多年冻土地区建筑设计浅析

2011-06-12李艳萍

山西建筑 2011年27期

李艳萍

0 引言

黑龙江漠河县位于黑龙江省西北部、祖国的最北端，漠河地区为多年连续冻土区。漠河机场为中国支线机场，是我国位置最北、纬度最高的民用机场。在多年冻土区进行机场建设，最突出的问题是冻害，它严重危害各类工程的建筑物和构筑物。实践证明，必须针对多年冻土区的自然特点，采取综合防治的办法，包括科研、设计、施工和管理诸多方面的共同努力方能取得效果。现仅从设计方面做简要叙述。

1 多年冻土区的自然特点及对建筑物的危害

多年冻土又称永久冻土，是持续三年或三年以上的冻结不融的土层。其表层冬冻夏融，称季节融化层。多年冻土分为两层:上部是夏融冬冻的活动层;下部是终年不融的多年冻结层。多年冻土是寒冷气候(年均气温小于－2℃)区的产物。它的形成有着复杂的地质、地理及气候因素，冻土层内含有冰体或纯冰层，年平均地温在0℃以下。

当土壤保持自然冻结状态时，其承载力比相应的融土大，若将建筑物建在上面，冻土受热融化，地基承载力相应减小并下沉，将导致建筑物不均匀沉降，墙体变形、开裂等破坏。

在多年冻土地区进行基本建设，如果仅凭个人在未冻土地基设计中的经验盲目设计;或者忽视对冻胀力作用下基础稳定性验算，结果会不符合冻土地基的客观规律，出现不合理、施工不当而导致的融化下沉、建筑物失稳。众所周知的是:黑龙江省大兴安岭地区二十世纪五六十年代开始修建的一批建筑物，到目前为止已几乎全部报废、重建，数量多，损失大，对国民经济的影响是不可估量的。

2 多年冻土地区地基设计状态的选择

2.1 保持冻结状态的设计

在建筑物施工和使用期间，地基土始终保持冻结状态。这种状态主要适用于多年冻土的年平均温度低于－1.0℃的场地;持力层范围内的地基处于坚硬冻结状态的场地;最大融化深度范围内，存在融沉、强融沉、融陷性土及其夹层的地基;非采暖建筑或采暖温度偏低，占地面积不大的建筑;最适宜的基础形式为架空通风基础、桩基础和热桩基础，采取的措施是用粗颗粒土垫高地基、设保温隔热地板、人工降低土温。

2.2 逐渐融化状态的设计

在建筑物施工和使用期间，地基土处于逐渐融化状态。这种状态主要适用于在最大融化范围内，地基为不融沉和弱融沉土，持力层范围内的地基土处于塑性冻结状态;室温较高、占地面积较大的建筑;最适宜选用压缩性土为持力层，采用能适应不均匀沉降的柔性结构;采用措施:加大基础埋深、采用保温隔热地板，加强建筑物的整体性与空间刚度。

2.3 预先融化状态的设计

在建筑物基础施工时，预先使地基土融化至计算深度，适用于多年冻土的年平均气温较高、室温较高、持力层范围内地基土处于塑性冻结状态、在最大融化深度范围内，存在变形量为不允许的融沉、强融沉和融陷土及其夹层、占地面积不大的建筑物地基;按照预先融化状态设计，当冻土层全部融化时，应按季节冻土基础设计。

漠河机场航站区包括航站楼内的建筑物均落在多年冻土融沉性分区区域内，根本无法避开此区域，在这样的地区进行建设工程，其地基处理、基础选型、结构设计、建筑构造设计均有特殊性。下面结合漠河机场航管楼施工图设计工作，把设计思路尤其是建筑构造概述如下，供同行们参考。

3 漠河机场内建筑工程概况

在漠河机场航站区内共有大大小小建筑物、构筑物20个，根据使用功能合并为12个，其中航站楼为建筑面积最大的建筑，建筑面积2000 m2，但是它为1层框架结构，结构形式比较单一;航管综合楼建筑面积1200 m2，2层框架结构，并有23 m塔台，7层框架结构，主要的设计参数:建筑结构安全等级为二级，结构设计使用年限50年，建筑场地类别Ⅱ类，建筑物抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度6度，设计基本地震加速度0.05g，地基基础设计等级为丙级。

