冻土工程特性及其冻土地基施工方法

刘铁银

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院,哈尔滨 150080)

我国冻土主要分布于青藏高原及大小兴安岭,东西部一些高山顶部,即高纬度、高寒地区。冻土是在温度等于或低于零摄氏度,并且含有固态冰的土,其划分种类较多,按冻结时间长短可分为:瞬时冻土、季节冻土、多年冻土;按形成与存在的自然条件不同,又可将多年冻土分为:高纬度多年冻土、高海拔多年冻土;按与下卧土层的关系,可将季节冻土分为季节冻结层和季节融化层。

冻土是一种温度敏感性土体,在冻土区工程建设中不可避免地会遇到土层处于冻结、未冻结、正在冻结、正在融化以及已经融化等不同的状态。即使大的物质成分和含水量等都保持不变,在冻土区的地基土也将比在融化区具有显著的可变性、复杂性。因此在工程建设中必须加以足够重视,并设法采取预防措施,消除由于冻土变形强度弱化或冻胀、融沉所引起的各种危害。要想在工程建设中对冻土所引起的危害加以防范,首先应该了解其工程特性。

1 冻土的工程特性

冻土的工程特性主要包括其物理性质、力学性质、冻胀及融沉性。

1.1 冻土的物理性质

1.1.1 总含水率

冻土的总含水率是指冻土中所有的冰的质量与骨架质量之比和未冻水的质量与土骨架质量之比的和。

1.1.2 冻土的含冰量

因为冻土中含有未冻结水,所以冻土的含冰量不等于冻土融化时的含水率,衡量冻土中含冰量的指标有相对含冰量、质量含冰量和体积含冰量。相对含冰量是冻土中冰的质量与全部水的质量之比;质量含冰量是冻土中冰的质量与冻土中土骨架质量之比;体积含冰量是冻土中冰的体积与冻土总体积之比。

1.2 冻土的力学性质

冻土的强度与变形特性与其他类型土的最大差别在于其中冰的存在,其力学性质主要取决于其中胶结冰的性质,冰的强度随温度的降低而增加,并随冰晶的结构构造变化而变化。此外,冰的强度还随应变速率的增大而增大,在破坏类型上表现为由塑性向脆性的转变,冰的这些性质直接导致了冻土也具有类似的特征。冻土的强度受温度、压力、以及应变速率的改变而发生很大变化:当温度降低时,冻土的强度随之增加;当荷载作用历时延长时,颗粒间胶结冰产生塑流而具有流变性,这一特点使得冻土的瞬时强度大而长期强度小;随应变速率的加大,冻土强度增大,破坏类型表现出由塑性破坏向脆性破坏转化。

冻土的强度有别于其他类型土强度的另一突出表现是围压的影响。在较低围压条件下,冻土的强度是随围压的升高而升高,在较高的围压条件下,随着围压的加大,冻土强度随围压的升高而降低。

1.3 冻土的冻胀性

在季节冻土区或多年冻土区,当温度降低到土的冻结温度以下时,湿土中的水分就向正冻带迁移,并以冰的形式充填土颗粒间隙,而当土中的水冻结成冰时,体积一般会增大9%,当土中水的体积膨胀到足以引起颗粒间的相对位移时就会引起土的冻胀。冻胀的严重性在于已冻土中由于未冻水分不断地迁移积聚,特别是当负温持续条件及有充分的水源和水的迁移通道时,冻胀会更加严重。

影响冻胀的主要因素有:土颗粒粒径大小、矿物成分、土中水分以及补给来源、冻结条件和外部荷载作用等。一般来说,粗颗粒的土由于水分易于排出而不易产生冻胀,随着土颗粒粒径的减小冻胀性逐渐增强,但当颗粒粒径达到黏性土粒径范围(即≤0.0075 mm)时,由于水分迁移量减小,冻胀量也相应减小;亲水性矿物成分含量高的土冻胀性显著增强;对于冻胀敏感性土,初始含水量大,水分补给充足的土冻胀性特别强;温度越低,未冻水含量越少,冰的相对含量增加,冻胀性就越显著;增加土体的外部附加荷载会对土体冻胀产生显著的抑制作用。

1.4 冻土的融沉性

冻结深度或融化层厚度,一般通过勘探和实测地温方法进行直接判定。

我国多年冻土地区融化深度约3 m左右,所以对多年冻土融陷性等级评价也按3 m考虑,根据计算融陷量及融陷系数对冻土的融陷性分成 5级。

冻土在融化过程中在无外部荷载作用下所产生的沉降,称为融化下沉或融陷,在有外部荷载作用下产生的压缩变形称为融化压缩。

2 冻土地基工程的施工方法

冻土地基工程的施工方法主要包括冻土地基的工程防护及改造。

2.1 冻土地基的防护

在我国目前由于工程实践水平有限,冻土区工程建设主要集中于冻土工程防护及改造方面,而对其利用尚未开始。在冻土区工程建设中,冻土危害主要表现为冻胀及融化下沉,从而导致建筑物地基产生不均匀沉降,并造成建筑物破坏。

对冻土进行防治及改造的目的在于,预防冻土天然状态的改变或消除其危害产生的根源,避免冻土对工程产生危害。防护的方法主要有:采用架空通风基础、粗颗粒土垫高地基、铺设隔垫层及各种热桩、强制循环制冷桩等。

