凍土地基處理

凍土地基處理是指通過勘察資料來揭示凍土的物理力學性質，分析其成因和岩土工程特性，結合上部建築對地基承載力、穩定性等要求，對當地的建築材料、工程技術水平和類似工程的經驗確定經濟、合理的地基處理方案。

凍土地基的處理措施須經原位試驗來確定和驗證施工工藝和技術參數，以確保地基處理的安全可靠。

基本介紹

• 中文名：凍土地基處理
• 外文名：frozen foundation improvement
• 學科：岩土工程
• 依據：勘察資料
• 原則：保持凍結或允許融化法
• 方法：換填法等

背景

凍土區地基處理技術的發展是隨著土木工程建設的發展而逐步發展壯大的。而凍土區特殊的工程病害特徵!!!凍脹和融沉，又為凍土區工程建設提出了不同於一般工程建設的新挑戰。

凍土是一種特殊的、低溫和易變的自然體，它對寒區經濟建設和人類生存發展造成了嚴重影響，人類在與惡劣的自然環境作鬥爭的同時，凍土研究者在研究影響凍結和融化的四大因素(熱量、水分、力和土質)的基礎上，提出了許多防治措施。在季節凍土區建築物的破壞主要是因地基土的凍脹而引發的，所以，為防止凍害發生，應從對地基土的處理和增強建築物結構兩方面著手。就處理地基土來說，主要是通過削弱產生凍脹的三大要素：易凍脹土質、水分(土中水分及外界補給水分)及土中負溫值之一來達到防凍害的目的。

凍土的工程特性

氣體、礦物顆粒、未凍水、冰是組成凍土的四種物質成分，氣體、未凍水和凍的含量隨溫度變化。變形特性將凍土地基分為鬆散、塑性與堅硬凍土含有機物與鹽類的不同將凍土分為凍結泥炭化土與鹽漬化凍土根據持續時間可分為多年與季節凍土根據凍土的融沉性與土的凍脹性又可分成若干亞類。

凍結狀態連續保持三年以上者，物理力學性質隨溫度變化而改變，伴隨發生融陷、熱融滑塌、凍脹等現象的視為多年凍土地面表層冬季凍結，夏季全部融化，每年交替凍融一次的土層為季節性凍土。

在凍結狀態下，具有較低的壓縮性或不具壓縮性和較高的強度屬凍土地基的工程特性。如果凍土融化後則承載力大大降低，壓縮性變化較大，使地基產生融陷凍脹對地基的承載力和安全性極為不利。

土的顆粒大小及含水量可以影響凍脹和融陷，一般土顆粒愈粗，含水量愈小，土的凍脹和融陷性愈小反之愈大。不同土質、平均凍脹率、凍前天然含水量、凍結期間地下水位距凍結面的最小距離可以劃分季節性凍土多年凍土根據融化下沉係數的大小，可分為不融沉、弱融沉、融沉、強融沉和融陷五級。

主要原則

凍土地區線路基礎設計的關鍵決定於凍土地基的特性，鐵塔基礎設計時，首先要判明凍土地基存在的可能，當存在凍土地基時，基礎的埋置深度應大於地基土的標準凍結深度。根據不同的工程地質條件，採取相應措施，消減凍漲力和進行基礎極限抗凍拔穩定驗算。

基礎極限抗凍拔穩定驗算，冬季最大風速資料應在工程初步設計中確定，當無資料時可取正常最大設計風荷載的60%，或根據工程設計經驗確定。

季節性凍土地區基底持力層不允許殘留凍土，如發現基底受凍應在基礎澆制前予以清除，並鋪設墊層，保證地基土穩定。

在季節性凍土地區除考慮常規設計內容外，尚應驗算在切向凍漲力作用下基礎的穩定性，若不滿足要求，或改變基礎型式或採取相應的防凍害措施。

在工業與民用建築領域對多年凍土地基基礎的設計一般可以採取下列不同的設計原則：

（1）保持凍結法

就是始終保持地基處於凍結狀態的設計方法，一般來說，當凍土厚度較大，土溫比較穩定，或者是堅硬的和融陷性很大的凍土，採用保持凍結法比較合理，特別是對送電線路基礎，如能採取措施，保證基礎周圍凍土地基溫度不比天然狀態高時，可按保持凍結法進行設計。

