A. 如何预防建筑物基础的冻害
一般来说建筑物的基础指地下部分,即通过它把建筑物本身的重量和作用在建筑上的荷载传递给地基。地基基础施工的好坏,会直接影响建筑物的安危,如果地基的重要性被忽视,就会引起建筑物的不均匀沉降,导致建筑物出现裂缝,影响建筑物的使用安全。类似的例子屡见不鲜。
在季节性冻土地区建造房屋,假如基础埋置较浅,荷载也较小,地基土冻胀及融蚀作用,使建筑物产生不均匀的变形而引起冻害,轻者出现裂纹,重者不能正常使用,使国家财产受到损失,人民生活受到影响。因此摸清冻害原因,找出防治的方法,确保建筑物安全使用是建筑中一个需要解决的问题。
1 土冻害的危害
土壤的冻结速度,一般说来是冻结速度快、冻胀量小;冻结速度慢,冻胀量大。这是因为冻胀量与水分转移补给条件有关;当冻结速度较快时,其下层中的水分还来不及向上转移补给就冻结了,因此冻胀量就笑,反之冻胀量就打。地下水位距基土的距离是基土冻胀时水分转移的补给条件,距离越近地下水的补给条件越充分,转化成冰的水分也就越多。因此,地基土的冻胀性也就越强烈。地基土冻融对建筑物的破坏作用,表现在两个方面。一方面是地基冻胀时,使房屋上升,这种上升是由于切向冻胀力和垂直冻胀力的作用所引起的;另一方面则是次年春天地基解冻时所引起的不均匀沉降。这种升降作用造成墙壁裂纹。墙面抹灰层剥落、特别是外墙及门窗边处出现裂纹缝,地板、天棚隆起、门斗、台阶变形,甚至房屋损坏。
在房屋冻害方面,常见的破坏现象有:
1.1 基础拉断:这种情况对不采暖的轻型结构的基础经常可能发生,如仓库基础、围墙基础等。
1.2 台阶隆起,门窗歪斜:我市部分居民住宅,每到冬天,由于台阶隆起,外门不易开关。来年开冻以后,台阶又回落,经多年起落,变形不断增加,出现不同程度的沉落和倾斜。由于内外墙变形不一,常使门窗变形,压碎玻璃。
1.3 外墙因冻胀抬起,内墙不动,天棚与内墙分离。这种情况发生在采暖房间,因内墙与外墙不连接,天棚是支承在外墙上的,当天棚随外墙因冻胀抬起时,天棚与内墙分离,最大的可达10-20mm。
2 地基土冻害原因分析
冻土是指具有负温或零温,并且含有冰的各种土。仅有负温或零温,但不含冰的各种土则称为寒土;冬季冻结,夏季融化的土层称为季节性冻土。水分、土质和负温是地基产生冻胀的三要素。存在于土粒矿物的晶体格架内部或是参与矿物构造中的水,称为矿物内部结合水,它只是在比较高的温度(80-680摄氏度,随土粒的矿物成分不同而异)下才能化为气态水而与土粒分离,从土的工程性质上分析可以把矿物内部结合水当作矿物颗粒的一部分。
存在于土中液态水可分为结合水和自由水。结合水是指受电子吸引力吸附于土粒表面的土中水,由于土粒(矿物颗粒)表面一般带有负电荷,围绕土粒形成电场范围内的水分子和水溶液中的阳离子一起吸附在土粒表面,由土粒中的电荷与水溶液中的电荷相互作用而形成的结合水层,因相互作用力的不同又分为固定层和扩散层,固定层内的水分被称为强结合水,而扩散层内的水分被称为弱结合水。
自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的水,其性质和普通水一样,能传递静水压力,冰点为零摄氏度,有溶解能力。自由水按其移动所受作用力的不同,可以分为重力水和毛细水;重力水是存在于地下水位以下的透水土层中的地下水,它是在重力或压力差作用下运动的自由水,对土粒有浮力作用;毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。
