高纬高寒岛状冻土区地基冻土工程性能及治理方案研究

李超凡

摘要：冻土的冻胀特性，当冻土区的温度低于土的冻结温度时，湿土中的水分会向冻结区移动，冰会填充土粒之间的空隙。当土壤中的水冻结成冰时，体积一般会增加9%。当土中水的体积膨胀足以引起土颗粒之间的相对位移时，就会诱发土的冻胀。粗粒土由于排水容易，不容易发生冻胀。随着土壤粒径的减小，冻胀逐渐增大。严重的冻胀是由冻土中未冻水的不断迁移和积累引起的。当负温持续存在，水源和迁移通道充足时，冻胀现象更加严重。本文主要分析高纬度寒岛冻土地区地基冻土的工程性能和处理方案。

关键词：寒区工程；冻土地基；工程特性；地基处理

引言

冻土位于温度为0℃或低于0℃至少两年的岩土层中。北半球永久冻土面积约占陆地表面的24%，季节性永久冻土约占30%。永冻土中有机碳的储量是现在大气中的两倍，其中约12%在近地表的活动层中，其中88%在永冻土中，仅北极地区地下3m以内的土壤碳储量就占全球土壤碳库的30%- 40%。现在，全球变暖导致永久冻土区快速变化。

1、冻土地基的工程特性

冻土地基最明显的特点是对温度非常敏感。特别是，全球变暖给多年冻土的基础带来了明显的变化，这主要影响冻土的结构、强度和特性，即霜冻和解冻的沉降。冰冻状态下冻土地基不可压缩或不可压缩，具有高强度等工程特性。但是，在全球变暖的当前形势下，地基冻土的承载能力下降，压缩性发生了很大变化，地基崩塌，霜冻肿胀。冻结的土壤融化后，内部结构和体积发生了戏剧性变化，土壤在初始应力状态下下沉和变形。在这种情况下，土壤空隙的水被去除，土壤变得稠密。但是，高冰含量基础的冻土融化后，土壤变成了薄土壤，导致基础的大表层化，直接影响基础上层的建筑物。在冻土地区，解冻和霜冻斑块的人口问题严重，因此很难建立项目。冻土是指包括温度在0℃以下和固体水(冰)在内的所有类型的土壤。冻土可以根据冰冻状态下的停留时间分为三类:1.土壤立即冻结，冻结时间不到一个月，通常是几天或几个小时(晚上冻结)，冻结深度从几毫米到几十毫米不等。2.季节性冻土，冻结时间超过一个月，冻结深度从几十毫米到1 ~ 2米不等，是每年冬天冻结，夏天完全融化的定期冻土。3.多年冻土，冰冻状态持续2年以上。在中国，季节性的永久冻土层分布在全国，而永久冻土层主要分布在青藏高原、帕米尔和西部高原(天山、阿尔泰和基利安山)。多年冻土地基的表层经常被季节性冰冻的土壤(或解冻的层)覆盖。结构建立在多年冻土上后，从结构传递到基础上的热量会改变多年冻土土壤的温度，使冻结和解冻逐渐融化，明显降低强度，明显增加可压缩性，从而造成上层结构的破坏或防止正常使用。与随季节冻结的土壤不同，多年冻土埋得很深，密度很大，因此在结构中很难处理，因此需要将其视为特别的基础。

与其他土壤类型相比，冻土的力学性质和变形性质在冰含量上基本不同。冰含量对土壤力学性质有重要影响。随着温度的降低，冰的强度逐渐增加。此外，冰结构的变化也会影响冻土的力学性能。冰的强度也将随应变率的变化而变化，从而改变土壤的特性，这些特性基本上是从可塑性冻结到易碎的质量。所有这些属性都是由冰特性的变化引起的。冻土强度受外部条件如温度和压力的影响很大。随着温度的降低，冻土的强度也越来越强。当加载时间较长时，颗粒之间凝胶会冻结，产生很强的塑性流动性，成为流变性。这将为冻土提供立即强度，但其长期强度将会降低。此外，变形变化也会影响冻土的强度，主要表现出从塑料到脆性的转变。冻土强度也受到有限压力的影响，这是冻土强度不同于其他土壤类型的重要标志。冻土强度呈现出有限压力相反变化的趋势。在高界面压力下，冻土强度随极限压力的增大而减小，而极限压力越低，极限压力降低时冻土强度的提高就越低，而极限压力降低与其他类型土壤的性能完全不同。

