浅析季节性冻土地区工程建设基础合理浅埋的可能性

郝晓琴

摘 要：该文主要分析了季节性冻土对工程建设的危害、引起土的冻胀现象机理、不利影响，以及防治冻胀危害的主要工程措施；影响冻胀的土、水、外界气温等因素；对场地土冻结深度的影响因素，在对于深厚季节性冻土地区（冻结深度大于2m），基础合理浅埋在保证建筑安全方面实现的可能性，基础底面下允许冻土层最大厚度应根据当地经验确定。没有地区经验的可按现行《建筑地基基础设计规范》中由地基土的冻胀性、基础形式、采暖情况、基底压力所确定的基底允许冻土层最大厚度有关数据资料查取。

关键词：冻胀机理 影响因素 安全合理的基础浅埋

中图分类号：TU753 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（c）-0074-01

季节性冻土的冻胀性对工程建设的不利影响：发生冻胀时，使路基隆起，路面鼓包、开裂或错缝折断。引起建筑物的开裂、倾斜甚至倒塌。而发生融陷后，路基路面变软或翻浆，也会使建筑物发生不均匀的沉降或下沉，或使建筑物开裂破坏。

导致土的冻胀现象机理：当大气季节性降温时，大气负温进入土中，将土中的水变成冰晶体，伴随气温的不断降低，弱结合水的最外面开始冻结，不断扩大冰晶体，使冰晶体附近土粒的结合水膜变薄，土粒会产生剩余的分子引力，此外，因结合水膜变薄，增加了水膜中的离子深度，从而形成渗透壓力。通过两种力的共同作用，下卧没有冻结区水膜较厚处的弱结合水被吸引到水膜较薄的冻结区冻结，增大了冰晶体，且继续存在不平衡引力。若下卧没被冻结区有水源和一定的补给来源（毛细通道），补充源源不断的水到冻结区，这样未冻结区的水会不断迁移和积聚到冻结区，不断扩大冰晶体，冻夹层也逐渐形成，土体也随之而隆起，冻胀现象因此产生。

引起融陷现象机理：受季节影响，气温回暖，土层开始解冻，积聚在土中的冰晶体融化，土体发生下陷，此现象即融陷现象。

有三方面因素会影响冻胀。

（1）土的因素。细粒土中通产会产生冻胀现象，粉质粘土、粉土、粉砂等毛细现象较为显著，具有上升高度较大的毛细水，且有较快的上身速度，水源补给通畅，同时，土有较细的颗粒，具有较大的表面能，土中矿物成分有较强的亲水性，含有的结合水较多，因此能迁移和积聚大量的结合水。但粘土因有很小的毛细空隙，对水分迁移有很大的阻力，水源补给通道不畅，故存在很小的冻胀性。故在现行《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011附录G表G.0.1下标注：“3.塑性指数大于22时，冻胀等级降低一级；4.粒径小于0.005mm的颗粒含量大于62%，为不冻胀土。”对于粗颗粒土，结合水很少或者不存在，自由水在空隙中冻结后，水分的迁移和积聚不会发生，且砂砾中几乎没有毛细现象，所以冻胀现象不会发生。

（2）水的因素。因水分的迁移和积聚导致了土层发生冻胀，冻结区附近如果有较高的地下水位，且毛细水上升高度能够达到或接近冻结线，使外部水源能补给给冻结区，则冻胀会很强烈。

（3）外界气温的影响。当气温突然下降，且有很大的冷却强度时，土的冻结面向下推移比较迅速，也就是有很快的冻结速度，这样冰夹层在土层中看不到，看到的只是分布在空隙中的冰晶体，这是形成的冻土冻胀现象不明显。如果气温下降缓慢，有很小的冷却强度，但有很长的负温持续时间，则明显的闲夹层会在土中形成，冻胀现象明显。

三方面影响地基土的冻胀因素证明：在负温的持续作用下，有较高地下水位的粉土、粉质粘土、粉砂等土层的冻胀危害通常都是很大的。为了用科学数据来计算地把土的冻胀性评价，根据其土的类名、冻前天然含水量ω、冻结期间地下水位距冻结面的最小距离hw，把地基土按冻胀性分类，并确定冻胀等级：Ⅰ级不冻胀土、Ⅱ级弱冻胀土、Ⅲ级冻胀土、Ⅳ级强冻胀土、Ⅴ级特强冻胀土。

主要防治冻胀危害的工程措施为：将构筑物基础底面置于当地冻结深度以下。因此在现行《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011的地基计算中对季节性冻土地基的场地冻结深度zd有明确的计算公式：zd=z0·ψzs·ψzw·ψze。根据当地标准冻结深度z0按地基土的类别、冻胀性和环境条件进行修正。其中ψzs——土的类别对冻结深度的影响系数，因岩性不同、土的颗粒的粗细不同，导热系数有所不同，当其他条件相同时，粗粒土比细粒土的导热系数大，其影响的冻深也大，见表1。ψzw——土的冻胀性对冻结深度的影响系数，由于土中水在相变时要放出大量的潜热，而冻胀土冻结的过程是放热的过程，放热减缓了冻深的发展速度，因此冻深相对变浅，见表2。ψze——环境对冻结深度的影响系数，见表3。

季节性冻土地区基础埋置深度宜大于场地冻结深度。对于深厚季节性冻土地区（冻结深度大于2m），当建筑基础底面土层为不冻胀、弱冻胀、冻胀土时，基础合理浅埋在保证建筑安全方面是可以实现的，埋置深度可以小于场地冻结深度，基础底面下允许冻土层最大厚度应根据当地经验确定。没有地区经验的可按现行《建筑地基基础设计规范》中由地基土的冻胀性、基础形式、采暖情况、基底压力所确定的基底允许冻土层最大厚度有关数据资料查取。

参考文献

[1] 赵明华.土力学与基础工程[M].武汉：武汉理工大学出版社，2000.

[2] 国标《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011[S].

[3] 工程地质手册[M].4版.北京：中国建筑出版社，1970.