浅析建筑物基础的冻胀及防冻技术措施

浅析建筑物基础的冻胀及防冻技术措施

我国幅源广大,土地辽阔,东北、西北等地广泛分布季节性冻土，青藏高原分布多年冻土。我省黑龙江地处祖国东北部，在这块寒冷的地区，经常遇到土体冻胀，建筑物寿命受到严重的威胁及冻害影响。

1.冻土的概念及特性

凡含有水的岩石及土体，均含有一定的水份，在地基基础设计规范GBJ7-89用（W）来表示天然的含水量。冬季当温度降低到其冻结温度时，土中的孔隙水结成冰，伴随冰体的产生，固结了土体中微细的颗粒。各种土体中冰的离析作用，将伴随着一系列非常复杂的物理及化学变化。以及达到受力的改变。水分增减，孔隙深液浓度的增大和土体不均匀变形，引起应力产生应变，这是符合材料力学的虎克定律。这就是冻土产生的根本原因。不同的土粒比重它的孔隙比是有区别的。粘土的透水性能较差，吸水率较高，它的冻胀力也越大。

2.土冻胀过程

哈市地区按规范（GBJ7-89）规定，季节性冻土标准冻深为2.0M。冬季期间，潮湿的土体受冻后固结，产生向上的法向应力产生冻胀。春融季节，冻土吸收外部的热量，出现融化，引起土体沉陷。周而复始引起土体冻胀――沉陷。尽管季节性冻土区或者长年冻土区地质条件不一，但这种过程同样存在。他们的性质有相似的一面也有差别的一面。对于象哈市地区这种冻土曲线特点应是自上而下单向冻结，冻结过程比较缓慢，往往需要四－六个月的时间，即十月末直至第二年的四月份左右，哈市也把此段视为冬季施工阶段。最大冻结期间多在一至二月份。当春暖花开冻土层处于上下双向融化（地热作用）融化速度较迅速，仅一、二个月的时间。

3.冻土地区建筑物的破坏特征

3.1桩、柱下独立钢筋砼基础

寒冷地区桩，柱下独立钢砼的基础，冻害相当普遍严重。某地区的桩埋入土中长度为6M，每年冻拨约50MM左右，据多年统计，现已拨出1000MM左右。国家标准（GB50204-92）规定：如平均气温低于50时，不得浇水养护，在冬季施工期中，环境气温较低，这种情况下使用薄膜养生液、防水纸或塑料薄膜等封闭材料来封闭混凝土中的多余拌合水，以实现混凝土的自然养护。但应注意，有些薄膜养生液（例如以水玻璃为主要成分的薄膜养生液）低温下成膜性能差，甚至不能成膜或出现冻胶现象。因而冬期施工中使用薄膜养生液时应及时选用低温下成膜性能好的薄膜养生液。由于许多养生液的颜色一般较浅，因而涂刷前可向养生液中加入适量颜料以便于检查涂施是否均匀，并保证不漏涂，从喷嘴中喷出的养生液应呈雾状，以便于能均匀地喷涂，且又不致于造成浪费，因而有时可将喷嘴换成农用喷雾器的喷头效果更好。

3.2墩基础建筑物的冻害

在季节性冻土地区，墩基础多用于桥梁，工业厂房，围墙及构筑物等。拿哈市地区围墙受冻为例说明：基础由于埋置较浅，大约在室外地下1M左右，基础且均座在粘土层位置，地下水位又比较高，在法向的冻胀力作用下，不均匀上抬，进而导致上部结构的变形，冻胀力远远大于红砖砌体的极限抗剪应力，砌体出现倒八字裂缝。个别围墙导致倒塌现象。

3.3条形基础房屋的冻害破坏

在哈市地区，条形基础房屋在建筑物四个角部位冻胀力最大。在建筑物的中部冻胀力最小。这样，建筑物有三种裂缝发生。分别为水平裂缝，垂直裂缝，和斜裂缝。斜裂缝通常见到对称八字和局部斜裂缝。正八字形裂缝通常是由不均匀冻胀引起，倒八字形即墙体中主拉应力方向与受不均匀冻胀产生的主拉应力方向相反。故与主拉应力方向垂直的斜裂缝。建筑物的斜裂缝有时与一侧积水，或有排水沟通过而渗漏，且与基础砌筑质量不佳，基础砌面凸凹不平，局部产生水平切向冻胀力有关系。

水平裂缝的部位多在门窗口的上部或下部的横断面上。主要是由于基础两侧冻胀或融陷不均造成。裂缝宽度一般是内大外小。

4.在有冻胀性土的地区，宜采用下列防冻技术措施

4.1换砂法

在建筑物中防冻害换砂法是采用最广泛的一种，也是最普遍，最简单的一种方法，用来消减地基土的冻胀力。

4.2物理化学法

物理化学法是指利用交换阳离子及盐分对冻胀影响所采用人工材料处理地基土来改变土粒子与水之间相互作用，使土体中的水分迁移，强度及其冰点发生变化，从而达到削弱冻胀的目的。目前哈市极少采用，据有关资料介绍：俄罗斯和美国在较多的试验和实际应用上都取得了成功。美国在寒冷地区公路路基处理上也成功的采用物理化学方法中的盐渍化法。

4.3保温法

保温法是指在建筑物底部及四周设置隔热层，增大热阻，以延缓天然地基土的冻结，提高土中温度，减少冻结深度，进而起到防止冻胀，目前采用的材料如炉渣泡沫砼，聚苯乙稀泡沫板，这些材料在承受外荷作用后，本身不产生过大的压缩变形且材料自身有足够的抗压强度。北欧瑞典是最早在路基工程中采用此方法国家之一。哈市地区多采用侧壁保温方法，来防止侧向水平冻胀力的产生。

4.4排水隔水法

水对冻胀来说是冻胀根源，只要能控制住水分条件，就可以达到消弱或解除地基土冻胀的目的。排水隔水法的具体措施可归纳为降低地下水位及季节性冻层范围内土体的天然含水量（W），隔断外水补给来源和排除地表水防止地基土致湿等技术措施。工业与民用建筑中的建筑物附近应避免有积水坑，积水井，防止施工和使用期间的雨水、地表水、生产废水和生活污水侵入地基，应做好排水设施。当基础底部不深处有不承压的透水层时，应设排水孔与之连通，通过排水孔降低水位。在冻胀和强冻胀地基上，宜设置钢筋砼圈梁和基础联系梁，并控制建筑物的长高比，增强建筑物的整体钢度。外门斗、室外台阶和散水坡宜与主体断开，散水坡分段不宜过长。坡度不宜过小，其它应填非冻胀材料。采暖设计的建筑物，如冻前不能交付使用，或使用中因故冬季不能采暖，应对地基采取相应的过冬保温措施，对非采暖的建筑跨年度工程，入冬前基坑必须及时回填。