地基基础处理技术第二章4冻土.doc

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第四节冻土

一、冻土的分类

冻土是指温度等于或低于摄氏零度、且含有冰的各类土。

根据其冻结时间和冻结状态可将冻土分成多种类型。

（一）按冻结时间分

1．季节性冻土

季节性冻土是受季节性的影响，冬季冻结，夏季全部融化，呈周期性冻结、融化的土。

季节性冻土在我国的华北、西北和东北广大地区均有分布。

因其周期性的冻结、融化，对地基的稳定性影响较大。

季节性冻土根据其结构形式，又可分为：

（1）整体结构：

土在冻结时，土中水分有向温度低的地方移动的性能。

整体结构冻土是由于温度骤然降低，冻结较快，土中水分来不及移动即冻结，冰粒散布于±颗粒间，肉眼甚至看不见，与土粒成整体状态。

融化后土仍保持原骨架，建筑性能变化不大。

（2）层状结构：

地表温度不很低，且有变化，土中水分冻结一次，融化一次，又冻结一次，则形成层状结构冻土。

这种土融化后骨架整个遭受破坏，对建筑性能影响较大。

（3）网状结构：

由于地表不平，冻结时土中水分除向低温处移动外，还受地形影响，使水分向不同方向转移，而形成冰呈网状分布的冻土，这种土一般含水、含冰量较大，融化后呈软塑或流塑状态。

（4）扁豆体和楔形冰结构：

由于季节性冻结和融化，土中水分向表层低温处移动，往往在冻层上限冻结成扁豆体状冰层，当冻土层向深度发展，扁豆体状冰层即夹于冻土层之中。

当岩层或土层具裂隙时，水即在裂隙中成冰楔体。

此类结构的冻土，承受荷载时易沿冰体滑动。

2．多年冻土

多年冻土是指冻结状态持续多年（一般是二年或二年以上以上）不融的冻土。

多年冻土常存在地面以下一定深度，其上部接近地表部分，往往亦受季节性影响，冬冻夏融，此冬冻夏融的部分常称为季节融冻层。

因此，多年冻土地区常伴有季节性的冻结现象。

多年冻土根据其垂直构造、水平分布和冻结发展趋势，又可分为下列几种类型：

（1）按垂直构造分：

（a）衔接的多年冻土：

冻土层中没有不冻结的活动层，冻层上限与受季节性气候影响的季节性冻结层下限相衔接。

（b）不衔接的多年冻土：

冻层上限与季节性冻结层下限不衔接，中间有一层不冻结层。

（2）按水平分布分：

（a）整体多年冻土：

在较大的地区内呈整体分布。

（b）断续多年冻土：

在冻土层中有岛状的不冻层分布。

（c）岛状多年冻土：

呈岛状分布在不冻土区域内。

（3）按冻结发展趋势分：

（a）发展型冻土：

由于地质、气候等因素的影响，多年冻土的厚度和分布范围仍在继续发展。

（b）退化型冻土：

由于上述因素的影响，多年冻土的厚度和分布范围在退化减小。

退化的规律是：

先地势高处后低处，先阳坡后阴坡，先粗粒土后细粒土。

（二）按冻结状态分

1．坚硬冻土：

土中未冻水含量很少，土粒为冰牢固胶结，土的强度高、压缩性小，在荷载作用下，表现脆性破坏，与岩石相似，当土的温度低于下列数值时，易呈坚硬冻土，粉砂-0.30C，粉土-0.60C，粉质粘土-1.00C，粘土-1.50C。

