地基基礎(chǔ)處理技術(shù)4凍土

1、第四節(jié) 凍土 一、 凍土的分類凍土是指溫度等于或低于攝氏零度、且含有冰的各類土。根據(jù)其凍結(jié)時間和凍結(jié)狀態(tài)可將凍土分成多種類型。(一) 按凍結(jié)時間分 1季節(jié)性凍土季節(jié)性凍土是受季節(jié)性的影響，冬季凍結(jié)，夏季全部融化，呈周期性凍結(jié)、融化的土。季節(jié)性凍土在我國的華北、西北和東北廣大地區(qū)均有分布。因其周期性的凍結(jié)、融化，對地基的穩(wěn)定性影響較大。季節(jié)性凍土根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式，又可分為：(1)整體結(jié)構(gòu)：土在凍結(jié)時，土中水分有向溫度低的地方移動的性能。整體結(jié)構(gòu)凍土是由于溫度驟然降低，凍結(jié)較快，土中水分來不及移動即凍結(jié)，冰粒散布于±顆粒間，肉眼甚至看不見，與土粒成整體狀態(tài)。融化后土仍保持原骨架，建筑性能變

2、化不大。(2)層狀結(jié)構(gòu)：地表溫度不很低，且有變化，土中水分凍結(jié)一次，融化一次，又凍結(jié)一次，則形成層狀結(jié)構(gòu)凍土。這種土融化后骨架整個遭受破壞，對建筑性能影響較大。(3)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)：由于地表不平，凍結(jié)時土中水分除向低溫處移動外，還受地形影響，使水分向不同方向轉(zhuǎn)移，而形成冰呈網(wǎng)狀分布的凍土，這種土一般含水、含冰量較大，融化后呈軟塑或流塑狀態(tài)。(4)扁豆體和楔形冰結(jié)構(gòu)：由于季節(jié)性凍結(jié)和融化，土中水分向表層低溫處移動，往往在凍層上限凍結(jié)成扁豆體狀冰層，當凍土層向深度發(fā)展，扁豆體狀冰層即夾于凍土層之中。當巖層或土層具裂隙時，水即在裂隙中成冰楔體。此類結(jié)構(gòu)的凍土，承受荷載時易沿冰體滑動。2多年凍土多年凍土是指

3、凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)多年(一般是二年或二年以上以上)不融的凍土。多年凍土常存在地面以下一定深度，其上部接近地表部分，往往亦受季節(jié)性影響，冬凍夏融，此冬凍夏融的部分常稱為季節(jié)融凍層。因此，多年凍土地區(qū)常伴有季節(jié)性的凍結(jié)現(xiàn)象。多年凍土根據(jù)其垂直構(gòu)造、水平分布和凍結(jié)發(fā)展趨勢，又可分為下列幾種類型：(1)按垂直構(gòu)造分：(a)銜接的多年凍土：凍土層中沒有不凍結(jié)的活動層，凍層上限與受季節(jié)性氣候影響的季節(jié)性凍結(jié)層下限相銜接。(b)不銜接的多年凍土：凍層上限與季節(jié)性凍結(jié)層下限不銜接，中間有一層不凍結(jié)層。(2)按水平分布分： (a)整體多年凍土：在較大的地區(qū)內(nèi)呈整體分布。(b)斷續(xù)多年凍土：在凍土層中有島狀的不凍層分布

4、。(c)島狀多年凍土：呈島狀分布在不凍土區(qū)域內(nèi)。(3)按凍結(jié)發(fā)展趨勢分：(a)發(fā)展型凍土：由于地質(zhì)、氣候等因素的影響，多年凍土的厚度和分布范圍仍在繼續(xù)發(fā)展。 (b)退化型凍土：由于上述因素的影響，多年凍土的厚度和分布范圍在退化減小。退化的規(guī)律是：先地勢高處后低處，先陽坡后陰坡，先粗粒土后細粒土。(二)按凍結(jié)狀態(tài)分1堅硬凍土：土中未凍水含量很少，土粒為冰牢固膠結(jié)，土的強度高、壓縮性小，在荷載作用下，表現(xiàn)脆性破壞，與巖石相似，當土的溫度低于下列數(shù)值時，易呈堅硬凍土，粉砂-0.30C，粉土-0.60C，粉質(zhì)粘土-1.00C，粘土-1.50C。2塑性凍土：雖被冰膠結(jié)但仍含有多量未凍結(jié)的水，具有塑性，在

