试论建筑物基础的冻胀及防冻技术措施

试论建筑物基础的冻胀及防冻技术措施

栾祁

中交公路规划设计院有限公司新疆分公司新疆乌鲁木齐830000

摘要:我国地域辽阔，各地区气候差异较大，因此在一些寒冷地区，由于气候的原因就会导致冻土的形成，也就是土体冻胀，土体冻胀会导致建筑物基础受到破坏，影响建筑物的使用期限，同时也对人类居住安全带来威胁。因此，本文首先介绍了建筑基础及冻土的概念，随后对基础冻胀表现及冻胀力的形成做简要分析，最后根据冻土对建筑物产生的破坏特征，提出相应的防冻技术措施，意在为寒冷地区地基施工提供参考借鉴。

关键词:建筑物基础；冻胀；防冻技术措施

在我国主要存在冻土的地区是青藏高原以及东北、西北等地，由于气候严寒，这些地区广泛的分布着多年冻土以及季节性冻土。冻土在我国约占总面积的75%左右，其中多年冻土为21.5%，其余则是季节性冻土[1]。无论是多年冻土或是季节性冻土都对建筑物的寿命造成严重的危害，例如，黑龙江位于我国东北部，在冬季时经常会发生土体冻胀现象，潮湿的土体遇冷后凝固，产生向上的应力导致土体冻胀，而在春季到来之时，冻土吸取热量而融化，导致土体下沉，如此周而复始。虽然形成多年冻土和季节性冻土的地质条件不同，但形成的过程是一样的，都会对建筑物的基础造成破坏，因此，如何防范以及采取相应的防冻技术措施就显得尤为重要。

一、建筑物基础以及冻土的概念

1.建筑物基础

通常来说，建筑物基础就是指建筑物埋在地下的部分，它是将作用在建筑上的荷载以及建筑物自身的重量传给地基的一个桥梁[2]。因此，基础施工的质量好坏，直接关乎建筑物的安全使用性能，若基础建造不好则会引发建筑物的不均匀沉降，致使建筑物墙体出现裂缝，严重影响建筑物使用的安全性。

2.冻土的概念

冻土一般分为两种，即多年冻土和季节性冻土。多年冻土是连续3年以上，常年在0℃以下长期处于冰冻状态的土质。季节性冻土是在冬季低温状态下冻结，在夏季高温状态下解冻则称为季节性冻土。一般含水的土体和岩石，自身都含有一定水分，这也称之为天然含水量，地基基础设计规范GBJ7-89中用（W）来表示。在气温降低至冻结温度时，土体本身的孔隙水会凝结成冰，随着冰体的出现，土体内的细微颗粒固结，土体内随着冰离析作用的发生，会出现一系列的物理化学变化，从而土体受力而产生改变[3]。土体内水分减少，而土体的不均匀形变以及孔隙浓度深度的增加，会引起应力发生应变，这也是力学上的虎克定律，同时也是冻土形成的根本原因。冻土在凝固和融化过程中内部是两个相反的过程：膨胀、压实。由于土体内部水化的作用而导致土粒和其他物质膨胀，土体冻胀后会向上鼓包、隆起，从而导致建筑物变形、开裂。而当温度升高时，冻土内部的冰类物质融化后，造成土体体积变小，土体因自重而下沉，而土体内部的冰转化为水后从孔隙中流出，使得土体压实而再一次下沉。各种不同的土体其孔隙比也不同，例如黏土由于它的透水能力差，吸水能力高，因此它的冻胀力也很大。

二、建筑物基础冻胀的表现以及冻胀力的形成

1.建筑物基础冻胀的表现

土体冻胀对于建筑物基础的破坏，体现在如下两个方面：一、土体冻胀会产生垂直冻胀力以及切向冻胀力，导致房屋上升；二、到春天天气回温时节，土体会解冻导致地基沉降不均匀，造成墙面抹灰层脱落、墙体出现裂缝、门窗边以及外墙出现裂纹、天棚、地板、台阶、门斗等变形，严重还可能导致房屋受到损坏。

