季冻区冻胀和融陷对建筑物的危害和防治

吴 维 奇

(包头市财政性投资评审中心，内蒙古 包头　014030)



季冻区冻胀和融陷对建筑物的危害和防治

吴 维 奇

(包头市财政性投资评审中心，内蒙古 包头014030)

从季节性冻土区建筑物受到冻胀和融陷破坏的形成机理入手，分析了产生冻胀破坏的主要因素，并从换填法、保温法、排水隔水法、基础形式等方面，提出了不同的防止建筑物冻胀和融陷破坏的措施，对类似地区建筑设计与施工有一定的参考价值。

季节性冻土区，冻胀，融陷，防治方法

在我国东北、华北、西北等地季节冻土分布广泛，即地表土体存在着冬季冻胀、夏季融陷的现象，此过程中土体性质的变化直接影响着上部建筑物的稳定性，引起房屋裂缝、倾斜及变形现象屡见不鲜。本文在分析产生冻融破坏的主要因素和形成机理后，提出一些防治措施，供设计和施工人员参考。

1　季冻区冻胀和融陷的发生机理

外界气体、土体中的固相土颗粒和水存在着反复进行的热交换，冬季，当外界大气温度下降时，使得土体温度达到土中水冰冻点时，存在于地表土中的自由水首先冻结成冰晶体，形成最初的冻结—融化层；当气温不断下降时，冻结融化层位置产生负压区，使得土中孔隙水或外界水源不断上升补给冰晶体，并形成多晶体、透镜体、冰夹层等，从而引起土体膨胀体积增大，地表土体发生隆起或不均匀的上升[1]，即土体发生了冻胀现象。春季后期或夏季，随着外界大气温度的不断上升，地温也随之提高，土体中的冰晶体开始融化，各种形式的冰侵入体不断消融为自由水，随着荷载的施加不断排出地表，使得地表土体不均匀的下降，同时由于土体处于饱和或过饱和状态，使得有效应力大幅下降，引起地基承载力的降低，继而造成建筑物的不均匀沉降，导致裂缝、倾斜等现象发生。

从物理力学的角度而言，地基中毛细管中的积聚水受冻后体积发生膨胀，或者是由于孔隙水的补给引起土颗粒的被迫移动，都可以使地基土产生水平冻胀力、切向冻胀力和法向冻胀力，这些冻胀力会直接施加在基础表面或周围土层，引起建筑物的位移、变形乃至损害。

因此，对于在季节性冻土区建造浅基础，一方面，当基础埋深小于当地标准冻结深度时，往往会受到地基土竖向冻胀力的作用，如果竖向冻胀力大于作用于基底上的荷载，基础就有被抬起的可能，使建筑物的部分受力构件产生开裂[2]。另一方面，一般建筑物向阳面由于日照相对较长的原因，地基土的冰冻层较浅、较薄，建筑物阴面地基土的冰冻层较深、较厚。因此，阴面地基土体膨胀得厉害；阳面地基土体膨胀变化相对小些，这样一来，房屋基础所受冻土胀力是不均匀的，也会引起建筑物部分构件的开裂。当土层中冰晶体不断解冻融化时，土中含水量不断增加，加之粉细砂等易产生冻胀的细粒土排水不良，使得地基土层处于饱和软化状态，地基强度大幅下降，使建筑物发生下沉，称为融陷。此外，若温度提升较快时，基底下就会存在未解冻土层，上面已融化的土层中的水渗透不到该层而只能向上渗透到地表，同样会引起浅基础的建筑物开裂。此外，若建筑物所在场地的地下水位较高，地下水能补给冰晶体，即所谓的冻胀开放系统，由于冰晶体能够在整个冬季不断扩大，使得冻胀程度巨大，相应地融陷也很大，建筑物产生不均匀下沉和开裂可能性及程度都较大。

2　季冻区建筑物地基冻胀和融陷的防治方法

2.1换填法

换填法是指把天然地基具有冻胀性的土部分或全部清除，然后回填粗砂、砾石等排水良好的非冻胀性材料，以削弱或基本消除地基土的冻胀。换填法是季节性冻土地区建筑物防治冻害常用的措施。当地下水位较高时，冻胀往往是开敞型的，即地下水补给冰晶体的效果好，一般采用基础加换填的总厚度等于当地冻结深度；当地下水位较低时，冻胀往往是封闭型的，即地下水补给冰晶体的效果差，基础加换填的总厚度可适当减少；当基础面积较小时，换填法仅削弱了法向冻胀力，较大的切向冻胀力依然存在，而基础面积较大时，换填效果相对良好；另外换填后要进行压实，使土达到一定的密实度；同时，在基础底面或侧面要设置排水措施，辅助增强防冻胀效果。