5、荷載作用下可以壓縮，土的強度不高。當土的溫度在零度以下至堅硬凍土溫度的土限之間、飽和度Sr80時，常呈塑性凍土。3松散凍土：由于土的含水量較小，土粒未被冰所膠結(jié)，仍呈凍前的松散狀態(tài)，其力學性質(zhì)與未凍土無多大差別。砂土和碎石土常呈松散凍土。二、凍土的物理力學及熱學性質(zhì)(一) 凍土的物理力學1凍土的總含水量：是指凍土中所有冰和未凍水的總質(zhì)量與凍土骨架質(zhì)量之比。即天然溫度的凍土試樣，在1001050C下烘至恒重時，失去的水的質(zhì)量與干土的質(zhì)量之比。2凍土的重度：在凍結(jié)狀態(tài)下，保持天然含水量及結(jié)構(gòu)的土單位體積的重量，稱為凍土的重度。3含冰量：衡量凍土中含冰量多少的指標，有質(zhì)量含冰量，體積含冰量和相對含冰

6、量。4未凍水含量：是指凍土中未凍水的質(zhì)量與干土的質(zhì)量之比。對于一定的土，其未凍水含量僅取決于溫度條件，而與土的含水量無關(guān)。(二)凍土的力學性質(zhì)1凍土的融化壓縮：凍土融化過程中在無外荷作用的情況下，所產(chǎn)生的沉降稱為融化下沉(簡稱融陷)。用相對融陷量融沉系數(shù)(亦稱融化系數(shù))A4表示。凍土融化后，在外荷作用下所產(chǎn)生的壓縮變形稱為融化壓縮。用單位荷載下的相對變形量融化壓縮系數(shù)ao表示。2凍脹量：土的凍脹是土凍結(jié)過程中土體積增大的現(xiàn)象。土的凍脹性以凍脹率(凍脹變形量與凍結(jié)深度之比，以百分數(shù)表示)來衡量。3法向和切向凍脹力：地基土凍結(jié)時，隨著土體的凍脹，作用于基礎(chǔ)底面向上的抬起力，稱為基礎(chǔ)底面的法向凍脹力

7、，簡稱法向凍脹力。平行向上作用于基礎(chǔ)側(cè)表面的抬起力，稱為基礎(chǔ)側(cè)面的切向凍脹力，簡稱切向凍脹力。4凍結(jié)力：凍土與基礎(chǔ)表面通過冰晶膠結(jié)在一起，這種膠結(jié)力稱為基礎(chǔ)與凍土間的凍結(jié)強度，簡稱凍結(jié)力。在實際使用和量測中通常以這種膠結(jié)的抗剪強度來衡量。5凍土的抗剪強度：是指凍土在外力作用下，抵抗剪切滑動的極限強度。而凍土的抗剪強度不僅與外壓力有關(guān)，而且與土溫及荷載作用歷時有密切關(guān)系。(三)凍土的熱學性質(zhì)1比熱：凍土的比熱是1g土溫度改變10C所需要的熱量。2導(dǎo)熱系數(shù)：是表示土體導(dǎo)熱能力的指標。當土層兩表面溫差為10C時，在單位時間內(nèi)通過一單位面積，一單位厚度土層的熱量，即為該土層的導(dǎo)熱系數(shù)。單位為Wm

8、83;K(瓦米·開)或Wm. 0C (瓦米. 0C)3導(dǎo)溫系數(shù)：表示土中某一點在相鄰點溫度變化的作用下改變自身溫度的能力。在數(shù)值上等于巖土導(dǎo)熱系數(shù)()與容積熱容量(c.d)的比值。三、凍土的工程性質(zhì)及地基評價(一)季節(jié)性凍土的工程性質(zhì)及地基評價1工程性質(zhì)，凍土作為建筑物地基，在凍結(jié)狀態(tài)時，具有較高的強度和較低的壓縮性或不具壓縮性。但凍土融化后則承載力大為降低，壓縮性急劇增高，使地基產(chǎn)生融陷；相反，在凍結(jié)過程中又產(chǎn)生凍脹，對地基均為不利。凍土的凍脹和融陷與土的顆粒大小及含水量有關(guān)，一般土顆粒愈粗，含水量愈小，土的凍脹和融陷性愈??；反之則愈大。2凍土按凍脹性分類：季節(jié)性凍土的凍脹性按不同

9、土質(zhì)、凍前天然含水量、凍結(jié)期間地下水位距凍結(jié)面的最小距離以及平均凍脹率來劃分凍脹類別，如表2-4-1所示。季節(jié)性凍土的凍脹性分類 表2-4-1土的名稱凍前天然含水量w(%)凍結(jié)期間地下水位距凍結(jié)面的最小距離hw(m)平均凍脹率(%)凍脹等級凍脹類別碎(卵)石，礫、粗、中砂(粒徑小于0.075mm顆粒含量大于15%)，細砂(粒徑小于0.075mm顆粒含量大于10%)w12>1.01不凍脹1.01<3.5弱凍脹12<w18>1.01.03.5<6凍脹w>18>0.50.56<12強凍脹粉砂w14>1.01不凍脹1.01<3.5弱凍脹14&