2．塑性冻土：

虽被冰胶结但仍含有多量未冻结的水，具有塑性，在荷载作用下可以压缩，土的强度不高。

当土的温度在零度以下至坚硬冻土温度的土限之间、饱和度Sr≤80％时，常呈塑性冻土。

3．松散冻土：

由于土的含水量较小，土粒未被冰所胶结，仍呈冻前的松散状态，其力学性质与未冻土无多大差别。

砂土和碎石土常呈松散冻土。

二、冻土的物理力学及热学性质

（一）冻土的物理力学

1．冻土的总含水量：

是指冻土中所有冰和未冻水的总质量与冻土骨架质量之比。

即天然温度的冻土试样，在100~1050C下烘至恒重时，失去的水的质量与干土的质量之比。

2．冻土的重度：

在冻结状态下，保持天然含水量及结构的土单位体积的重量，称为冻土的重度。

3．含冰量：

衡量冻土中含冰量多少的指标，有质量含冰量，体积含冰量和相对含冰量。

4．未冻水含量：

是指冻土中未冻水的质量与干土的质量之比。

对于一定的土，其未冻水含量仅取决于温度条件，而与土的含水量无关。

（二）冻土的力学性质

1．冻土的融化压缩：

冻土融化过程中在无外荷作用的情况下，所产生的沉降称为融化下沉（简称融陷）。

用相对融陷量—融沉系数（亦称融化系数）A4表示。

冻土融化后，在外荷作用下所产生的压缩变形称为融化压缩。

用单位荷载下的相对变形量——融化压缩系数ao表示。

2．冻胀量：

土的冻胀是土冻结过程中土体积增大的现象。

土的冻胀性以冻胀率η（冻胀变形量与冻结深度之比，以百分数表示）来衡量。

3．法向和切向冻胀力：

地基土冻结时，随着土体的冻胀，作用于基础底面向上的抬起力，称为基础底面的法向冻胀力，简称法向冻胀力。

平行向上作用于基础侧表面的抬起力，称为基础侧面的切向冻胀力，简称切向冻胀力。

4．冻结力：

冻土与基础表面通过冰晶胶结在一起，这种胶结力称为基础与冻土间的冻结强度，简称冻结力。

在实际使用和量测中通常以这种胶结的抗剪强度来衡量。

5．冻土的抗剪强度：

是指冻土在外力作用下，抵抗剪切滑动的极限强度。

而冻土的抗剪强度不仅与外压力有关，而且与土温及荷载作用历时有密切关系。

（三）冻土的热学性质

1．比热：

冻土的比热是1g土温度改变10C所需要的热量。

2．导热系数：

是表示土体导热能力的指标。

当土层两表面温差为10C时，在单位时间内通过一单位面积，一单位厚度土层的热量，即为该土层的导热系数。

单位为W／m·K（瓦／米·开）或W／m.0C（瓦／米.0C）

3．导温系数：

表示土中某一点在相邻点温度变化的作用下改变自身温度的能力。

在数值上等于岩土导热系数（λ）与容积热容量（c.γd）的比值。

三、冻土的工程性质及地基评价

（一）季节性冻土的工程性质及地基评价

1．工程性质，冻土作为建筑物地基，在冻结状态时，具有较高的强度和较低的压缩性或不具压缩性。

但冻土融化后则承载力大为降低，压缩性急剧增高，使地基产生融陷；相反，在冻结过程中又产生冻胀，对地基均为不利。

冻土的冻胀和融陷与土的颗粒大小及含水量有关，一般土颗粒愈粗，含水量愈小，土的冻胀和融陷性愈小；反之则愈大。

2．冻土按冻胀性分类：

季节性冻土的冻胀性按不同土质、冻前天然含水量、冻结期间地下水位距冻结面的最小距离以及平均冻胀率来划分冻胀类别，如表2-4-1所示。

季节性冻土的冻胀性分类表2-4-1

土的名称

冻前天然含水量w（%）

冻结期间地下水位距冻结面的最小距离hw（m）

平均冻胀率η（%）

冻胀等级

冻胀类别

碎（卵）石，砾、粗、中砂（粒径小于0.075mm颗粒含量大于15%），细砂（粒径小于0.075mm颗粒含量大于10%）

w≤12

>1.0

η≤1

Ⅰ