2.2保温法

保温法是指在建筑物基础四周和底部设置保温隔热层，阻断冷空气大量进入地基土层，达到推迟地基土的冻结时间、提高地基土体温度、减少土体冻结深度等目的，从而起到防止或减小冻胀。目前常用的铺设材料为聚苯乙烯泡沫塑料板或聚氨酯板，其吸水性低，导热效果差，可阻止冷空气进入地基基础；铺设位置可以是基础侧面或底面，也可以是建筑物周围一定距离的地表土中，为防止车辆通行时对聚苯乙烯板的挤压作用，应将其埋在地面下足够深度；对墙基外露部位也可以用聚苯乙烯泡沫塑料加以保护。

2.3排水隔水法

排水隔水法是指通过降低地下水位来隔断冰晶体的水源补给和阻止地表水进入地基土，降低可能产生冻胀的土体的含水量，达到减小地基土冻胀的一种方法。房屋建筑物周围地表的散水就是防止雨水、雪水从房檐流下后渗入基础；结合换填法可在基础两侧或底部填砂砾石料，并用排水管与基础外一定距离的排水沟相连，且沟槽底部应低于季节冻深；当基础底部冻深处有不承压的透水层时，应设排水孔与之连通，降低或稳定地下水位，切断或减少地下水对冰晶体的补给，达到减少冻胀的目的。

2.4选择适宜的基础形式

在季冻区地基上建造房屋或构筑物，采用独立式基础或扩大式基础是较好的选择。独立式基础较大的自重和较为集中的荷载分布，可提升地基土的温度，减少基础的冻胀破坏和地基变形，若独立基础设置钢筋混凝土基础梁，配合回填法即在基础梁的两侧回填非冻胀性的散粒土，且底面预留10 cm～15 cm的空隙，可以防止地基土冻胀时对基础梁的不良影响；所谓扩大式基础是指将基础在冻层以下的部分扩大，一方面可以通过增大基础底面积来提高地基的承载能力。另一方面可利用扩大基础的自锚作用防止冻拔[3]。常用的扩大式基础有爆扩桩基础、排架下板形基础及其他形式的扩孔桩基础。

2.5其他注意事项

1)在季节性冻土上设计基础前，应有可靠的地质资料和水文资料，准确把握地基土的冻胀类别，因为不同的冻胀类别土的设计原则、设计方法和防冻胀措施不尽相同；同时要合理确定基础的埋置深度，确定基础下的地基是否可以残留部分冻土层，还是需要全部挖除；以往很多的设计中，设计者认为只要把基础埋深定在标准冻深以下即可，实际上很多建筑物增大了埋深，还是出现了冻害，而且这种做法和基础浅埋的原则相矛盾。

2)在季节性冻土区进行建筑物设计时，一定要通过控制长高比、增设圈梁、设置沉降缝等措施来提高建筑物的整体刚度。避免因不均匀的冻胀和融陷产生不均匀沉降。

3)建筑物的门斗、台阶及散水应与主体建筑完全断开。散水坡宽度不宜小于1 m，分段不宜过长，且应用沥青油膏等填塞其与外墙间的缝隙，以防止地表水侵入地基土中，此外，可适当加大散水坡的坡度，其下可用非冻胀性散粒土填充一定厚度。

3　结语

1)季节性冻土区产生冻胀的主要因素是水、土和温度，三者缺一不可，所以只要能控制其中的一个方面，就可以减小或削除冻胀带来的损坏。

2)季节性冻土区建筑物的冻胀和融陷是应该避免或减小的，同时也是可以通过设计、施工等多方面来达到目的的。

3)正确判断地基土的冻胀类别是前提，合理的设计是关键，适宜的防治措施是保证。

[1]童长江,管枫年.土的冻胀与建筑物冻害防治[M].北京：水利电力出版社，1985.

[2]魏敬先,韩媛,钱继东.关于冻土地基的基础设计问题[J].一重技术,1998(78)：26-28.

[3]徐培龙.季节性冻土对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

吴维奇(1978- )，男，工程师

TU241.99

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