2、对《冻土地区建筑地基基础设计 规范》有关规定的分析

2.1基础埋深

地基的埋深是防止建筑物和结构基础遭受冰冻损伤的关键控制指数。《冻土地区建筑地基基础设计规范》对季节性冻土的地基埋深有如下规定:第一，地基的埋深必须比为强冻土设计，冻深大0.25米。第二，对于不结霜的土壤、弱结霜的土壤和结霜的土壤，地基的埋深不能小于设计的结霜深度。第三，对于深季节冻土，地基的底部可以埋在设计的冰冻深度范围内，允许地基保持的冰冻土层的最大厚度可以根据《冻土地区建筑地基基础设计规范》的附录C，确认地基在霜冻作用下的稳定性。季节性冻土是指按照规定冻结深度在2米以上的冻土，可以确认地质工程调查报告中的最大冻结土壤深度。地下冻结土层的最大允许厚度是用复杂比例和较差的快速检查冻结土壤配比计算的，因此可以直接在《冻土地区建筑地基基础设计规范》附录G中找到。

2.2基础选型

根据季节不同，场地冻土基础的选择应根据建筑物类型、上部结构性能和冻土基础的工作条件综合确定。主要分以下几类:一是浅基础。冻土区浅基础结构应根据《冻土地区建筑地基基础设计规范》附件c的规定，在冻胀的作用下检查基础的稳定性。第二，桩基。根据季节不同，冻土桩基应改善桩基抗冻性和桩体承载力。桩基可以隔离上部结构与冻土之间的直接接触，也可以固定深度的土层穿透冻土表面，这是冻土地段建筑物常用的基础选择。第三，悬置通风的基础。基础是，建筑物由桩和柱子升起，以隔离地面，一层通风道或指定的绝缘平台被埋深，这样，建筑物就不能直接接触地面，冻结的土质基础可以保持冻结，而不会提高初始温度。

3、冻土地基施工要点

3.1工程防护

受工程实践水平限制的以下两种建设方法主要用于永久冻土地区的我国建设项目建设过程:工程保护和永久冻土重建。首先，施工人员可以应用上部通风基础。特别是，可以基于柱子和木桩将建筑物与地表分离，然后通过给定隔热层的侧面，防止建筑物与地球表面直接接触。冻土地基的初始温度不会改变，其稳定性不会自然下降。该方法的优点主要体现在冬季和夏季，冬季通过领空流动的冷空气将进一步冻结地面基础。放置的隔热哑光层经常用泡沫或土工织物制成，两者都具有卓越的刚性和防潮特性。实践表明，防潮性能差的材料在使用时不能充分发挥隔热材料的作用。第二，热桩和桩基在施工过程中使用较为频繁。热桩作为特殊桩的一种，其功能是通过强制循环冷却分散冻土的热量，降低土壤内部温度，改善冻土地基，避免冻土融化引起的霜胀和沉降等问题。因此，基础的稳定性得到有力的保证。桩基的作用主要体现在两个方面:第一，避免建筑物与冻土的直接接触；二是提供铺设隔热层的空间。正因为如此，桩基被广泛用于冻土上的基础建设。

