高海拔地区土冻胀对建筑物的危害及其防治措施

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1、高海拔地区土冻胀对建筑物的危害及其防治措施　高海拔地区土冻胀对建筑物的危害及其防治措施　摘要：冻土地区的各种土建工程普遍存在着因地基土的冻胀给工程带来严重破坏和损害，这是工程设计中经常遇到的问题。文章介绍了地基土的冻胀特征、冻胀对建筑物的危害及其防治措施。　　关键词：冻土地带；土冻胀；冻结特征；冻胀　　中图分类号：TV698文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）08-0150-03　　　　云南省迪庆州处于冻土地带，现就220kV香格里拉变电所土建设计中土的冻胀对建筑物冻害防治谈几点工作体会。　　一、土的冻结特征和冻胀　　土冻结时，最主要的特征就是

2、土中的水变成了冰，在矿物颗粒间产生了新的冰晶胶结作用，从而改变了土的物理力学性质。由于冰胶结作用，使冻土具有抵抗外力的很高强度，压缩性显著减少，压缩模量增大，同时其物理指标与电学指标增加，其透水性减少。　　土体冻胀变形基本特征值是冻胀量。冻胀量是土体冻结时引起地面的总上升量；分层冻胀量是某土层土体冻结时引起该土层垂直向上的位移变形值。还有一种常用的表明土体冻胀变形的特征值，称冻胀率或冻胀系数用（?浊）表示：　　?浊=△hi/△zfi×100％　　式中：△hi——某冻结土体厚度△zi时的冻胀增量值m；　　△hi=hi-h；　　△zfi——某冻结土体厚度m；　　hi

3、——土体冻结到某深度△z时某地点标高m；　　H——冻结前的标高m。　　为了评价土体冻结时位移变形增大的程度将冻胀土分为四个等级：　　非冻胀性土（冻胀系数η≤1）；　　弱冻胀性土（冻胀系数1＜η≤3）；　　冻胀性土（冻胀系数3＜η≤6）；　　强冻胀土（冻胀系数η＞6）。　　据野外观测资料表明，季节冻结区土体冻胀量沿冻结深度的分布状态是上大下小，地表层冻胀量最大，其冻胀率的最大值出现在1/3～2/3最大冻深的地方。　　为此，在季节冻土区修建（构）筑物时，应根据当地水文地质条件做具体分析，不能一律要求埋深超过最大冻深，一般可以保留一定的残留冻土层。我国工业民用建筑地基

4、基础设计规范中便规定了允许残留冻土层厚度的公式。　　二、土的冻胀机理与冻胀力　　现场观测与计算表明，在潮湿的粘土及含有较多的细颗粒土体冻结过程中，土体内水分冻结，每cm3体积膨胀0.09cm3。土冻胀必须具备下列三个条件：一是具备冻胀敏感性的土；二是初始水分及外界水分（包括地下水、大气降水和人为活动引起的水）的供给；三是适当的冻结条件和时间，当人们采取措施去削弱其中的一个条件便可以抑制冻胀，达到防冻害的目的。　　土冻结过程中水分迁移和冰析作用是产生土体冻胀的直接因素。它们的强弱主要取决于土颗粒的大小、矿物成分、土中水分及补给来源、冻结条件、外荷作用以及交换盐基等

5、因素。　　冻胀力是在土体发生冻胀时，在土体内部由水相变成冰体积膨胀而产生的一种内应力。当土中含水量小于起始冻胀含水量时，水相变体积的膨胀主要用于填充土的孔隙，尚不能使土体增大，也即在宏观上不表现冻胀。当土中含水量大于起始含水量，尤其是有外界水源补充时，原驻水相变化产生的体积膨胀以及迁移水结冰占据了土体的部分空间，从而引起土体膨胀。参与相变水的数量越多，土体积增加的越甚，冻胀量越大。如果这种体积膨胀受到约束，即产生冻胀力。为此冻胀和约束是产生冻胀力的两个必要条件。　　建筑物的修建，将使地基的冻胀变形受到约束，使地基上的冻结条件发生变化，进而改变基础周围的温度状态，

6、且将外部荷载传递到地基中，改变了地基土冻结时的约束力，地基土冻结时产生的冻胀力将反映在对建筑物的作用上，引起建筑物位移、变形。　　冻胀力是有方向、大小和作用点的。沿着基侧周边表面向上作用的冻胀力叫做切向冻胀力σ；作用在基础底面且垂直底面的冻胀力叫法向冻胀力σno；作用于基侧且垂直于基侧的冻胀力称为水平冻胀力σho。　　三、建（构）筑物冻害的防治措施　　（一）防冻害的地基处理措施　　1．换填法。是用粗砂、砾石、煤渣、矿渣、石灰渣等非冻胀性材料，置换天然地基的冻胀性土，以消除或基本消除地基的冻胀。（1）房屋基础的换填深度。当地下水位较低时，主冻带偏于冻层上部，对非采

7、暖房屋基础加换填厚度可按当地冻深的80%确定；对采暖房屋基础加换填厚度，可按冻深的60%确定；当地下水位较高时，采用基础加换填厚度等于当地冻结深度。基础换填可消除基础底部的法向冻胀力，换填断面可采用倒梯形；在基坑不深且土质较好的情况下，换填断面可采用矩形断面；为消减作用墙基外侧的切向冻胀力，可采用倒梯形断面形式，并外侧加填10～15cm的换土；（2）支挡建（构）筑物换填深度。以挡土墙为典型范例，换填厚度推荐日本的方法确定。先通过计算或观测资料首先确定墙后的冻结线，然后从墙背顶点引一条与地面成40°角的直线，将墙后填土按冻胀方向分成向墙体和地表两个地区，该直线称为

8、分区冻胀边界线。冻胀边界