防止冻土对建筑物危害措施初探

文/唐平　中铁建电气化局集团南方工程有限责任公司　湖北武汉　430000

防止冻土对建筑物危害措施初探

文/唐平中铁建电气化局集团南方工程有限责任公司湖北武汉430000

我国北部地区气候寒冷，特别是东北三省，冬季气温可达到-20℃以下，由此产生了土壤的冻胀变形，给建筑物带来了极大的危害。本文从土壤冻胀的原理入手，分析了影响土壤冻胀的因素，探讨了冻土对建筑物的作用力，最后给出了防止冻土对建筑物危害的措施，以期为严寒地区设计、施工提供指导。

严寒；建筑物；冻土；措施

我国地域辽阔，北方地区处于寒带，冬季气温常低于-20℃，冻土深度可达1M以上。冬季建筑物地基土冻胀后发生了较大的变形，天气转暖后，冻土融化下沉，这些都给建筑物带来了极大的安全隐患。因此，如何解决土壤冻胀问题，保障建筑物安全，成为了研究人员面临的重大课题。本文阐述了土壤冻胀的原理，分析了影响冻胀的因素，探讨了冻土对建筑物的不利影响，最后给出了防止冻土对建筑物危害的措施，可为工程技术人员以及科研人员提供一些思路和方法。

1、冻胀的基本原理

众所周知，土壤中含有的水分可分为自由水和薄膜水。自由水冰点高，薄膜水冰点低，气温达到自由水的冰点时，自由水结冰，薄膜水仍然处于液态，随着气温的持续降低，接近自由水的薄膜水也开始变为了固态冰，从而使薄膜变得更薄，产生了压力差，这样薄膜水就相互吸引连成了一体，水分就可以自由转移。温度在0℃的地层水分往温度更低的土层转移，毛细水张力大于悬浮水柱的重力，不断的吸引下层水分上移，这些水分最后冻结成冰，体积增大，造成了土壤的冻胀现象。

2、影响冻胀的因素

土壤冻胀的影响因素包括温度、土壤颗粒、土壤含水率，地下水位深度等情况。具体有以下几种情况。

（1）温度高低以及持续时间对土壤冻结的影响最大。在其他条件相同时，温度越低，持续时间越长，土壤冻胀反应越明显。

（2）土壤成颗粒是影响冻胀的重要因素。其他条件相同时，土壤颗粒越小，水分转移通道越顺畅，冻胀效应越明显。

（3）土壤的含水率也是影响冻胀效应的重要因素。水分越大，冻结就越多，基础土壤冻胀变形越多。

（4）地下水是土壤冻胀的根源，根据上文的冻胀原理，地下水补充上部水分冻结造成水分缺失，进一步冻结。因此，地下水位到地基冻结位置的距离市判断土壤冻胀概率的重要指标。

3、冻胀造成建筑物危害的作用力

（1）冻胀力作用

冻胀力每平米可达数十吨，远远大于土壤地耐力，上部结构传递下来的荷载不能与之平衡，如果不采取措施加以防治，冻胀力经常引起建筑物的偏移和破坏。

（2）冻切力作用

土壤冻胀引起的剪切力也是不容忽视的。冻胀部分体积膨胀，与未发生冻胀的土壤产生了变形差，形成的剪切力巨大，特别容易引起建筑结构的大变形，进而造成结构损坏甚至坍塌。

4、防止冻土对建筑物危害的措施

根据上文的分析，冻土给建筑物带来了极大的危害，因此需要采取积极的措施，避免或者降低土壤冻胀带来的危害。主要从设计、施工以及正常使用过程中进行防治。

（1）在设计时应该采取的防治措施：第一，要严格按照规范要求进行基础设计，埋深符合现行国家规范；利用桩、柱等结构或者设置隔垫层的方式将建筑物架空，建筑物脱离了地表，冻土地基对上部结构的影响也就减小了。该方法工艺简单，应用广泛。第二，应根据现场的实际情况，选择科学的基础，有条件时，根据高度选择不同的埋深，避免或者减小剪切力的影响；最第三，可以采取基底垫沙的方式，颗粒较大的沙粒能有有效的降低连续水膜形成的概率，从源头避免冻胀效应。在寒冷地区，大多数地基可采用碎石和砾石，一方面平整了工作平面，另一方面也有一定的保温效果

（2）施工时应该采取的防治措施：第一，有条件时，应选择夏季施工，施工期间，不能使基土受冻。如果冬季施工，基础发生了冻胀效应，夏季解冻后极易造成不均匀沉降，建筑物不可避免发生倾斜或者变形；第二，在填土区施工时，基础四周应该在天气转凉之前做好回填，避免基础受冻；第三，施工时，挖土尽量不要选择大开口机械，保温难以进行；最后，回填时，应该仔细检查有无冻土块，一旦发现，应该尽快捡出，降低土壤冻胀的风险。

（3）正常使用时的防治措施：第一，定期抽查和维护排水设施，保证地面无存水现象；第二，当建筑物周围需要开挖时，应该选择温度较高的时期，并尽快回填，避免积水；第三，如果既有建筑基础埋深不符合设计要求，可采取一些保温措施，避免基土受冻。第四，安排专人抽查基础土壤有无空洞，一旦发现，及时处理，避免地表水流入。

小结：

冻土具有独特的物理性质，其冻胀特性给工程实践带来了很大的不便，所以一般不能作为建筑物的天然地基。冻土处理是我国北方地区经常遇到的难题，给我国建筑业带来了很大的阻碍。随着我国科技水平的不断提升，各种先进的设计和施工技术不断应用到了工程实践中，极大的缓解了北方建筑业面临的压力。我国地域广阔，人口众多，建筑业方兴未艾，如何解决土壤冻胀问题，保障建筑物安全也是近些年研究的热点。本文系统分析了冻土产生的机理、对建筑物造成的危害。从设计、施工以及建筑使用等方面阐述了冻土防治措施。随着新技术和新材料的应用，冻土问题必将彻底得以缓解。本文的研究可为相关研究提供一些思路，具有一定的理论意义和实践意义。

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唐平，男，1987.04.05 ，中铁建电气化局集团南方工程有限责任公司。