2.冻胀力的形成

导致土体发生冻胀的因素有很多，如水、土、温度、气压等，然而水、土是导致冻胀的主要因素。冻胀产生的原因是因为土体内的含水量超过了起始冻胀含水量，孔隙水在低温下部分凝结成冰，从而对土骨架产生一定的挤压力。若未冻水不能向外排泄，那么土就会开始膨胀。若可以将未冻水从土体内排出，那么凝结成冰而增加的体积会被剩余的空间容纳，则土体不会膨胀。若冻胀过程中有外部水源来进行水分迁移，那么就会形成冰夹层，则土体会严重膨胀。季节性冻土反复在冻融间循环，造成土体内部孔隙比增大，长期的不均匀冻胀导致冻结面凹凸不平，由于冻胀产生向上的应力而使土体上台在凹处形成孔缝，形成负压区，水分聚集在此处而形成冰夹层。冰夹层体积膨胀9%生成内压力，冻胀力既是这种对于基础进行挤压以及抬起的能力。

三、冻胀对于建筑物基础的影响

1.对桩、柱下独立钢筋砼基础的影响

某寒冷地区桩放置地下的长度在6米，每年的冻拨大概为50厘米，以往调查中得出，累计拔出大概为1000厘米，可见寒冷地区的建筑基础，存在较为严重的冻害，已是亟待解决的问题。国家标准（GB50204-92）中规定：若平均气温为50℃以下，不能进行浇水养护，因为寒冷地区冬季施工环节，相应温度较低，因此，在这样的前提下，只能利用薄膜养生液及塑料薄膜这类物质来进行混凝土中多于水份的有效控制，来达到自然养护混凝土的目的[4]。但同时也要注意，一些薄膜养生液在温度较低时成膜情况较差，质量更差的有些还存在不能成膜或发生冻胶的情况。所以在冬季建设环节，在薄膜养生液的选取上，首先要选取那些低温情况成膜性优良的。因为一般养生液的颜色都较浅，所以在涂抹之前要先在其中加适当颜料，利于涂抹时观察是否涂匀，保证不会漏涂。养生液从喷嘴中喷出应呈现雾状，这样即方便喷涂均匀，也能避免浪费，所以将喷嘴改成农用的喷雾器会更好。

2.对墩基础建筑物的影响

墩基础常见于桥梁、围墙、构筑物以及工业厂房等建筑中，在寒冷地区也不例外[5]。拿某地区的围墙墩基础受冻来进行说明:由于基础埋的较浅，约为室外地下1M，并且基础均在粘土层的位置，地下水位高，由于法向冻胀力的产生，使得基础不均匀上抬，从而致使上部结构受到影响，而围墙本身的抗剪应力与所产生的冻胀力差距较大，从而导致砌体出现裂缝，个别围墙甚至出现了倒塌情况。

3.对条形基础房屋的影响

对于寒冷区域来说，条形基础房屋一般会在四个角的位置具有较大的冻胀力，而较小冻胀力存在的位置是建筑物的中间区域。因此，通常建筑物会存在以下几种裂缝出现：垂直裂缝、水平裂缝以及斜裂缝。而斜裂缝一般分为局部斜裂缝以及对称八字[6]。正八字形的裂缝产生原因为冻胀均匀性差造成的，倒八字形裂缝出现的原因为存在两种相反的拉应力，因冻胀出现的主拉应力及原拉应力方向不同，因此，生成与主拉应力方向相垂直的斜裂缝。斜裂缝的出现一般存在的几种情况包括：一侧存在积水、渗漏、砌面凹凸不平、并且砌筑的质量较低、水平切向存在冻胀力等。产生水平裂缝的区域主要发生在门窗上下横断面位置，通常造成的原因为基础融陷不平衡，另一原因是两侧冻胀而导致，通常裂缝宽度特点为外小内大。