土质状况是影响冻胀的又一重要因素。一般情况下,岩石、碎石土、砂砾,粗砂、中砂、细砂是非冻胀性地基土,这是由于岩石中不含有结合水(非矿物内部结合水)和自由水,形成冻胀的三要素中的水不存在;碎石土、砂砾等则属于大颗粒土因无法形成聚变冰现象,也无冻害影响。粉砂、粉土、粘性土则按天然含水量的不同,以及地下水位的高低而分为不冻胀、弱冻胀、冻胀和强冻胀不同的类别。
负温度则是水分冻结,产生冻胀的必不可少的要素。
下面我们就讨论一下土体的冻胀。在负温度下土体内的自由水和弱结合水先后冻结,形成一个冻结锋面,当土体中弱结合水冻结,水膜厚度减薄,它就与下层相邻的较厚水膜之间产生吸附力梯度,受压力差的驱使水分便从附近较厚的水膜处迁移上来,并使之附在冰晶上继续冻结,这样持续下去即是土中水向冻结前缘的流动,也即是水分迁移。在无地下水时(封闭系统)水分迁移是有限的,当地下水位较高,并能源源不断地补给时(开敞系统)冻胀量可达很大数值。土的冻结过程中由于水分迁移,在冻结界面聚冰,形成冰夹层与冰透镜体,水在形成冰的相变过程中,体积膨胀9%,在紧密接触的两个颗粒之间,楔入冰层,则有效压力转换成了从一个颗粒通过冰夹层再传到另一个颗粒的间接传递的冻胀力,冻胀力产生的过程就是有效压力消失,代以冰的膨胀力的内力重分布过程,冻结界面上的冰层面积越多,冰胀力就越大,最终导致冻层膨胀,地面隆起。由此可见,冻胀的大小主要与土体内的含水量和地下水位有关系,含水量越大、地下水位越高,越有利于聚冰和水分迁移。另外土冻结面处的负温梯度也是影响冻胀的主要因素,负温梯度越大,越有利于水分迁移,冻结速度越快迁移水量越多,冻胀也越强烈。
3 防止冻害的措施
一般情况下,根据要求确定基础最小埋深后,首先了解冻层的深度。基础埋置在暖土层上,建筑物就不会出现冻害。为了保证建筑物免受冻害,还应采取一些必要的防冻措施。
3.1 选择合理的基础形式:在冻深大,土冻胀性较强的地基上,一般应采用独立墩式基础、桩基础等。因为墩式基础荷重较大,有利于减少基础的冻胀变形,而且又减少与土的接触面积,对消除冻切力较为有力。
3.2 砂垫层:在季节性冻土地区常用砂垫层换掉部分冻胀土,实践证明效果较好。它的一般做法是:砂垫层层底的深度应满足基础最小埋深的要求。
3.3 基础侧面防冻切力的措施:对标准冻深大于2米的采暖建筑物,除满足基础最小埋深外,还必须考虑冻胀的冻切力和对基础的侧面作用,可在基础侧面回填粗砂、中砂、炉渣等防胀性材料,以减少冻切力的作用。当基础梁下有冻胀土时,应在梁下填以炉渣及松散材料,并留有一定的空隙,以防止土冻胀将基础梁供裂。
3.4 施工和使用方面应注意的问题 在基础施工期间,一定不能使地基土受冻,做到随挖、随回填。在基础施工时,应按施工操作规程和验收规范施工,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,做好排水设施。有采暖设计的房间,如冻前不能交付使用时,应对地基采取保温等相应的措施。
