嚴(yán)寒地區(qū)建筑施工凍脹防治技術(shù)

胡國根

（中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司，山東濟(jì)南 250000）

1 凍脹形成原理

凡含有水的巖石及土體，均含有一定的水分。當(dāng)土層溫度降低到0℃以下時(shí)，土中自由水凝結(jié)成冰，隨著溫度繼續(xù)下降，弱結(jié)合水最外層開始凍結(jié)，結(jié)合水的膜厚度變薄。這樣的結(jié)果導(dǎo)致土粒產(chǎn)生了剩余分子引力，并且由于水膜變薄，導(dǎo)致離子濃度增加，從而加強(qiáng)了滲透壓力，這樣未凍結(jié)區(qū)弱結(jié)合水向這里遷移，然后再凍結(jié)，如此惡性循環(huán)導(dǎo)致冰晶體不斷擴(kuò)大至隆脹。

在嚴(yán)寒地區(qū)，水的凍結(jié)更加嚴(yán)重，凍脹對建筑結(jié)構(gòu)的不利影響也更加顯著，將使位于土體凍脹層內(nèi)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力、局部變形或整體位移，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生剪切變形或彎曲變形，當(dāng)凍脹應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗彎、抗剪承載能力時(shí)，就會造成結(jié)構(gòu)破壞。

2 對建筑物的危害

2.1 凍脹對建筑基礎(chǔ)的破壞

凍脹對建筑基礎(chǔ)的破壞作用，主要表現(xiàn)在兩個方面。一方面是地基凍脹時(shí)，對凍脹層內(nèi)的建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向和側(cè)向應(yīng)力，這兩種力相互作用，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生整體抬高或局部抬高，嚴(yán)重的使混凝土基礎(chǔ)梁發(fā)生斷裂，危及房屋結(jié)構(gòu)安全。

另一方面則是次年春天土體解凍時(shí)，地基產(chǎn)生了不均勻的沉降，造成墻體出現(xiàn)裂縫，墻面上抹灰層、保溫層等飾面層出現(xiàn)開裂、剝離、脫落等情況。

2.2 凍脹對建筑外墻根部飾面層的破壞

對建筑外墻來說，當(dāng)凍脹發(fā)生時(shí)，外墻周邊土體會膨脹向上拱起，凍脹結(jié)束后又產(chǎn)生回落，如果建筑外墻與周邊土體相連部位沒有采取防凍脹構(gòu)造措施，就會產(chǎn)生相互作用。當(dāng)凍脹應(yīng)力超過建筑外墻飾面層的材料強(qiáng)度時(shí)，會使建筑外墻飾面層，如外墻保溫層或干掛石材等，產(chǎn)生開裂、剝離、脫落等情況。

2.3 對散水的破壞

凍脹對散水的破壞，主要是與散水下部土質(zhì)情況、散水的構(gòu)造措施等有較大關(guān)系，凍脹對散水的破壞主要有以下四種情形：

（1）回填土料不合格，含有淤泥、有機(jī)質(zhì)含量大于5%的土或含水率偏大的黏性土都是不符合要求的土料。

（2）回填土回填施工質(zhì)量不合格，回填時(shí)基底上的垃圾、雜物等未清理干凈，沒有按照要求分層夯實(shí)或者夯實(shí)次數(shù)較少，使土體不均勻。

（3）散水未設(shè)置伸縮縫，散水下部土體凍脹發(fā)生時(shí)，土體向上隆起，對散水產(chǎn)生向上的力，當(dāng)變形不均勻時(shí)，就會產(chǎn)生散水開裂、錯層等現(xiàn)象。

（4）散水排水和防滲水沒有要求。散水排水坡度不符合要求，伸縮縫未按照要求進(jìn)行填充或者填充的材料不符合要求，造成地表水滲入散水下部，使土體含水率過高，造成土體凍脹。