2.1.1 架空通风基础

是将建筑物通过桩、柱抬升隔离地表通过埋置通风管道或预设隔热垫层,使建筑物不能和地表直接接触,以达到冻土地基不改变其原始温度条件而得以维持其稳定性,净架空距离一般≥1.0 m,该方法目前使用较为广泛。它的优点在于:在夏季地基土层由于上部建筑物的遮阳作用而不易融化,在冬季通过寒冷空气在架空空间内的流动,可进一步冷冻地基土层。

2.1.2 粗颗粒土垫高地基

在年均气温低于 0℃的冻土地区,大多数建筑地基可采用粗颗粒(碎石、砾石)垫高地基,垫高地基超出建筑物外围至少0.3m,其作用:①提供施工操作面,平整场地;②阻止热量导出原始冻土地基,保证其冻结状态,该方法具有一定的局限性,一般不适合于采暖建筑物。

2.1.3 铺设隔热层

作为隔热层的材料必须是具有一定刚度的土工织物或泡沫材料,且使用期间不吸湿(防潮性)。如果材料在建筑使用期间出现明显的裂缝或防潮性较差,则其隔热性能将很快丧失。通常隔热层常使用于地板,以阻止建筑物热量散入冻土地基。

2.1.4 桩基础

由于桩基可隔离上层建筑与冻土的直接接触,且于其间易于设置架空空间及铺设绝热材料,因此桩基础是冻土区建筑采用相对较为广泛的基础形式。桩的类型主要包括木桩、H型钢桩、钢管桩、混凝土预制桩及钻孔灌注桩等,承载力可由桩端或桩周冻结黏附力提供。

2.1.5 热桩

热桩是一种特殊类型的桩,通过自身相转换或强制循环制冷消散土体中热量,故其能够将土体内部的温度降低,因此在改善冻土地基、防止冻土融化下沉和冻胀以及提高地基稳定性方面,都是极好的处理手段。我国曾将热桩有效地应用于青藏铁路,在稳定性方面效果良好。

2.2 冻土地基的改造

冻土地基改造的宗旨主要是消除其冻胀和融沉特性,以保证工程建设的正常完成和有效运营。

2.2.1 冻土地基的防冻胀措施

冻土地基防冻胀措施的实施途径是消除冻胀因素或降低其影响力。目前采用的方法主要有以下几种:

1)换填法:换填法在冻土改良中是最为广泛采用的工程措施,换填法即用粗砂、砾石等非或冻胀性的土体材料置换天然地基的冻胀性土,以消除或消弱天然地基的冻胀性。对于换填材料土颗粒粒径的控制,粗颗粒土中粉、黏粒含量应控制在 12%左右,一般以通过0.074 m m含量来控制换填料中的细颗粒含量。同时,为增强换填防冻胀效果,采取有效的排水措施也是十分必要的。

2)物理化学法:物理化学法是利用交换阳离子及盐分对冻胀影响规律而改良冻土地基的一种方法,其中主要包括加入一定量的可溶性无机盐的人工盐渍化,用憎水物质及聚合剂使土颗粒聚集或分散等办法,物理化学法因该法简单易行,材料来源广泛,又比较经济,是目前防治土体冻胀最有效和最有前途的一种方法。

2.2.2 冻土地基的防融沉措施

对于冻土地基融沉的防治,主要是从改良土体的角度出发,包括以下两个方面:①通过剥离土层或其他工业融化方法对冻土进行融、预周结。②是类似于防冻胀的工程措施,即用纯净的粗颗粒土换填富冰土或含土冰层,以直接消除或消弱土层的融沉。此外,工程中也有采取多填方、少挖方的方针,以尽可能避免对冻土的扰动破坏。

2.2.3 季节性冻土基础工程防冻胀措施

目前多从减少冻胀力和改善周围冻土的冻胀性来防治冻胀。一般采取的办法有:基础四侧换土,采用较纯净的砂、砂砾石等粗颗粒土换填基础四周冻土,填土夯实;改善基础侧表面平滑度,基础必须浇筑密实,具有平滑表面。基础侧面在冻土范围内还可以用工业凡士林、渣油等涂刷以减少切向冻胀力;选用抗冻胀性基础改变基础断面形状,利用冻胀反力的自锚作用增加基础抗冻拔的能力。

2.2.4 多年冻土地基工程的防融沉措施

一般采取的办法有换填基底土,对采用融化原则的基底上可换填碎、卵、砾石或粗砂等,换填深度可到季节融化深度或受压层深度;选择好基础形式,对融沉、强融沉土用轻型墩台,适当增大基底面积,减少压应力,或结合具体情况,加深基础埋置深度;注意隔热措施,采取保持冻结原则时施工中注意保护地表上覆盖植被,或以保温性能较好的材料铺盖地表,减少热渗入量。施工和养护中,保证结构物周围排水通畅,防止地表水灌入基坑内。

3 结束语

我国拥有幅员辽阔的冻土分布区,在世界四大冻土国家中位居第三,其中季节冻土面积514万k m2,约占国土面积的54%,多年冻土占我国总面积的 20%以上,占世界多年冻土总面积的 10%。尽管人类对于冻土的研究时间较短,还处于起步阶段,但对于冻土的一些基本工程特性已经掌握了一些,并且针对其工程特性在工程建设中积累了一些行之有效的处理办法。随着人类社会的进步与发展,许多工程建筑都会涉及到冻土,人类对于冻土的研究必将会越来越深入和广泛,只有对其工程特性逐步加以了解,才能更为有效地采取预防和改造措施,从而保证工程的安全。

[1] 曲祥民,张滨.季节性冻土区水工建筑物抗冻技术[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

[2] 郭东信.中国的冻土[M].兰州:甘肃教育出版社,1990.