季凍區凍脹和融陷對建筑物的危害和防治

吳 維 奇

(包頭市財政性投資評審中心，內蒙古 包頭　014030)

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季凍區凍脹和融陷對建筑物的危害和防治

吳 維 奇

(包頭市財政性投資評審中心，內蒙古 包頭014030)

從季節性凍土區建筑物受到凍脹和融陷破壞的形成機理入手，分析了產生凍脹破壞的主要因素，并從換填法、保溫法、排水隔水法、基礎形式等方面，提出了不同的防止建筑物凍脹和融陷破壞的措施，對類似地區建筑設計與施工有一定的參考價值。

季節性凍土區，凍脹，融陷，防治方法

在我國東北、華北、西北等地季節凍土分布廣泛，即地表土體存在著冬季凍脹、夏季融陷的現象，此過程中土體性質的變化直接影響著上部建筑物的穩定性，引起房屋裂縫、傾斜及變形現象屢見不鮮。本文在分析產生凍融破壞的主要因素和形成機理后，提出一些防治措施，供設計和施工人員參考。

1　季凍區凍脹和融陷的發生機理

外界氣體、土體中的固相土顆粒和水存在著反復進行的熱交換，冬季，當外界大氣溫度下降時，使得土體溫度達到土中水冰凍點時，存在于地表土中的自由水首先凍結成冰晶體，形成最初的凍結—融化層；當氣溫不斷下降時，凍結融化層位置產生負壓區，使得土中孔隙水或外界水源不斷上升補給冰晶體，并形成多晶體、透鏡體、冰夾層等，從而引起土體膨脹體積增大，地表土體發生隆起或不均勻的上升[1]，即土體發生了凍脹現象。春季后期或夏季，隨著外界大氣溫度的不斷上升，地溫也隨之提高，土體中的冰晶體開始融化，各種形式的冰侵入體不斷消融為自由水，隨著荷載的施加不斷排出地表，使得地表土體不均勻的下降，同時由于土體處于飽和或過飽和狀態，使得有效應力大幅下降，引起地基承載力的降低，繼而造成建筑物的不均勻沉降，導致裂縫、傾斜等現象發生。

從物理力學的角度而言，地基中毛細管中的積聚水受凍后體積發生膨脹，或者是由于孔隙水的補給引起土顆粒的被迫移動，都可以使地基土產生水平凍脹力、切向凍脹力和法向凍脹力，這些凍脹力會直接施加在基礎表面或周圍土層，引起建筑物的位移、變形乃至損害。

因此，對于在季節性凍土區建造淺基礎，一方面，當基礎埋深小于當地標準凍結深度時，往往會受到地基土豎向凍脹力的作用，如果豎向凍脹力大于作用于基底上的荷載，基礎就有被抬起的可能，使建筑物的部分受力構件產生開裂[2]。另一方面，一般建筑物向陽面由于日照相對較長的原因，地基土的冰凍層較淺、較薄，建筑物陰面地基土的冰凍層較深、較厚。因此，陰面地基土體膨脹得厲害；陽面地基土體膨脹變化相對小些，這樣一來，房屋基礎所受凍土脹力是不均勻的，也會引起建筑物部分構件的開裂。當土層中冰晶體不斷解凍融化時，土中含水量不斷增加，加之粉細砂等易產生凍脹的細粒土排水不良，使得地基土層處于飽和軟化狀態，地基強度大幅下降，使建筑物發生下沉，稱為融陷。此外，若溫度提升較快時，基底下就會存在未解凍土層，上面已融化的土層中的水滲透不到該層而只能向上滲透到地表，同樣會引起淺基礎的建筑物開裂。此外，若建筑物所在場地的地下水位較高，地下水能補給冰晶體，即所謂的凍脹開放系統，由于冰晶體能夠在整個冬季不斷擴大，使得凍脹程度巨大，相應地融陷也很大，建筑物產生不均勻下沉和開裂可能性及程度都較大。

2　季凍區建筑物地基凍脹和融陷的防治方法

2.1換填法

換填法是指把天然地基具有凍脹性的土部分或全部清除，然后回填粗砂、礫石等排水良好的非凍脹性材料，以削弱或基本消除地基土的凍脹。換填法是季節性凍土地區建筑物防治凍害常用的措施。當地下水位較高時，凍脹往往是開敞型的，即地下水補給冰晶體的效果好，一般采用基礎加換填的總厚度等于當地凍結深度；當地下水位較低時，凍脹往往是封閉型的，即地下水補給冰晶體的效果差，基礎加換填的總厚度可適當減少；當基礎面積較小時，換填法僅削弱了法向凍脹力，較大的切向凍脹力依然存在，而基礎面積較大時，換填效果相對良好；另外換填后要進行壓實，使土達到一定的密實度；同時，在基礎底面或側面要設置排水措施，輔助增強防凍脹效果。