3 凍脹的防治措施

3.1 建筑基礎(chǔ)凍脹的防治措施

3.1.1 基礎(chǔ)回填土的選擇

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007—2011）》，地基土的凍脹性分類分為不凍脹、弱凍脹、凍脹、強(qiáng)凍脹和特強(qiáng)凍脹五類。根據(jù)本規(guī)范附錄G表G.0.1得知，在同樣的含水條件下，碎石（卵）石、礫、粗、中砂（粒徑小于0.075mm顆粒含量不大于15%），細(xì)沙（粒徑小于0.075mm顆粒含量不大于10%）是最佳的非凍脹性土類，基礎(chǔ)回填優(yōu)先選用這種填料。

碎石（卵）石、礫、粗、中砂（粒徑小于0.075mm顆粒含量大于15%），細(xì)沙（粒徑小于0.075mm顆粒含量大于10%）這種土類次之，可根據(jù)凍前天然含水量和凍結(jié)期間地下水位距凍結(jié)面的最小距離合理選擇。

黏性土、粉砂和粉土都具有較強(qiáng)的凍脹性能，壓實(shí)度也很難達(dá)到回填要求，最好不要選擇。

3.1.2 基礎(chǔ)埋深

確定基礎(chǔ)的埋深，要滿足建筑物的對地基穩(wěn)定、變形和抗震要求，因此，除了要考慮工程地質(zhì)和水文條件因素外，對于嚴(yán)寒地區(qū)凍脹危害是必須要考慮的一大因素，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007—2011）》附錄G表G.0.2和本項(xiàng)目當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)最大凍結(jié)深度為2.5m，因此本項(xiàng)目建筑基礎(chǔ)埋置深度最少為2.5m。

3.1.3 基礎(chǔ)排水

根據(jù)凍脹發(fā)生的原理，是因?yàn)橥林械乃衷跍囟冗_(dá)到其凍結(jié)溫度時(shí)，土中的孔隙水凝結(jié)成冰導(dǎo)致體積膨脹才產(chǎn)生了凍脹效應(yīng)，因此有效地控制含水率是控制凍脹的有效措施。建筑物基礎(chǔ)宜選擇在地勢高、地下水位低、地表排水條件好的建筑場地，室內(nèi)地坪要高出室外地面，防止地表水浸入地基。小烏斯力房屋由于地表水豐富，沿著建筑場地四周施工了排水明溝，有效地阻止了地表水浸入地基。

3.1.4 基礎(chǔ)梁防凍脹構(gòu)造

本項(xiàng)目房建工程均為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)部分設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)梁，埋置深度只有0.6m，凍脹會對基礎(chǔ)梁抬高和側(cè)向位移，嚴(yán)重導(dǎo)致斷裂。為防治凍脹帶來的破壞，本工程采用以下防凍脹構(gòu)造：

如圖1所示，在基礎(chǔ)梁四周回填了膨脹性很小的中粗砂，在基礎(chǔ)梁底預(yù)留了100mm的空隙，起到緩沖作用，機(jī)制紅磚的目的是保護(hù)這一空隙不被四周中粗砂進(jìn)入，起到很好的防凍脹作用。

圖1 基礎(chǔ)梁防凍構(gòu)造

3.2 建筑外墻根部飾面層凍脹防治措施

對于外墻根部的飾面層，施工時(shí)裝飾層底邊距地面預(yù)留50mm空隙，并用耐候膠填縫，防止土體凍脹隆起擠壓飾面層。

3.3 散水凍脹防治措施

施工時(shí)必須選用符合要求的土料，土料中無淤泥，有機(jī)質(zhì)含量不得大于5%，含水量不能太大，通過擊實(shí)試驗(yàn)選定好回填土料。

回填土按照要求分層夯實(shí)，依據(jù)采用的壓實(shí)機(jī)具，按照規(guī)范要求，確定好每層攤鋪厚度和每層壓實(shí)遍數(shù)，夯實(shí)后土體壓實(shí)度不能小于0.97，為防止凍脹，回填土上再鋪設(shè)一層30cm非凍脹性的天然級配砂石，并夯實(shí)達(dá)到要求。

在施工過程中設(shè)置好伸縮縫，在散水和墻體之間、沿散水長度方向和拐角處，設(shè)置伸縮縫，伸縮縫的位置應(yīng)避開水落管出水口周圍，伸縮縫間距不能超過15m，縫寬20mm，伸縮縫可采用木條或擠塑板預(yù)留，上表面采用瑪蹄脂、耐候膠等柔性防水材料封堵，防止地表水滲入地下。