3.2冻土改造

在建筑施工方面，冻土的危险通常表现在冻结、融化和下沉等方面。冻土的问题因此包括建筑物被淹没或倒塌。冻土改造的目的主要是防止冻土状态的变化，消除冻土的独特特性，如融化、下沉和膨胀，从根本上消除危险损伤的原因，保证正常施工。最近，采用了高频方法来改造多年冻土，包括物理化学方法和替代方法。基于霜冻的根源，物理方法通过交换盐和阳离子影响冻土的基本规律。具体而言，它是将可溶性无机盐整合到冻土层中，以抑制地球对水的亲和力，避免大量水的积累。与替换法相比，物理法的优点主要体现在成本低、操作简单。替代方法是用非冻土代替冻土。常见的不冻土壤，包括砂砾和粗砂，将逐渐降低土壤基本上冻土地基的抗冻性能。此外，为了确保更换方法的有效性，操作员也可以根据情况使用排水措施。在冻土地基沉降防治方面，效果优良的方法与替代方法相似。特别地，粗硬土壤颗粒可以被选择来替换和填充冰土层和富含冰的土层，所以解冻的土层沉积可以被直接去除。

3.3架空通风基础

上部通风基础是通过桩或柱从地球表面抬出建筑物和道路，然后埋通风管道或铺设隔热垫片，使建筑物和道路不能直接与地面表面接触，最后达到不破坏冻结地面基础的结构、不改变原始温度的目标。为了保持稳定性。对于最常见的建筑物，架空的间距距离必须大于1.2米；对于大型建筑物，间距距离也必须增加。但是，对于道路，不仅要综合考虑空气管道的土壤和路面的负荷，而且要综合考虑动态负荷对道路开放后通过空气管道的交通的影响，采用高强度、高硬管道，选择头部以上适当的间隙高度。冬天，地基的通风应以自然通风为基础。如果自然通风不能满足散热要求，可以采用强制通风。

3.4粗颗粒土垫高地基

土壤粗颗粒土是指用来填充基础的粗颗粒土，因为粗颗粒土具有强度高、变形小、结构简单的特点，可以满足建筑荷载对地层强度和变形的要求。在年平均温度低于0℃的多年冻土地区，通常使用粗土来提升基础。土质垫层的粗糙基础可以提供施工所需的工作面和光滑区域，更重要的是，它可以防止原冻土基础的热量导出，保证冻土状态的稳定。

3.5桩基础

桩基可分为高桩承台和低桩承台桩基，桩基是一种基础形式，在冻土地段使用比较广泛。桩基不能相互接触，因为有可能将冻土直接与道路基础分开，所以，我们可在隔离空间内安装铺设保温器。桩一般可分为木桩、钢桩、钢管桩、预制钢筋混凝土桩和钻孔灌注桩。

3.6施工工艺

首先，在建造之前，必须选择钻井设备。根据施工现场的具体条件，选择合理的钻井设备。然后，在桩基施工过程中，应用旋转钻机的成孔技术，确保正常施工，防止对施工进度的影响。那么，在建设之前就准备好了。适当的准备可以使施工进度更顺利。首先，不仅要测量和绘制，还要明确每个桩的位置和挖掘所需的深度。允许的误差范围为≤5厘米，可以保证结构的安全。还可以建立适当的保护措施，以便于检测每个桩的高度和中心。为了尽量减少现场钻孔的影响，可以采用充填代替开挖的方法，并根据设计要求埋到一定深度，然后将剩余油层应用于表面，防止外部腐蚀。施工完成后，在施工现场保持温控，减少桩基上冻土的拉力，减少外部表面对水的依附作用。然后把钻井设备放回原位。钻机采用钻孔前调整到正确位置的自动系统，车架杆垂直调整，以减少钻机杆的晃动。当钻孔设备就位时，就钻孔。在钻探过程中不断观察土壤的特性，然后使用适当的钻头。旋转钻井设备是将旋转钻头切割到地面上，然后挤压钻头头，将土壤挤出料斗，最后抬起地面表面，装载到卡车上运输。

3.7冻土地区不良地质处理措施

冻土不良地质条件的防治目的是通过改变冻土的自然状态来消除危险源，以避免危险。在工业上，经常踩在冻土地基上，但这种方法有很大的局限性。结构所有者应采取的措施:抬高基础，强制循环冷却桩和通风基础。高基础要求场地平整，因此不平衡产生的热量可以在冻土地基上实施，从而保证冻土状态的稳定性。制作坚固的循环冻结桩可利用桩基将冻土与道路基础分开，并铺设绝缘层，防止冻土地基的有害危害。基础通风应以自然通风为主要因素，并辅以强制通风，综合考虑地下和柏油路的负荷。通过对这些措施的比较，可以看出通风基础的使用较为广泛，而且可以操作。还需要采取预防措施，如热狗技术、绝缘材料以及热狗和绝缘材料的组合。

