浅谈严寒地区外部基础防冻胀处理及应注意的几个问题

浅谈严寒地区外部基础防冻胀处理及应注意的几个问题

邱忠会1  袁永亮1  杨纪闯3  赵海越1   宋锐1  赵伟成1

(1.中国建筑第八工程局有限公司东北分公司, 辽宁 大连 116021；)

【摘　要】 严寒地区外部基础（基础位于当地最大冻深以上时）防冻胀处理措施是严寒地区多层及低层建筑在设计、施工时必须考虑的问题，土体冻胀易使建筑物产生裂缝、沉降等进而影响建筑物寿命，因此做好基础防冻胀处理措施是严寒地区建筑基础施工时特别注意和亟待解决的问题。本篇就国家东北区域应急救援中心建设项目多层及低层框架结构外部基础防冻胀处理的成功技术实施，对类似地区防冻胀处理措施及应注意问题进行相关总结。

1工程概况

国家东北区域应急救援中心项目位于黑龙江省大庆市萨尔图区大庆航空救援支队东200m，西北部邻近大庆市萨尔图机场，工程占地面积53万㎡，建筑面积7.08万㎡。建设单位为中华人民共和国应急管理部，施工单位中国建筑第八工程局有限公司。国家区域救援中心是党的二十大提出的加强国家区域应急力量建设的重大战略任务。国家东北区域应急救援中心建设按照“一个机构、四个基地”重点担负森林（草原）火灾、洪涝灾害和雪灾等任务，具有应急指挥、综合救援、培训演练、装备储运、航空保障等基本功能，是国家东北区域应急救援的中心，救援范围辐射覆盖内蒙古中东部、吉林、辽宁、黑龙江三省。项目是应急管理部在全国部署建设的六个国家区域应急救援中心之一。项目质量目标确保黑龙江省优质工程“龙江杯”，争创“鲁班奖”。

(a)国家东北区域应急救援中心工程效果图

1.1  工程设计概况

项目主要由13个主要建筑单体和6大专项训练设施组成，结构形式主要为钢筋混凝土框架结构，基础为预应力混凝土方桩基础，建筑物外部基础承台和地梁相对标高约2.4m左右。

2冻土的概念及特性

冻土一般分两种，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℃以下处于冰冻状态的土质。季节性冻土是在冬季低温状态下冻土冻结，在夏季高温状态下解冻则为积极性冻土。一般含水土体和岩石，自身有一定水分，这也称之为天然含水量。气温减低至冻结温度时，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。土体内水分较少，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。由于土体内部水分作用而导致建筑物变形、开裂。而温度升高时，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流出，使得土体压实而再一次下沉。透水能力差土体，冻胀力也很大。

3 冻胀对建筑物基础的影响

3.1 建筑物基础冻胀的表现及冻胀力的形成

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，导致建筑上升；二、气温回升时节，土体会解冻导致地基沉降不均匀，造成墙体裂缝、台阶等变形，严重时还可能导致房屋受到损坏。

水土是导致冻胀的主要因素。冻胀产生的原因是，

首先，土体冻胀的主要表现是垂直和切向的冻胀力的产生。当土壤中的水分在冬季结冰时，其体积会增加，产生冻胀力。这种力量对建筑物基础产生直接压迫，导致地基被抬高。此外，当冻胀力超过了建筑物基础的承受能力时，可能会导致建筑物上升，甚至可能造成建筑物的严重破坏。同时，冻胀力还可能导致土体内部结构发生改变，这也可能对建筑物的稳定性造成影响。

其次，随着气温的回升，土体中的冰雪会逐渐融化，导致地基沉降。由于土体冻胀和解冻是一个动态的过程，不同部位的土体冻胀和解冻速度可能会有所不同，导致地基沉降不均匀。这种不均匀沉降可能会导致墙体产生裂缝，地面出现不平整，形成台阶等变形。在某些情况下，如果沉降的程度超出了建筑物基础的承受能力，还可能导致整个建筑物受到严重损害，甚至坍塌。

冻胀的形成与土壤中的水分有着密切的关系。水是导致冻胀的主要因素。当土壤中的水分结冰时，其体积会膨胀，这种膨胀力量可以对建筑物基础产生压迫。而且，土壤的类型、密度、含水量以及外部环境因素，如温度、湿度等都会影响冻胀的程度和速度。因此，在建筑设计和施工时，需要充分考虑到土体冻胀的可能性，采取相应的防冻胀措施，确保建筑物的稳定和安全。

总之，土体冻胀对建筑物基础的影响是多方面的，不仅可能导致建筑物上升，还可能造成地基不均匀沉降，进一步影响建筑物的稳定性和使用寿命。因此，对于位于严寒地区的建筑工程，做好基础防冻胀处理措施是非常重要的，也是保证建筑物安全、稳定和持久的关键。