地基基础问题是工程建设中最复杂的问题之一。构成地基材料的土,往往不能按着人们的愿望,像用其他建筑材料那样可以自由选择,不可能将建筑物都建在理想的地基上。由于土类繁多,各种土质差异很大,就是同一栋建筑物也可能坐落在性质差别很大的地基土上。这就要求我们努力研究地基土与上部结构的相互关系,提出地基基础设计理论的施工方法,使之安全可靠,经济合理,技术先进,便于施工。
B. 冻土处理技术
冻土是指温度在0℃以下，其中含有冰的各种土。季节性冻土是指该冻土在冬季冻结、夏季融化的土层。多年冻土或永冻土是指冻结状态持续3年以上的土层。在我国，季节冻土遍布全国，而多年冻土主要分布在大、小兴安岭，青藏高原及西部高山等地，约占国土面积的22％。
冻土处理技术是随着冻土地区经济发展的需要而发展起来的，其目的是为了确保冻土地区工程建筑物的安全和正常使用。一般来说，冻土地基问题主要包括以下两方面的内容。
1）冻胀引起的破坏问题：冻胀是指土体冻结过程中，土中水分冻结成冰，并形成冰层、冰透镜体、多晶体冰晶等形式的冰侵入体，引起土颗粒的相对移动，使土体产生不同程度的扩张现象。冻胀的外观表现是土体表面不均匀的升高，冻胀变形常常可以形成冻胀丘及隆起等地形。在季节性冻土区和多年冻土区，由冻胀引起破坏的事例屡见不鲜。
2）融沉引起的地基稳定性问题：融沉又称热融沉陷，是指由于自然或人为因素改变了地面的温度状况，引起季节融化层的深度加大，导致地下冰或多年冻土层发生局部融化，上部土层在自重和外部营力作用下产生沉陷。此外，还可出现热融滑坍、融冻泥流等，造成边坡破坏，这些都是不利于工程建筑物安全和正常运营的条件。
在冻土区修建建筑物，除要满足非冻土区建筑物所要满足的强度与变形条件外，还要考虑以冻土作为建筑物地基时，其强度随温度和时间而变化的情况。所以，采取什么样的防冻胀和融沉措施来保证冻土区建筑物地基的稳定，是关系到冻土区工程建设成败的关键。
1.多年冻土区的地基处理措施
在我国多年冻土地区，多年冻土的分布一般不具连续性，所以建筑物的平面布置具有一定的灵活性。一般来说，在坚硬冻土地区和高震级地区，采用保持冻结状态进行设计是经济合理的。如果地基土融化时，其变形不超过建筑物的容许值，且采用保持冻结状态又不经济时，应采用逐渐融化状态进行设计。但是，当地基土的年平均气温较高（不低于－0.5℃），且处于塑性冻结状态，采用保持冻结和逐渐融化的设计方案都不经济时，宜采用预先融化状态进行设计。对一栋建筑面积很小、基础相连或很近的正常建筑物来说，是没有办法将地基土分成冻结与不冻两个稳定部分，所以此时应采用同一种设计状态。
在下列情况之一时，可采用保持冻结状态原则进行设计：
1）多年冻土的年平均气温低于－1.0℃的场地；
2）持力层范围内的地基土处于坚硬冻结状态；
3）最大融化深度范围内，存在融沉、强融沉、溶陷性土及其夹层的地基；
4）非采暖建筑或采暖温度偏低、占地面积不大的建筑物地基。
在下列情况下应采用逐渐融化状态进行设计：
1）多年冻土的年平均地温为－0.5～1.0℃的场地；
2）持力层范围内的地基土处于塑性冻结状态；
3）在最大融化深度范围内，地基为不融沉或弱融沉性土；
4）室温较高、占地面积较大的建筑或热载体管道及给排水系统等对冻层产生热影响的地基。
为控制地基土的变形，可根据需要采用不同的地基处理措施和结构设计方法。多年冻土区常用的地基加固方法见表4－5。在选用地基处理方法时，应力求做到安全实用、确保质量、经济合理、技术先进。同时，由于我国地域辽阔，多年冻土区的水文地质、工程地质条件千差万别，各地的施工机械条件、技术水平、经验积累都不尽相同，所以在选用地基处理方法时还要因地制宜，有效利用当地条件，充分发挥各地的优势。
