有限責(zé)任公司湖北武漢430000

我國北部地區(qū)氣候寒冷，特別是東北三省，冬季氣溫可達(dá)到-20℃以下，由此產(chǎn)生了土壤的凍脹變形，給建筑物帶來了極大的危害。本文從土壤凍脹的原理入手，分析了影響土壤凍脹的因素，探討了凍土對建筑物的作用力，最后給出了防止凍土對建筑物危害的措施，以期為嚴(yán)寒地區(qū)設(shè)計、施工提供指導(dǎo)。

嚴(yán)寒；建筑物；凍土；措施

我國地域遼闊，北方地區(qū)處于寒帶，冬季氣溫常低于-20℃，凍土深度可達(dá)1M以上。冬季建筑物地基土凍脹后發(fā)生了較大的變形，天氣轉(zhuǎn)暖后，凍土融化下沉，這些都給建筑物帶來了極大的安全隱患。因此，如何解決土壤凍脹問題，保障建筑物安全，成為了研究人員面臨的重大課題。本文闡述了土壤凍脹的原理，分析了影響凍脹的因素，探討了凍土對建筑物的不利影響，最后給出了防止凍土對建筑物危害的措施，可為工程技術(shù)人員以及科研人員提供一些思路和方法。

1、凍脹的基本原理

眾所周知，土壤中含有的水分可分為自由水和薄膜水。自由水冰點高，薄膜水冰點低，氣溫達(dá)到自由水的冰點時，自由水結(jié)冰，薄膜水仍然處于液態(tài)，隨著氣溫的持續(xù)降低，接近自由水的薄膜水也開始變?yōu)榱斯虘B(tài)冰，從而使薄膜變得更薄，產(chǎn)生了壓力差，這樣薄膜水就相互吸引連成了一體，水分就可以自由轉(zhuǎn)移。溫度在0℃的地層水分往溫度更低的土層轉(zhuǎn)移，毛細(xì)水張力大于懸浮水柱的重力，不斷的吸引下層水分上移，這些水分最后凍結(jié)成冰，體積增大，造成了土壤的凍脹現(xiàn)象。

2、影響凍脹的因素

土壤凍脹的影響因素包括溫度、土壤顆粒、土壤含水率，地下水位深度等情況。具體有以下幾種情況。

（1）溫度高低以及持續(xù)時間對土壤凍結(jié)的影響最大。在其他條件相同時，溫度越低，持續(xù)時間越長，土壤凍脹反應(yīng)越明顯。

（2）土壤成顆粒是影響凍脹的重要因素。其他條件相同時，土壤顆粒越小，水分轉(zhuǎn)移通道越順暢，凍脹效應(yīng)越明顯。

（3）土壤的含水率也是影響凍脹效應(yīng)的重要因素。水分越大，凍結(jié)就越多，基礎(chǔ)土壤凍脹變形越多。

（4）地下水是土壤凍脹的根源，根據(jù)上文的凍脹原理，地下水補充上部水分凍結(jié)造成水分缺失，進(jìn)一步凍結(jié)。因此，地下水位到地基凍結(jié)位置的距離市判斷土壤凍脹概率的重要指標(biāo)。

3、凍脹造成建筑物危害的作用力

（1）凍脹力作用

凍脹力每平米可達(dá)數(shù)十噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土壤地耐力，上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的荷載不能與之平衡，如果不采取措施加以防治，凍脹力經(jīng)常引起建筑物的偏移和破壞。

（2）凍切力作用

土壤凍脹引起的剪切力也是不容忽視的。凍脹部分體積膨脹，與未發(fā)生凍脹的土壤產(chǎn)生了變形差，形成的剪切力巨大，特別容易引起建筑結(jié)構(gòu)的大變形，進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)損壞甚至坍塌。

4、防止凍土對建筑物危害的措施

根據(jù)上文的分析，凍土給建筑物帶來了極大的危害，因此需要采取積極的措施，避免或者降低土壤凍脹帶來的危害。主要從設(shè)計、施工以及正常使用過程中進(jìn)行防治。

（1）在設(shè)計時應(yīng)該采取的防治措施：第一，要嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計，埋深符合現(xiàn)行國家規(guī)范；利用樁、柱等結(jié)構(gòu)或者設(shè)置隔墊層的方式將建筑物架空，建筑物脫離了地表，凍土地基對上部結(jié)構(gòu)的影響也就減小了。該方法工藝簡單，應(yīng)用廣泛。第二，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，選擇科學(xué)的基礎(chǔ)，有條件時，根據(jù)高度選擇不同的埋深，避免或者減小剪切力的影響；最第三，可以采取基底墊沙的方式，顆粒較大的沙粒能有有效的降低連續(xù)水膜形成的概率，從源頭避免凍脹效應(yīng)。在寒冷地區(qū)，大多數(shù)地基可采用碎石和礫石，一方面平整了工作平面，另一方面也有一定的保溫效果

（2）施工時應(yīng)該采取的防治措施：第一，有條件時，應(yīng)選擇夏季施工，施工期間，不能使基土受凍。如果冬季施工，基礎(chǔ)發(fā)生了凍脹效應(yīng)，夏季解凍后極易造成不均勻沉降，建筑物不可避免發(fā)生傾斜或者變形；第二，在填土區(qū)施工時，基礎(chǔ)四周應(yīng)該在天氣轉(zhuǎn)涼之前做好回填，避免基礎(chǔ)受凍；第三，施工時，挖土盡量不要選擇大開口機(jī)械，保溫難以進(jìn)行；最后，回填時，應(yīng)該仔細(xì)檢查有無凍土塊，一旦發(fā)現(xiàn)，應(yīng)該盡快撿出，降低土壤凍脹的風(fēng)險。

（3）正常使用時的防治措施：第一，定期抽查和維護(hù)排水設(shè)施，保證地面無存水現(xiàn)象；第二，當(dāng)建筑物周圍需要開挖時，應(yīng)該選擇溫度較高的時期，并盡快回填，避免積水；第三，如果既有建筑基礎(chǔ)埋深不符合設(shè)計要求，可采取一些保溫措施，避免基土受凍。第四，安排專人抽查基礎(chǔ)土壤有無空洞，一旦發(fā)現(xiàn)，及時處理，避免地表水流入。

小結(jié)：

凍土具有獨特的物理性質(zhì)，其凍脹特性給工程實踐帶來了很大的不便，所以一般不能作為建筑物的天然地基。凍土處理是我國北方地區(qū)經(jīng)常遇到的難題，給我國建筑業(yè)帶來了很大的阻礙。隨著我國科技水平的不斷提升，各種先進(jìn)的設(shè)計和施工技術(shù)不斷應(yīng)用到了工程實踐中，極大的緩解了北方建筑業(yè)面臨的壓力。我國地域廣闊，人口眾多，建筑業(yè)方興未艾，如何解決土壤凍脹問題，保障建筑物安全也是近些年研究的熱點。本文系統(tǒng)分析了凍土產(chǎn)生的機(jī)理、對建筑物造成的危害。從設(shè)計、施工以及建筑使用等方面闡述了凍土防治措施。隨著新技術(shù)和新材料的應(yīng)用，凍土問題必將徹底得以緩解。本文的研究可為相關(guān)研究提供一些思路，具有一定的理論意義和實踐意義。

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唐平，男，1987.04.05 ，中鐵建電氣化局集團(tuán)南方工程有限責(zé)任公司。