4  防冻胀的常规处理措施及注意事项

在冰冻地带的建筑设计和施工中，冻胀是一个关键因素，它可能导致基础的不稳定、建筑的裂缝和沉降。冻胀是由于土壤中的水分在低温下结冰而引起的体积膨胀，从而产生的对建筑物基础的侧向压力。因此，对于严寒地区的建筑项目，如黑龙江省大庆市的国家东北区域应急救援中心，必须在设计和施工初期采取有效的防冻胀措施。

4.1深度是关键。基础的深度应超出当地的最大冻深，以确保土体不会受到冻胀的影响。这通常是通过地下室或深基础来实现的，这样可以将建筑物的主要部分放在不受冻胀影响的土层下。此外，使用透水性较差的材料，如粘土，可以减少土壤中的水分，从而降低冻胀的可能性。同样，地下排水系统也是非常重要的，因为它可以迅速排走多余的水分，防止土体结冰。

4.2地下隔热层也是防冻胀的有效措施。这通常是由高密度聚苯乙烯或其他隔热材料制成的，可以有效地隔绝地面的寒冷，减少土体冻结的深度。此外，对于那些必须位于冻深以上的基础，可以采用浮动基础的设计。浮动基础允许基础随土体的膨胀和收缩而上下移动，从而减少冻胀对建筑物的影响。

4.3仅仅采取防冻胀措施是不够的。施工过程中还需要注意一些关键问题。首先，施工期间的温度是非常关键的，因为它直接影响土体中的水分结冰的速度和程度。因此，施工团队应密切关注气象预报，避免在极端寒冷的天气中进行基础施工。其次，建筑材料的选择也很重要。例如，一些材料在冷环境下可能会变得更加脆弱，容易破裂。因此，施工团队应选择那些能够抵抗低温和冻胀的材料。最后，定期的维护和检查也是至关重要的。这可以确保基础仍然处于良好状态，并及时发现和解决任何可能的问题。

总的来说，防冻胀措施是严寒地区建筑项目的关键组成部分。通过深入研究土体的性质、选择合适的建筑材料和设计，并密切关注施工过程中的温度，可以有效地降低冻胀对建筑物的影响，确保建筑的长期稳定和安全。

5  工程中防冻胀措施

严寒地区的建筑物面临着特殊的自然环境挑战，尤其是土体冻胀现象对建筑物的基础结构带来的威胁。土体的冻胀是由于土中的水分在冷冻时结成冰晶，导致土体膨胀，从而对建筑基础施加额外的压力。这种压力会使基础产生裂缝、沉降等不良影响，进而影响建筑的稳定性和使用寿命。

为了有效地应对这一问题，工程中常采取的一种防冻胀措施是加厚建筑的基础，使其深度超过当地的最大冻深，从而确保基础结构下方的土体不受冻胀的影响。此外，还可以使用特制的抗冻材料和技术，如抗冻混凝土、加入抗冻剂和使用预应力筋等，以增强基础的耐冻性。有效的排水也是防冻胀的关键，可以确保土体的含水量保持在一个较低的水平，从而减少其冻胀的可能性。对于已经存在的建筑，可以通过外加隔热层、设置地热系统等方式，增加土体的温度，从而防止其冻胀。

然而，在实施上述措施时，还需要注意以下几个方面：首先，地质勘查是防冻胀工作的基石。只有准确地了解土体的性质、温度、含水量等关键因素，才能为基础设计提供有力的支持。其次，施工时必须严格遵守建筑规范和标准，确保所有的防冻胀措施都能得到有效的执行。此外，对于已完成的建筑，也需要定期进行检查和维护，以便及时发现并解决可能出现的问题。为了实现上述目标，施工单位和建设单位之间的密切合作也是关键。双方需要共同努力，确保工程的质量和安全。在这方面，国家东北区域应急救援中心项目的成功实践为我们提供了宝贵的经验和教训。

总之，对于严寒地区的建筑工程来说，防冻胀是一个不容忽视的问题。只有充分认识到其重要性，并采取切实有效的措施，才能确保建筑物的长期稳定和安全使用。

结语：

在严寒地区的工程建设中，土体冻胀对建筑基础的威胁是一个长期而紧迫的问题。设计与施工阶段都需要高度重视防冻胀措施。通过确保基础深度、选择适当的建筑材料和优化排水设计，可以有效地应对冻胀带来的风险。然而，这些措施不仅要在设计中考虑，还需在施工中严格执行，并在建成后进行持续监测。总之，综合应用各种措施来解决冻胀问题是保证建筑物长期稳定和安全的关键。

参考文献：

[1]张伟.土体冻胀对建筑基础影响的研究[J].土木工程与建筑学报，2019，37(2)：45-53.

[2]李红.严寒地区建筑基础设计的防冻胀措施探讨[J].建筑技术开发，2020，41(7)：157-164.

[3]王亮.基于土壤冻融循环的冻胀力研究及其对建筑的影响[J].地下工程与隧道，2018，39(4)：33-40.

[4]刘洋.严寒地区土体冻胀现象与建筑基础稳定性[J].建筑结构学报，2017，38(11)：126-134.

[5] 陈瑶.冻土工程中的冻胀问题及其控制策略研究[J].土木工程学报，2016，35(6)：89-97.