保持凍結狀態的設計宜用於下列之一的情況：

a）多年凍土的年平均地溫低於-1.0℃的地基；

b）持力層範圍內的地基土處於堅硬的凍結狀態；

c）最大融化深度範圍內，存在融沉、強融沉、融陷性土及其夾層的地基。

（2）允許融化法

就是利用正在融化或融化後的土作為地基，融陷的承載力很高的土層埋深較淺；不連續分布的小塊島狀凍土融陷量不大的凍土則採取允許融化的原則較為合理。特別是對上部結構剛度較好或對不均勻沉降不敏感的結構物按允許融化原則進行設計。當予估融陷量超過地基容許變形值時，也可採取人工予融法將凍土融化後再建基礎。或者適當加固地基（如換填融性不大的土等）按容許融化的原則設計時，要驗算地基的強度（包括持力層和下臥層）。在確定地基的承載力值時，所採用物理力學性質指標應儘量模擬以後地基的實際受力狀態。除強度驗算外，還必須計算地基的變形，地基變形的計算方法和容許變形值與一般天然地基一樣，僅需將壓縮性指標換成正在融化中的土或已融土的變形性質指標，以便將融陷變形考慮進去。

允許融化狀態的設計宜用於下列之一的情況：

a）多年凍的年平均地溫為-0.5-1.0℃的場地；

b）持力層範圍的地基土處於塑性凍結狀態；

c）在最大融化深度範圍內，地基土為不融沉和弱融沉性土；

d）地基土逐漸融化的最大深度可根據《凍土地區建築地基基礎設計規範》（JGJ118-98）附錄B的要求確定。

處理措施

地基處理

1、季節性凍土

凍土的凍脹、融沉，地基處理措施主要削弱凍脹、水分含量和溫度對地基土工程力學性質的影響來達到防治凍害的目的。

（1）換填法

用非凍脹性材料如粗砂、礫石等更換天然地基的凍脹土，以改變凍脹。換填法防凍害的效果的好壞，與換填深度、換填材料的茹性顆粒含量、換填材料的排水條件、地下水位和地基土土質等因素有關。地下水位較高時，換填至當地凍深線以下地下水位較低地區，採暖房屋，換填深度應至凍深的，非採暖房屋，換填深度應至凍深的。

（2）物理化學法

物理化學法是指利用交換陽離子及鹽分來改變地基土，實現土粒子與水相互作用，使土體中的水分遷移強度及其冰點發生變化，削弱凍脹。主要有憎水物質改良法、分散改良土法、土粒聚集和人工鹽漬化法。憎水物質改良法是在土中摻入少量憎水物質如重油、液態石油瀝青、表面活性劑等使土顆粒表面具有憎水性，改變滲透通道，減少含水量在土體中加凝聚成分順丁烯聚含物、聚含丙烯酸鈉等改變土體顆粒粒徑。