10、lt;w19>1.01.03.5<6凍脹19<w23>1.01.06<12強凍脹w>23不考慮>12特強凍脹粉土w19>1.51不凍脹1.51<3.5弱凍脹19<w22>1.51.53.5<6凍脹22<w26>1.51.56<12強凍脹26<w30>1.51.512特強凍脹w>30不考慮粘性土wwp+2>2.01不凍脹2.01<3.5弱凍脹wp+2<wwp+5>2.02.03.5<6凍脹wp+5<wwp+9>2.02.06<12強凍脹wp+

11、9<wwp+15>2.02.0>12特強凍脹w>wp+15不考慮注: 1 wp-塑限含水量(%)；w-在凍土層內(nèi)凍前天然含水量的平均值；2 鹽漬化凍土不在表列； 3 塑性指數(shù)大于22時，凍脹性降低一級； 4 粒徑小于0005mm的顆粒含量大于60時，為不凍脹土；5 碎云類土當充填物大于全部質(zhì)量的40%時，其凍脹性按充填物土的類別判斷；6 碎石土、礫砂、粗砂、中砂(粒徑小于0075mm顆粒含量不大于15%)、細砂(粒徑小于0075mm顆粒含量不大于10%)均按不凍脹考慮。(二)多年凍土的工程性質(zhì)和地基評價1按融沉性分級和評價：多年凍土根據(jù)融化下沉系數(shù)0的大小，多年凍土可分

12、為不融沉、弱融沉、融沉、強融沉和融陷五級，現(xiàn)列表2-4-2如下：多年冰凍土融沉性分級 表2-4-2土的名稱總含水量w0 (%)融化下沉系數(shù)0融沉等級融沉類別凍土類型碎石土，礫、粗、中砂(粒徑小于0.075mm顆粒含量不大于15%)W0<1001不融沉少冰凍土W0101<03弱融沉多冰凍土碎石土，礫、粗、中砂(粒徑小于0.075mm顆粒含量大于15%)W0<1201不融沉少冰凍土12<W0151<03弱融沉多冰凍土15<W0253<010融沉富冰凍土W02510<025強融沉飽冰凍土粉砂、細砂W0<1401不融沉少冰凍土14<W0181

13、<03弱融沉多冰凍土18<W0283<010融沉富冰凍土W02810<025強融沉飽冰凍土粉土W0<1701不融沉少冰凍土17<W0211<03弱融沉多冰凍土21<W0323<010融沉富冰凍土W03210<025強融沉飽冰凍土粘性土w0<wp01不融沉少冰凍土Wpw0<wp+41<03弱融沉多冰凍土Wp+4w0<wp+153<010融沉富冰凍土Wp+15w0<wp+3510<025強融沉飽冰凍土含土冰層W0wp+350>25融陷含土冰層注: 1 總含水量 w0包括冰和未凍冰；2 本表不

14、包括鹽漬化凍土、凍結(jié)泥炭化土、腐殖土、高塑性粘土。表中：不融沉土(類土)為除基巖之外的最好的地基土。一般建筑物可不考慮凍融問題。弱融沉土(類土)為多年凍土較良好的地基土。融化下沉量不大，一般當基底最大融深控制在3.0m之內(nèi)時，建筑物均未遭受明顯破壞。融沉土(類土)，作為建筑物地基時，一般基底融深不得大于1.0m。因這類土不但有較大的融沉量和壓縮量，而且，冬天回凍時，應(yīng)采取專門措施，如深基、保溫、防止基底融化等。強融沉土(類土)，往往會造成建筑物的破壞。因此，原則上不允許地基土發(fā)生融化，宜采用保持凍土的原則設(shè)計或采用樁基等。融陷土(類土)，因含有大量的冰，所以不但不容許基底融化，還應(yīng)考慮它的長期

15、流變作用，需進行專門處理，如采用砂墊層等。2場地的選擇：對于重要的一、二級建筑物的場地，應(yīng)盡量避開飽冰凍土、含土冰層地段和冰椎、冰丘、熱融湖(塘)、厚層地下冰、融區(qū)與多年凍土區(qū)之間的過渡帶。宜選擇下列地段：(1)堅硬巖層、少冰凍土及多冰凍土的地段；(2)地下水位或凍土層上水位低的地段；(3)地形平緩的高地。3地基承載力的確定：應(yīng)區(qū)別保持凍結(jié)地基和容許融化地基，結(jié)合當?shù)亟?jīng)驗用載荷試驗或其他原位測試方法綜合確定，對次要建筑物可根據(jù)鄰近工程經(jīng)驗確定。四、凍土地基的設(shè)計與防凍害措施(一)季節(jié)性凍土地區(qū)地基設(shè)計與防凍害措施1設(shè)計原則基礎(chǔ)埋深的確定：對于不凍脹的基礎(chǔ)埋深，可不考慮凍深的影響；對于弱凍脹、凍