4 越冬措施

4.1 越冬前的施工安排

對于需要跨年度施工工程，應(yīng)編制越冬前施工計(jì)劃安排，根據(jù)工期要求和資源投入經(jīng)濟(jì)比選然后綜合分析，制定越冬前施工節(jié)點(diǎn)，總的來說應(yīng)遵循以下原則：①對于需要跨年度施工的地基與基礎(chǔ)，應(yīng)科學(xué)組織施工，加大資源投入，在冬季到來之前，盡量完成地下結(jié)構(gòu)的施工和土方回填；②對于混凝土工程，按照規(guī)范要求，入冬前混凝土強(qiáng)度不得低于其抗凍臨界強(qiáng)度。所以當(dāng)環(huán)境溫度已經(jīng)降到5℃時(shí)，要時(shí)刻關(guān)注以后的天氣情況，若氣溫持續(xù)降溫不在回暖，建議混凝土工程停止施工，已經(jīng)澆筑的混凝土依據(jù)冬季施工方案，做好保溫養(yǎng)護(hù)措施；③對于現(xiàn)澆支架結(jié)構(gòu)，在入冬之前不能達(dá)到拆除條件的，應(yīng)停止施工，否則腳手支撐架不能拆除造成資源浪費(fèi)；④對于工地使用的鋼材、水泥、粉煤灰等材料，應(yīng)嚴(yán)格控制采購數(shù)量，避免材料在現(xiàn)場堆放銹蝕或失效。

4.2 正在建設(shè)的工程越冬措施

對于正在建設(shè)的工程，必須認(rèn)真研究并核對該工程的水文地質(zhì)情況和當(dāng)?shù)氐臍鉁刭Y料以及地基土的最大凍結(jié)深度等相關(guān)資料，制定確實(shí)可行的維護(hù)方案。

（1）地基與基礎(chǔ)的防凍脹處理可以采取以下措施：①當(dāng)基礎(chǔ)為樁基時(shí)，在基礎(chǔ)回填過程中應(yīng)把基礎(chǔ)梁的底部預(yù)留0.2m的空隙，為防止回填土進(jìn)入梁底，在梁兩側(cè)可用立磚擋住；②當(dāng)建筑基礎(chǔ)埋深較淺時(shí)，應(yīng)覆蓋保溫材料或進(jìn)行堆土覆蓋，保溫材料應(yīng)就地取材；③施工場地和建筑周圍必須做好排水措施，可以臨時(shí)修建截水溝和排水溝，將地表水引流至建筑物外側(cè)；④對于已開挖的基坑（槽）應(yīng)預(yù)留出0.3m厚度而不應(yīng)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高處，越冬時(shí)應(yīng)對基礎(chǔ)底部做保溫處理，等復(fù)工再挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高處。

（2）對于給排水管道，特別是室外管道，如果在試水后不能立即投入使用，則越冬時(shí)應(yīng)將管道內(nèi)的存水排除。

（3）對于已經(jīng)進(jìn)入了冬季施工的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，如現(xiàn)澆梁板或雨棚、陽臺、空調(diào)板等懸臂構(gòu)件，若混凝土強(qiáng)度未達(dá)到拆除條件，應(yīng)做好保溫保濕措施，特別是搭設(shè)在土體上的支架底部要做好保溫覆蓋措施，防止土體凍脹隆起對結(jié)構(gòu)造成破壞。

（4）不得在已經(jīng)凍結(jié)的土體上建設(shè)混凝土結(jié)構(gòu)，如支墩、設(shè)備基礎(chǔ)等，來年春天由于地基土融化，混凝土結(jié)構(gòu)會造成不均勻破壞。

5 結(jié)束語

通過對凍脹的原理分析，介紹了凍脹對建筑基礎(chǔ)、建筑外墻根部飾面層、散水三個方面產(chǎn)生的危害，并提出相應(yīng)的防治措施和越冬措施，為東北地區(qū)建筑施工提出寶貴經(jīng)驗(yàn)。