2.2保溫法

保溫法是指在建筑物基礎四周和底部設置保溫隔熱層，阻斷冷空氣大量進入地基土層，達到推遲地基土的凍結時間、提高地基土體溫度、減少土體凍結深度等目的，從而起到防止或減小凍脹。目前常用的鋪設材料為聚苯乙烯泡沫塑料板或聚氨酯板，其吸水性低，導熱效果差，可阻止冷空氣進入地基基礎；鋪設位置可以是基礎側面或底面，也可以是建筑物周圍一定距離的地表土中，為防止車輛通行時對聚苯乙烯板的擠壓作用，應將其埋在地面下足夠深度；對墻基外露部位也可以用聚苯乙烯泡沫塑料加以保護。

2.3排水隔水法

排水隔水法是指通過降低地下水位來隔斷冰晶體的水源補給和阻止地表水進入地基土，降低可能產生凍脹的土體的含水量，達到減小地基土凍脹的一種方法。房屋建筑物周圍地表的散水就是防止雨水、雪水從房檐流下后滲入基礎；結合換填法可在基礎兩側或底部填砂礫石料，并用排水管與基礎外一定距離的排水溝相連，且溝槽底部應低于季節凍深；當基礎底部凍深處有不承壓的透水層時，應設排水孔與之連通，降低或穩定地下水位，切斷或減少地下水對冰晶體的補給，達到減少凍脹的目的。

2.4選擇適宜的基礎形式

在季凍區地基上建造房屋或構筑物，采用獨立式基礎或擴大式基礎是較好的選擇。獨立式基礎較大的自重和較為集中的荷載分布，可提升地基土的溫度，減少基礎的凍脹破壞和地基變形，若獨立基礎設置鋼筋混凝土基礎梁，配合回填法即在基礎梁的兩側回填非凍脹性的散粒土，且底面預留10 cm～15 cm的空隙，可以防止地基土凍脹時對基礎梁的不良影響；所謂擴大式基礎是指將基礎在凍層以下的部分擴大，一方面可以通過增大基礎底面積來提高地基的承載能力。另一方面可利用擴大基礎的自錨作用防止凍拔[3]。常用的擴大式基礎有爆擴樁基礎、排架下板形基礎及其他形式的擴孔樁基礎。

2.5其他注意事項

1)在季節性凍土上設計基礎前，應有可靠的地質資料和水文資料，準確把握地基土的凍脹類別，因為不同的凍脹類別土的設計原則、設計方法和防凍脹措施不盡相同；同時要合理確定基礎的埋置深度，確定基礎下的地基是否可以殘留部分凍土層，還是需要全部挖除；以往很多的設計中，設計者認為只要把基礎埋深定在標準凍深以下即可，實際上很多建筑物增大了埋深，還是出現了凍害，而且這種做法和基礎淺埋的原則相矛盾。

2)在季節性凍土區進行建筑物設計時，一定要通過控制長高比、增設圈梁、設置沉降縫等措施來提高建筑物的整體剛度。避免因不均勻的凍脹和融陷產生不均勻沉降。

3)建筑物的門斗、臺階及散水應與主體建筑完全斷開。散水坡寬度不宜小于1 m，分段不宜過長，且應用瀝青油膏等填塞其與外墻間的縫隙，以防止地表水侵入地基土中，此外，可適當加大散水坡的坡度，其下可用非凍脹性散粒土填充一定厚度。

3　結語

1)季節性凍土區產生凍脹的主要因素是水、土和溫度，三者缺一不可，所以只要能控制其中的一個方面，就可以減小或削除凍脹帶來的損壞。

2)季節性凍土區建筑物的凍脹和融陷是應該避免或減小的，同時也是可以通過設計、施工等多方面來達到目的的。

3)正確判斷地基土的凍脹類別是前提，合理的設計是關鍵，適宜的防治措施是保證。

[1]童長江,管楓年.土的凍脹與建筑物凍害防治[M].北京：水利電力出版社，1985.

[2]魏敬先,韓媛,錢繼東.關于凍土地基的基礎設計問題[J].一重技術,1998(78)：26-28.

[3]徐培龍.季節性凍土對建筑物的危害和防治措施[J].黑河科技，2001(4)：73-74.

The damage and prevention on seasonal frost heave and thawing subsidence damage to buildings in seasonal frozen soil zone

Wu Weiqi

(BaotouFinancialInvestmentReviewCenter,Baotou014030,China)

This article talks about the mechanism of frost heave and thawing subsidence damage to buildings, then analyzed the main factors and from the replacement method, heat preservation method, water drainage and isolation method, basic form and other aspects, pointed out some different prevention measure, so it is helpful to design and construction.

seasonal frozen soil zone, frost heave, thawing subsidence, prevention method

1009-6825(2016)23-0077-02

2016-06-01

吳維奇(1978- )，男，工程師

TU241.99

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