四、防冻技术措施的分析

若想对土体冻胀情况进行很好的改善处理，首先，应对其进行充分了解并熟悉其规律，比如，利用Na2O等工业盐让地基存在的含盐量提升，进而有效降低冻结深度，从而实现降低土体膨胀的目的。进行建筑物实际设计之前，应确保基础的实际深度，根据情况科学选取基础结构型式，若地基冻胀情况较为严重，浅基础要选取刚度达标的基础梁以及现浇钢筋砼圈梁，并对建筑物的上部进行长高比的控制，来加强建筑物的自身刚度，进而对土冻胀造成的不均匀变形来进行控制。同时还应选取地表排水良好、地势高、地下水位低的地方来进行建筑。低地势的区域，要于建筑物周边一倍的冻深内，将室外的草坪设置比自然地高30至50厘米。用于避免地表水、雨水、生活废水进入建筑物地基内，同时还要布置相应的排水设施。山区还应设置排水沟或是在建筑物下方设置暗沟，用于地表水的排出。基础在地下水位以上，侧面需填入不具冻胀性的粗砂和中砂，其放置厚度要大于10厘米。并且可以采用桩基础、自锚式基础等。若桩基础及独立基础梁下存在冻土时，应将土层冻胀量的孔隙留出，避免出现土体冻胀后而导致墙拱裂现象。若项目施工在年后完成，则应在入冻前进行地基保温工作。室外台阶或外门斗以及三水破等部分应和主体构造分开，并且散水坡分段要在1.5米之内，坡度在3%以上时，不适宜放置非冻胀性材料。以上是对在建筑物施工时采取的方法作以简要描述，接下来对防冻技术的措施来进行简要分析，具体方法如下。

1.换砂法

在建筑物防冻害中，换砂法是应用较为普遍的一种形式，同时这一方式也是较为简单的一种来减小土体冻胀力的措施，具体措施是在寒冷地区浅基础的底部填防冻沙，进而达到减小基础底面存在的法向胀力目的。

2.物理化学法

物理化学法是依据阳离子交换以及盐分为冻胀带来的影响，选择人工材料将地基土进行处理，从而有效令土粒子和水间的作用发生变化，让土体内的水分进行转移，冰点和强度改变，进而降低冻胀的程度。目前此种方法应用较少，但具有关资料显示[7]，美国和俄罗斯在实验以及实际操作中均取得了成功，同时美国在寒冷地区实施的路基处理盐渍化法也取得了成功。

3.保温法

保温法顾名思义是对建筑物基础进行有效的保温，主要作法是将建筑物周围以及底部用隔热层覆盖，将土中温度提高，延缓土体冻结，增加内部热阻，降低实际冻结深度，最终避免冻胀情况发生。现如今通常选取的材料是聚苯乙稀泡沫板、炉渣泡沫砼等，这些材料在外部荷载的作用下，因材料本身有抗压能力，所以不会出现过大程度的形变。北欧瑞典是最早在路基工程施工环节采取此种方法的国家。

4.排水隔水法

冻胀的根本原因来自于水，因此只要能对水分进行控制，也就能达到减弱甚至消除土体冻胀的情况。排水隔水法的主要方法是使地下水位下降，并令季节性冻土区域内的土体的本身的含水量（W）减少，将外部补给的水源进行隔绝，还有将地表水进行排除防止土体潮湿等。民用以及工业建筑的建筑物，其周边不要设置积水井及积水坑，同时要做好相应的排水措施，有效阻止地表水、雨水等其他废水进入地基。应在基础底部不深的地方设置透水层并与排水孔相连接，利用排水孔来将水位降低。采暖而设计的建筑物在施工期间若在冻前不能完成，或是因冬季而不能进行取暖，这时应进行地基过冬保温方案设计，若不是采暖而设计的建筑物，并且该工程在年后完工，那么在入冻前要实施基坑回填工作。

总结：

综上所述，建筑物基础是工程建设中最关键也是最复杂的部分。特别是我国寒冷区域的建筑物，因地域气候原因，其防冻保温更应作为重点关注对象，要因地适宜，选取适合当地环境气候、技术水平的方法，来对建筑物基础的冻胀问题进行解决，尽最大可能减少土体冻胀对于建筑物基础带来的危害，将新型技术与建筑施工实际相结合，尽力争取减少甚至消除建筑本身能耗，获取最大社会效益。

参考文献：

[1]杨友军.关于北部地区水电工程衬砌渠道及建筑物冻胀破坏的因素和采取的措施[J].水能经济,2017(3):213-213.

[2]张博辉.浅析中国北方寒季建筑物土体的冻胀及防冻技术措施.[J].中国房地产业:理论版,2012(5):175-175.

[3]高振辉,张雷,李涛柱.渠道工程混凝土冬季施工质量控制技术措施探讨[J].科技风,2013(1):139-139.

[4]周堰文,宋伟.强冻胀土地区基础设计及防冻胀措施探讨[J].工程与建设,2012,26(4):536-537.

[5]白飞翔,胡杭.严寒地区越冬期间地下室基础开裂原因分析及处理[J].科研，2015（43）：187-187.