表4－5 多年冻土区常用的地基加固方法
续表
2.季节性冻土区的地基处理措施
季节性冻土区的铁路、公路、工业与民用建筑等都普遍存在严重的冻害问题。例如，铁路、公路的路基常由于不均匀冻胀及融沉作用而不平坦，路面产生裂缝，冻结层春季融化，产生翻浆、冒泥等现象，有时中断交通。季节性冻土区的地基处理措施可归纳为两类：以清除或削减冻融为目的的地基处理措施和以增强建筑物抵抗和适应冻融变形能力为主的结构措施。
（1）地基处理措施
通过对冻融产生的基本条件及影响因素的分析认为，冻土的土质、水分（包括外界补给水）和土中负温值是产生冻融的基本要素，因此，只要消除其中一个因素，就可清除或削弱土体的冻融，实际工作中常采用换填法、保温法和排水隔水法等措施。
1）换填法：采用粗砂、砾石等非（弱）冻胀性材料置换天然地基的季节性冻土，以削弱或基本消除地基土的冻融，其效果与换填深度、换填料的粉粘粒含量、换填料的排水条件、地基土质、地下水位以及建筑物适应不均匀冻胀变形的能力等因素有关。在采取换填法处理时，应根据建筑物的具体情况、地基土质及地下水位情况，确定合适的换填深度和控制粉粘粒的含量。在有条件的情况下，还应做好换填层的排水。
2）保温法：在建筑物基础底部或四周设置隔热层，增大热阻，以推迟地基土的冻结、提高土中温度、减少冻结深度，进而起到防冻胀的一种方法。可以用来隔热的材料相当多，例如草皮、树皮、炉渣、土块、混凝土、玻璃纤维、聚苯乙烯泡沫等，在某些条件下，土、冰、雪、柴草等也可作为隔热材料。近年来，由于各种人造材料的发明，保温法的应用范围越来越广，涉及道路、工业与民用建筑及水利工程等领域。
3）排水隔水法：通过隔断补给水源和排除地表水等措施，降低地下水位及季节冻层范围内土体的含水量，从而降低土的冻胀。但是，排水和隔水的方法应结合工程运用条件、工程地点的土质及水文地质条件进行选择，否则，不但起不到防冻害的效果，反而会给工程造成危害。
（2）结构措施
除上述地基处理措施外，还可根据建筑物的重要程度、运行年限及结构特点等采用不同的设计原则和防冻害的结构措施。对于以墩、桩为基础的桥梁、渡槽及其他重要建筑物，应保证建筑物在冻胀或融沉作用下不产生变形，所以常采用深基础或各种形式的锚固基础。对于工业与民用建筑中的平房、低层楼房和农田水利工程中的小型涵洞、小型水闸、引水渠道等建筑物来说，为了节省投资，可采用浅埋基础，并采取一定的结构措施，增强其适应不均匀冻胀变形的能力。目前，在寒冷地区，主要采用柔性结构、增加结构的刚度和整体性及合理分割结构、设置变形缝等3种措施增强建筑物适应不均匀变形的能力。此外，还可采用回避性的结构措施，即在建筑物的形式选择、总体布置及结构形式等方面采取措施，避开不利的冻胀条件。回避性的结构措施主要有架空法、埋入法和隔离法3种。
在实际工程中，需要结合建筑物的等级、要求、地基条件及当地材料等具体情况确定宜采取的防冻胀措施。比如，建在弱冻胀或中等冻胀土地基上允许冻胀变形的小型建筑物，可考虑采用单一的消除、削减冻胀的处理措施，将冻胀引起的建筑物变形控制在允许范围之内。但在强冻胀土地基上修建不允许变形或允许冻胀变形很小的建筑物时，只采用单一的消除、削弱冻胀的处理措施，可能难以达到防治冻害的目的，而且在经济上也往往是不合理的，在这种情况下，宜采取综合防治措施，即以一种措施为主，同时配合其他一种或几种措施。