人工鹽漬化法是在土體中加入一定量的可溶無機鹽如氯化鈉、氯化鈣等來改善土的凍脹性。

（3）保溫法

保溫法是在建築物基礎底部四周設定隔熱層，增大熱阻，延遲地基土的凍結，保持土體溫度。常用的隔熱材料有爐渣、玻璃纖維、泡沫混凝土、聚苯乙烯泡沫等。

2、多年凍土

多年凍土除了考慮常規的地基變形外，還應關注與溫度密切相關的有效應力和溫度分布。多年凍土的地基處理根據上部建築結構、施工條件和地基土性質，採用維持凍土、逐漸融化和主動融化三種原則來考慮工程措施。年平均溫度能夠保持在-0.1℃，受力層地基土堅硬凍結，最大融化範圍記憶體在融沉、融陷性土和夾層的凍土。採用維持凍土狀態的處理方法，具體有架空通風基礎、填土通風管基礎、粗顆粒土墊高地基、熱樁棒基礎、保溫隔熱地板等措施年平均溫度能夠保持在-0.5℃~1.℃在受力層以上處於塑性凍結狀態，在最大融深以上為不融沉或弱融沉土，高溫可以對凍土層產生熱影響。可採用逐漸融化的方法，加大基礎埋深或用低壓縮土層為持力層保溫隔熱地板，並架空熱管道和給排水系統設定地面排水系統的措施。

年平均溫度不低於-0.5℃，受力層以上地基土處於塑性凍結狀態，最大融深以上存在變形量不允許的融沉、融陷性土和夾層的凍土地基。可採用粗顆粒土置換細顆粒土或預壓加密和加大基礎埋深的方法。

工程措施

凍土地區對基礎造成危害的原因是作用於基礎上的切向凍漲力。國內外工程界進行了大量的實驗研究，總結出許多有效方法，由於架空送電線路鐵塔布置地域分散，工程地質條件多變複雜，在建築行業常用的基礎設計方法和措施，因經濟指標較高或因方案複雜而無條件實施，能夠直接取用的方法有限， 地基與基礎的有如下幾種處理方法：

1、換填法

利用非凍漲性材料（如中砂、粗砂、卵石等）置換基礎周邊一定範圍內的凍漲性土體，避免切向凍漲力作用於基礎上，(見右圖)

用基側填砂來防止切向凍漲力是一個即簡便又經濟的好辦法，但它僅適用於地下水位之上，如果所填之砂達到飽和狀態和含泥量過多，在凍結時土與基礎周圍堅固地凍結在一起有較高的凍結強度，就會失去效果。施工時必須保證換土寬度不小於基礎底板的寬度，才能保證安全可靠。

2、梯形斜面基礎

該基礎是將基礎設計成右圖的型式，國內外工程界進行的試驗研究結果表明，其側面坡度≥1：7為宜，從試驗的數據看，切向凍漲力確實不小，因此，我們使用梯形斜面基礎的目的，就是將基礎側面設計成不小於9度的斜面來消除切向凍漲力，這樣可使基礎受力清楚，計算準確，安全可靠。

關於（其截面為上小下大斜面）梯形斜面基礎防切向凍漲力的問題早有簡單地報導，但都認為它是錨固基礎的一種，即用下部基礎斷面中的擴大部分來阻止切向凍漲力將基礎抬起，類似於帶擴大板的自錨式基礎。這種作用對將基礎埋深設在凍層之內的淺基礎毫無意義。實驗證明用斜面基礎抵禦切向凍漲力當β角大於等於9度時基礎穩定的原因，不是由於凍漲力被下部擴大部分給錨住，而是由於在傾斜面上出現拉力分量與冷縮分量疊加之後的開裂，切向凍漲力退出工作造成的。應該說明的是，在凍漲土層範圍之內的基礎擴大部分根本起不到錨固作用，因在上層凍漲時基礎下部所出現的錨固力，等凍深發展到該層時，隨著該層的凍漲而消失了，只有處在下部未凍土中且擴大端頂面也深入到標準凍深線以以下的基礎的括大部分才起錨固作用，我們所說的淺埋基礎根本不存在這一深入未凍土層中的部分。

用斜面基礎防切向凍漲力具有如下特點：

a .在凍漲作用下，基礎受力明確，技術可靠，當其傾斜角β大於等於9度時，將不會出現因切向凍漲力作用而導致凍害事故的發發生；

b.不但可以在地下水位之上，也可在地下水位之下套用；

c.耐久性好，在反覆凍融作用下防凍漲效果不變；

d.不用任何防凍漲材料就可解決切向凍漲問題；

e.該種基礎施工時較常規基礎相比稍有麻煩，基礎表面要求光滑。