16、脹和強凍脹土的基礎(chǔ)最小埋深，可按下式確定： (2-4-1)式中：dmin基礎(chǔ)最小埋深；hmax-基礎(chǔ)底面下允許殘留凍土層的最大厚度，按表2-4-3確定。Zd-設(shè)計凍深，按下式計算。 (2-4-2)式中：Z0標準凍深。系采用在地表平坦、裸露、城市之外的空曠場地中不少于10年實測最大凍深的平均值。當無實測資料時，按建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范附錄F采用；zs土的類別對凍深的影響系數(shù)，按表2-4-4采用；zw土的凍脹性對凍深的影響系數(shù)，按表2-4-5采用；ze環(huán)境對凍深的影響系數(shù)，按表2-4-6采用；建筑基底下允許殘留凍土層厚度hmax (m) 表2-4-3凍脹性基礎(chǔ)形式采暖情況基底平均壓力(kPa)901

17、10130150170190210弱凍脹土方形基礎(chǔ)采暖0.94m0.99m1.04m1.11m1.15m1.20m不采暖0.78m0.84m0.91m0.97m1.04m1.10m條形基礎(chǔ)采暖>2.50m>2.50m>2.50>2.50>2.50m>2.50m不采暖2.20m2.50m>2.50>2.50>2.50m>2.50m凍脹土方形基礎(chǔ)采暖0.64m0.70m0.75m0.81m0.86m不采暖0.55m0.60m0.65m0.69m0.74m條形基礎(chǔ)采暖1.55m1.79m2.03m2.26m2.50m不采暖1.15m1.35

18、m1.55m1.75m1.95m強凍脹土方形基礎(chǔ)采暖0.42m0.47m0.51m0.56m不采暖0.36m0.40m0.43m0.47m條形基礎(chǔ)采暖0.74m0.88m1.00m1.13m不采暖0.56m0.66m0.75m0.84m特強凍脹土方形基礎(chǔ)采暖0.30m0.34m0.38m0.41m不采暖0.24m0.27m0.31m0.34m條形基礎(chǔ)采暖0.43m0.52m0.61m0.70m不采暖0.33m0.40m0.47m0.53m注: 1 本表只計算法向凍脹力，如果基側(cè)存在切向凍脹力，應(yīng)采取防切向力措施。2 本表不適用于寬度小于0.6m的基礎(chǔ)，矩形基礎(chǔ)可取短邊尺寸按方形基礎(chǔ)計算。3 表

19、中數(shù)據(jù)不適用于淤泥、淤泥質(zhì)土和欠固結(jié)土。4 表中基底平均壓力數(shù)值為永久荷載標準值乘以0.9，可以內(nèi)插。土的類別對凍深的影響系數(shù)zs 表2-4-4土的類別影響系數(shù)zs土的類別影響系數(shù)zs粘性土1.00中、粗、礫砂1.30細砂、粉砂、粉土1.20碎石土1.40土的凍脹性對凍深的影響系數(shù)zw 表2-4-5凍脹性影響系數(shù)zw凍脹性影響系數(shù)zw不凍脹1.00強凍脹0.85弱凍脹0.95特強凍脹0.80凍脹0.90環(huán)境對凍深的影響系數(shù)ze 表2-4-6周圍環(huán)境影響系數(shù)ze周圍環(huán)境影響系數(shù)ze村、鎮(zhèn)、曠野1.00城市市區(qū)0.90城市近郊0.95 當凍深范圍內(nèi)地基由不同凍脹性土層組成時，基礎(chǔ)最小埋深可按下層土確定，但不宜淺于下層土的頂面。2防凍害措施：在凍脹、強凍脹、特強凍脹地基上，應(yīng)采用下列防凍害措施：(1) 對在地下水位以上的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)側(cè)面應(yīng)回填非凍脹性的中砂或粗砂，其厚度不應(yīng)小于l0cm。對在地下水位以下的基礎(chǔ)，可采用樁基礎(chǔ)、自錨式基礎(chǔ)(凍土層下有擴大板或擴底短樁)或采取其他有效措施。(2) 宜選擇地勢高、地下水位低、地表排水良好的建筑場地。對低洼場地，宜在建筑四周向外一倍凍深距離范圍內(nèi)，使室外地坪至少高出自然地面300500mm。(3) 防止雨水、地表水、生產(chǎn)廢水、生活