航管综合楼做法中特殊性中带有整个航站区建筑构造做法的普遍性。

对于一栋整体建筑物设计时必须采用同一种设计状态;并且对于同一建筑场地遵循一个统一的设计状态，因此航管综合楼建筑平面布局尽可能简单，见图1。

图1 航管楼平面示意图

4 工程地质概况

黑龙江省漠河机场生活区《岩土工程勘察报告》(工程编号:Sw200501;勘察阶段:详勘;大兴安岭勘察设计院2005年8月)内容:航管综合楼的地质情况是:在季节冻深内，分布的主要土层为粉质粘土、粘土，粉质粘土属于强冻胀性土;碎石层属于不冻胀性土。在多年冻土层内，凝灰岩强风化层属于不融沉性土。

地基承载力评价:冻结状态地基承载力较高，融化后地基承载力较低。

地下水:主要为地表水，水量较小，分布在地表以下至多年冻土上限以上。地下水对混凝土无腐蚀，对钢结构有弱腐蚀。

本建筑场地冻土工程地质条件较好，地基多年冻土属不融沉性、弱融沉性石质土，故本建筑物工程地基采用允许逐渐融化状态进行设计。

5 冻土地区建筑物处理方案

5.1 地基处理方案的确定

对于该工程地域的特殊性，认真进行现场调研。现场考察大兴安岭地区及漠河多年冻土区的建筑形式，走访当地设计院，了解多年冻土区建筑物特点、处理方案来制定机场内建筑物的方案设计，并结合地质测绘部门给出的地质评价，对机场航站区建筑单体进行必要的技术措施，来避免和减少冻土融化下沉，以及由于冻胀力作用下建筑物失稳，建筑物裂缝、倾斜和破坏等危害。

根据JGJ 118-98冻土地区建筑地基基础设计规范和机场冻土工程地质分区，航管综合楼工程地基按季节性冻土进行设计，按逐渐融化状态的原则进行处理。

场区内地基土有融沉性土，在季节冻深内有冻胀性土;基础持力层为全风化凝灰岩，地基承载力特征值fak=140 kPa，挖槽及基础施工过程中，基坑须做好防护措施，不得进水;基坑底及四周采用单模土工布防水;在季节融化层范围内基础侧面做防冻胀处理，对地表融沉和冻胀作用较强的粉质粘土层建议进行挖除换填处理，地面进行保温处理。

5.2 建筑物基础设计及防冻胀有效措施

根据工程地质报告和专家论证意见，结合工程实际情况，航管综合楼工程基础形式采用现浇钢筋混凝土独立基础，基础埋深为4.0 m;基础垫层下部回填300 mm砾砂，夯实系数为0.97;墙体下布置现浇钢筋混凝土基础梁，基础梁底部预留一定空隙。侧面进行挡土处理。在基础及基础梁侧面进行光滑处理，涂渣油15 mm;并在季节冻土层范围内基础及基础梁侧面做防冻胀处理，室外地坪下基础、基础梁及墙体两侧回填300 mm砾砂，夯实系数为 0.94。

图2 散水构造图

5.3 建筑构造及其他措施

多年冻土上部的表层土，在夏季融化、冬季回冻，称为活动区或冻融区，深度由半米左右至数米不等，为防止此冻胀力的作用将建筑主体破坏，室外的散水、门口台阶、坡道与主体建筑脱开，设沉降缝。并且进行如下的构造措施:

1)散水:

宽度为1200 mm;散水坡度不小于3%，按4 m进行分格，与主体之间设沉降缝;基层素土夯实，密实度不小于0.94，垫层是300厚砂砾石(小于0.074颗粒含量不大于10%)，面层为C15现浇混凝土块80厚，外包防水土工布到外侧立墙外面(见图2)。此种构造做法的目的是增加基层的密实度，控制垫层中粘土的含量，面层整体性，减少基础周围的含水量，保证基础下的冻土扰动最少，影响最小，避免出现不均匀。

2)地面处理:

为保证该建筑地面不融沉，采取换填非融沉砂砾石料，上面做保温隔热防水地面。在钢筋混凝土基础板上做保温隔热防水地面。具体是:在正常做法的基础上，增加60厚C15混凝土内配∮6@200双向钢筋(见图3)。