不冻胀

≤1.0

1<η≤3.5

Ⅱ

弱冻胀

12

>1.0

≤1.0

3.5<η≤6

Ⅲ

冻胀

w>18

>0.5

≤0.5

6<η≤12

Ⅳ

强冻胀

粉砂

w≤14

>1.0

η≤1

Ⅰ

不冻胀

≤1.0

1<η≤3.5

Ⅱ

弱冻胀

14

>1.0

≤1.0

3.5<η≤6

Ⅲ

冻胀

19

>1.0

≤1.0

6<η≤12

Ⅳ

强冻胀

w>23

不考虑

η>12

Ⅴ

特强冻胀

粉土

w≤19

>1.5

η≤1

Ⅰ

不冻胀

≤1.5

1<η≤3.5

Ⅱ

弱冻胀

19

>1.5

≤1.5

3.5<η≤6

Ⅲ

冻胀

22

>1.5

≤1.5

6<η≤12

Ⅳ

强冻胀

26

>1.5

≤1.5

η≤12

Ⅴ

特强冻胀

w>30

不考虑

粘性土

w≤wp+2

>2.0

η≤1

Ⅰ

不冻胀

≤2.0

1<η≤3.5

Ⅱ

弱冻胀

wp+2

>2.0

≤2.0

3.5<η≤6

Ⅲ

冻胀

wp+5

>2.0

≤2.0

6<η≤12

Ⅳ

强冻胀

wp+9

>2.0

≤2.0

η>12

Ⅴ

特强冻胀

w>wp+15

不考虑

注:

1wp---塑限含水量（%）；

w---在冻土层内冻前天然含水量的平均值；

2盐渍化冻土不在表列；

3塑性指数大于22时，冻胀性降低一级；

4粒径小于0．005mm的颗粒含量大于60％时，为不冻胀土；

5碎云类土当充填物大于全部质量的40%时，其冻胀性按充填物土的类别判断；

6碎石土、砾砂、粗砂、中砂（粒径小于0．075mm颗粒含量不大于15%）、细砂（粒径小于0．075mm颗粒含量不大于10%）均按不冻胀考虑。

（二）多年冻土的工程性质和地基评价

1．按融沉性分级和评价：

多年冻土根据融化下沉系数δ0的大小，多年冻土可分为不融沉、弱融沉、融沉、强融沉和融陷五级，现列表2-4-2如下：

多年冰冻土融沉性分级表2-4-2

土的名称

总含水量w0（%）

融化下沉系数δ0

融沉等级

融沉类别

冻土类型

碎石土，砾、粗、中砂（粒径小于0.075mm颗粒含量不大于15%）

W0<10

δ0≤1

Ⅰ

不融沉

少冰冻土

W0≥10

1<δ0≤3

Ⅱ

弱融沉

多冰冻土

碎石土，砾、粗、中砂（粒径小于0.075mm颗粒含量大于15%）

W0<12

δ0≤1

Ⅰ

不融沉

少冰冻土

12

1<δ0≤3

Ⅱ

弱融沉

多冰冻土

15

3<δ0≤10

Ⅲ

融沉

富冰冻土

W0≥25

10<δ0≤25

Ⅳ

强融沉

饱冰冻土

粉砂、细砂

W0<14

δ0≤1

Ⅰ

不融沉

少冰冻土

14

1<δ0≤3

Ⅱ

弱融沉

多冰冻土

18

3<δ0≤10

Ⅲ

融沉

富冰冻土

W0≥28

10<δ0≤25

Ⅳ

强融沉

饱冰冻土

粉土

W0<17

δ0≤1

Ⅰ

不融沉

少冰冻土

17

1<δ0≤3

Ⅱ

弱融沉

多冰冻土

21

3<δ0≤10

Ⅲ

融沉

富冰冻土

W0≥32

10<δ0≤25

Ⅳ

强融沉

饱冰冻土

粘性土

w0

δ0≤1

Ⅰ

不融沉

少冰冻土

Wp≤w0

1<δ0≤3

Ⅱ

弱融沉

多冰冻土

Wp+4≤w0

3<δ0≤10

Ⅲ

融沉

富冰冻土

Wp+15≤w0

10<δ0≤25

Ⅳ

强融沉

饱冰冻土

含土冰层

W0≥wp+35

δ0>25

Ⅴ

融陷

含土冰层

注:

1总含水量w0包括冰和未冻冰；

2本表不包括盐渍化冻土、冻结泥炭化土、腐殖土、高塑性粘土。

表中：

不融沉土（Ⅰ类土）为除基岩之外的最好的地基土。

一般建筑物可不考虑冻融问题。

弱融沉土（Ⅱ类土）为多年冻土较良好的地基土。

融化下沉量不大，一般当基底最大融深控制在3.0m之内时，建筑物均未遭受明显破坏。

融沉土（Ⅲ类土），作为建筑物地基时，一般基底融深不得大于1.0m。

因这类土不但有较大的融沉量和压缩量，而且，冬天回冻时，应采取专门措施，如深基、保温、防止基底融化等。

强融沉土（Ⅳ类土），往往会造成建筑物的破坏。

因此，原则上不允许地基土发生融化，宜采用保持冻土的原则设计或采用桩基等。

融陷土（Ⅴ类土），因含有大量的冰，所以不但不容许基底融化，还应考虑它的长期流变作用，需进行专门处理，如采用砂垫层等。

2．场地的选择：

对于重要的一、二级建筑物的场地，应尽量避开饱冰冻土、含土冰层地段和冰椎、冰丘、热融湖（塘）、厚层地下冰、融区与多年冻土区之间的过渡带。

宜选择下列地段：

（1）坚硬岩层、少冰冻土及多冰冻土的地段；

（2）地下水位或冻土层上水位低的地段；

（3）地形平缓的高地。

3．地基承载力的确定：

应区别保持冻结地基和容许融化地基，结合当地经验用载荷试验或其他原位测试方法综合确定，对次要建筑物可根据邻近工程经验确定。

四、冻土地基的设计与防冻害措施

（一）季节性冻土地区地基设计与防冻害措施

1．设计原则

基础埋深的确定：

对于不冻胀的基础埋深，可不考虑冻深的影响；对于弱冻胀、冻胀和强冻胀土的基础最小埋深，可按下式确定：

（2-4-1）

式中：

dmin——基础最小埋深；

hmax----基础底面下允许残留冻土层的最大厚度，按表2-4-3确定。

Zd----设计冻深，按下式计算。

（2-4-2）

式中：

Z0——标准冻深。

系采用在地表平坦、裸露、城市之外的空旷场地中不少于10年实测最大冻深的平均值。

当无实测资料时，按《建筑地基基础设计规范》附录F采用；

Ψzs——土的类别对冻深的影响系数，按表2-4-4采用；

Ψzw——土的冻胀性对冻深的影响系数，按表2-4-5采用；

Ψze——环境对冻深的影响系数，按表2-4-6采用；

建筑基底下允许残留冻土层厚度hmax（m）表2-4-3

冻胀性

基础形式

采暖情况

基底平均压力（kPa）

90

110

130

150

170

190

210

弱冻胀土

方形基础

采暖

—

0.94m

0.99m

1.04m

1.11m

1.15m

1.20m

不采暖

—

0.78m

0.84m

0.91m

0.97m

1.04m

1.10m

条形基础

采暖

—

>2.50m

>2.50m

>2.50

>2.50

>2.50m

>2.50m

不采暖

—

2.20m

2.50m

>2.50

>2.50

>2.50m

>2.50m

冻胀土

方形基础

采暖

—

0.64m

0.70m

0.75m

0.81m

0.86m

—

不采暖

—

0.55m

0.60m

0.65m

0.69m

0.74m

—

条形基础

采暖

—

1.55m

1.79m

2.03m

2.26m

2.50m

—

不采暖

—

1.15m

1.35m

1.55m

1.75m

1.95m

—

强冻胀土

方形基础

采暖

—

0.42m

0.47m

0.51m

0.56m

—

—

不采暖

—

0.36m

0.40m

0.43m

0.47m

—

—

条形基础

采暖

—

0.74m

0.88m

1.00m

1.13m

—

—

不采暖

—

0.56m

0.66m

0.75m

0.84m

—

—

特强冻胀土

方形基础

采暖

0.30m

0.34m

0.38m

0.41m

—

—

—

不采暖

0.24m

0.27m

0.31m

0.34m

—

—

—

条形基础

采暖

0.43m

0.52m

0.61m

0.70m

—

—

—

不采暖

0.33m

0.40m

0.47m

0.53m

—

—

—

注:

1本表只计算法向冻胀力，如果基侧存在切向冻胀力，应采取防切向力措施。

2本表不适用于宽度小于0.6m的基础，矩形基础可取短边尺寸按方形基础计算。

3表中数据不适用于淤泥、淤泥质土和欠固结土。

4表中基底平均压力数值为永久荷载标准值乘以0.9，可以内插。

土的类别对冻深的影响系数Ψzs表2-4-4

土的类别

影响系数Ψzs

土的类别

影响系数Ψzs

粘性土

1.00

中、粗、砾砂

1.30

细砂、粉砂、粉土

1.20

碎石土

1.40

土的冻胀性对冻深的影响系数Ψzw表2-4-5

冻胀性

影响系数Ψzw

冻胀性

影响系数Ψzw

不冻胀

1.00

强冻胀

0.85

弱冻胀

0.95

特强冻胀

0.80

冻胀

0.90

环境对冻深的影响系数Ψze表2-4-6

周围环境

影响系数Ψze

周围环境

影响系数Ψze

村、镇、旷野

1.00

城市市区

0.90

城市近郊

0.95

当冻深范围内地基由不同冻胀性土层组成时，基础最小埋深可按下层土确定，但不宜浅于下层土的顶面。

2．防冻害措施：

在冻胀、强冻胀、特强冻胀地基上，应采用下列防冻害措施：

（1）对在地下水位以上的基础，基础侧面应回填非冻胀性的中砂或粗砂，其厚度不应小于l0cm。

对在地下水位以下的基础，可采用桩基础、自锚式基础（冻土层下有扩大板或扩底短桩）或采取其他有效措施。

（2）宜选择地势高、地下水位低、地表排水良好的建筑场地。

对低洼场地，宜在建筑四周向外一倍冻深距离范围内，使室外地坪至少高出自然地面300~500mm。

（3）防止雨水、地表水、生产废水、生活污水浸入建筑地基，应设置排水设施。

在山区应设截水沟或在建筑物下设置暗沟，以排走地表水和潜水流。

（4）在强冻胀性和特强冻胀性地基上，其基础结构应设置钢筋混凝土圈梁和基础梁，并控制上部建筑的长高比，增强房屋的整体刚度。

（5）当独立基础联系梁下或桩基础承台下有冻土时，应在梁或承台下留有相当于该土层冻胀量的空隙，以防止因土的冻胀将梁或承台拱裂。

（6）外门斗、室外台阶和散水坡等部位宜与主体结构断开，散水坡分段不宜超过1.5m，坡度不宜小于3％，其下宜填入非冻胀性材料。

（7）对跨年度施工的建筑，入冬前应对地基采取相应的防护措施；按采暖设计的建筑物，当冬季不能正常采暖，也应对地基采取保温措施。

（二）多年冻土地区地基设计的基本原则

多年冻土地区的地基设计应根据建筑物的特点和冻土的性质，选用下列准则：

1．保持冻结：

即保持多年冻土地基在施工和使用期间处于冻结状态。

宜采用冻层较厚、多年地温较低和多年冻土相对稳定的地带。

适用于不采暖的建筑物，在富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层地基上的采暖建筑物和按容许融化原则设计有困难的建筑物。

2．容许融化：

即容许基底以下的多年冻土在施工和使用期间处于融化状态。

按其融化方式可分为下列两种：

（1）自然融化：

宜用于少冰冻土或多冰冻土地基。

当估计的地基总融沉量不超过规定的地基容许变形值时，均允许基底以下多年冻土在施工和使用期间自行逐渐融化。

（2）预先融化：

宜用于冻土厚度较薄，多年地温较高，多年冻土不够稳定地带的富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层地基，可根据具体情况在施工前采用人工融化压密或挖除换填处理。