3.8按“保持冻结状态”的原则进行基地处理

多年冻土作为基础的寒冷地区的结构损伤主要是由于使用的结构中热量的释放导致的冻土地基的融化和退化造成的。根据“保持冻结状态”的原则，不仅可以克服冻土的融化和下沉，还可以利用冻土材料的强度高于融化土壤的特性。根据这一原则，主要有以下基础处理方法:(1)桩基方法。在设计桩基时，要考虑霜张力的切向力的影响和层季节性融化的正常冻结力的影响，最好使其成为上部通风基础。(2)枕头方法。为了保存地基土的冰冻状态，防止永久冻土的上限下降，还可以使用碎石、碎石等作为枕头材料，设计足够厚的枕头，然后在上面建造结构。(3)通风的主要方法。通风基础包括空气通风基础和管道通风基础。上通风基础是指在结构的第一层的自然基座和下一层之间保持一定通风高度的下结构。对大多数结构来说，头部上方的间隙距离必须至少为0.6米，对大型结构来说，头部上方的空间必须适当增加。因此，在夏天，地基的土层由于上部结构的遮光效果而不易融化，冬天，地基的土层可能会因地面空间冷空气的循环而进一步冻结。通风基础包括在结构的底部使用非冻结碎石，将通风管道埋在其中(通风管道应对应当地风向的主导方向)，冬季使用自然通风，可以保持地基土的冻结。夏天，通风管道的十字路口可能会被切断，以防止热空气流入，从而达到保持热量的目标。(4)热管基座法。热管是气液异常对流循环的导热系统。它实际上是一种密封真空的管子，有毛细管多孔Wick或螺旋导线和一定量的工作流体(也称为工作介质，如氨、氟利昂、丙酮等)。地面上热管的一部分是冷凝部分(由放射针组成)，插入地下的部分是蒸发部分。当局部温度高于空气温度(蒸发部分的温度高于冷凝部分的温度)时，蒸发部分毛细管开口处的液体工作介质吸收热量并蒸发到蒸汽工作介质中。由于压力差异，蒸汽上升到冷凝段，释放出潜在的蒸发热，然后通过冷凝段的冷却销消散。在这种情况下，蒸汽工作介质冷却后冷却为液体，受重力影响，液体沿管道壁流回蒸发部分，因此前后循环传递热量并吸收寒冷。上述气液异常对流循环过程是连续的。只有当蒸发部分的温度低于冷凝部分的温度(例如夏天)时，这些对流循环过程才会停止，热管也会停止工作。这样，热管可以有效地在地下输送和储存冷量，有效地防止热量向下移动。是一种高效的热传导装置，可以控制传热。它的优点是传热的明显方向性和长冻结时间，可以在没有额外能量的情况下自行操作。因此，热管在多年冻土地基的稳定性处理中具有很高的应用价值，这在技术上和理论上都是可行的。不仅可以降低地基土的温度，提高地基冻土的防御能力，还可以有效防止霜冻和融化的沉降。 （5）人工冻结法。人工冻结法是将冻结管插入土中，利用人工冷却液在冻结管中循环来冻结土层。盐水或液氮可用作冷却液。这种方法的原理类似于热管，区别在于人工制冷和自然冷能。人工冻结法已广泛应用于凿井和基坑支护中。它的优点是可以快速重新冻结地基，从而保持冻土地基的稳定，缺点是造价高。

结束语

通过调查可以发现，冻土在山顶和低温的其他地区很常见。冻土作为温度敏感的土壤对工程建设的影响应引起建筑工人的重视冻土的状态包括融化、冻结、冷冻等。即使含水量和材料组成保持不变，工程建设在不同冻土地区的重点也往往不同。因此，在施工过程中，施工人员应优先消除冻土变形带来的风险，并根据工程特点制定相应的预防措施，以保证施工质量和效率。

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