小 结
本章的学习重点是岩溶塌陷、地面沉降、地裂缝、采空塌陷、矿井突水、瓦斯爆炸和岩爆等地质灾害防治工程的设计与施工，以及湿陷性黄土、软土、膨胀土、盐渍土、红粘土、冻土等特殊土的处理技术，难点是岩溶塌陷、地面沉降、地裂缝、采矿塌陷、矿井突水等灾害的防治工程设计。岩溶地区因岩溶发育的不均一性，使得防治岩溶塌陷灾害的难度较大、成本较高，对于一般工程可以考虑采用强夯、跨越等方法处理，但对于重要工程，应采取桩基、灌注填充等方法处理；在地面沉降区，除采取必要的措施控制地面沉降发展外，拟建工程一般应有适度的沉降量预留；地裂缝灾害的防治多以避让为主，或采取一定的结构措施减轻灾害损失；矿山与地下工程地质灾害重在预防，在编制开发利用方案或施工方案时，应针对可能出现的地质灾害，采取合理的开采方式或施工方法，围岩支护、留足保安（或防水）矿柱；在工程实践中，特殊土如湿陷性黄土地区出现的地基沉陷、地面开裂，软土地区的过量沉降、侧向滑移，冻土地区的冻胀、融沉以及边坡滑坍等灾害危及工程建设的案例很多，工程建设时对特殊土地基加固的设计和施工显得尤为重要。
复习思考题
1.岩溶灾害的处理措施有哪些？
2.强夯加固的原理是什么？具体如何实施？
3.灌注填充法如何设计？
4.岩溶地区桩基如何设计？
5.地面沉降有哪些防治措施？
6.什么条件下可以采用人工回灌对地面沉降进行治理？人工回灌治理方法有哪些？
7.人工回灌中应该注意的问题有哪些？如何解决？
8.人工回灌地下水设计及实施步骤有哪些？
9.在地面沉降地区为什么要进行防洪排涝？如何实施？
10.地裂缝的防治措施有哪些？
11.针对地裂缝上已有建筑物，如何布设减灾工程？
12.生命线工程如何避免地裂缝灾害？
13.如何确定塌陷盆地的最大塌陷深度？
14.防治采矿塌陷的井下技术措施有哪些？
15.矿井突水前有哪些“征兆”？如何识别矿井突水水源？
16.矿井突水的防治措施有哪些？
17.如何确定安全防水岩柱厚度？
18.简述矿井注浆堵水的工作程序。
19.防止瓦斯爆炸和岩爆的措施有哪些？
20.湿陷性黄土、软土、冻土地基的处理方法有哪些？
C. 冬季施工中最应注意什么问题
第一，用复胶方面。因为冬制天天气干燥，像吊顶、墙体上漆、封装上用到胶的地方就会容易冻结。虽然这个时候不会因此脱落，但是水分冻住严重的话会影响到施工的过程。所以在冬季装修的时候要注意在5摄氏度的室温下使用胶，保证温度变的非常的重要。施工完成后也不要因为寒冷而把门窗关闭，通风还是必须的。
其次，油漆。油漆也是水分比较大的东西，所以也会受到寒冷天气的影响。预防的方法是可以重复刷三次漆，不过要注意的是，每每刷一次漆都要等到前面的漆面干透了再刷；否则会引起墙面脱落，起泡等现象，所以一定要耐心的等待，不能为了赶工啊随意的刷漆影响了质量。
最后要注意的是铺地板不能仓促着急。地板买回来的时候需要在家里放置个一两天，毕竟室外温度和室内的温度还是有差别的，为了防止热胀冷缩，应该让木材先适应了家里的温度才行，这样就能防止因为温差太大而使得地板变形，裂开等等。友情提示一下，冬天铺地板的时候间隙可以留的比往常大一些，来防止夏天温度太高而引起的膨胀。