A. 如何預防建築物基礎的凍害
一般來說建築物的基礎指地下部分,即通過它把建築物本身的重量和作用在建築上的荷載傳遞給地基。地基基礎施工的好壞,會直接影響建築物的安危,如果地基的重要性被忽視,就會引起建築物的不均勻沉降,導致建築物出現裂縫,影響建築物的使用安全。類似的例子屢見不鮮。
在季節性凍土地區建造房屋,假如基礎埋置較淺,荷載也較小,地基土凍脹及融蝕作用,使建築物產生不均勻的變形而引起凍害,輕者出現裂紋,重者不能正常使用,使國家財產受到損失,人民生活受到影響。因此摸清凍害原因,找出防治的方法,確保建築物安全使用是建築中一個需要解決的問題。
1 土凍害的危害
土壤的凍結速度,一般說來是凍結速度快、凍脹量小;凍結速度慢,凍脹量大。這是因為凍脹量與水分轉移補給條件有關;當凍結速度較快時,其下層中的水分還來不及向上轉移補給就凍結了,因此凍脹量就笑,反之凍脹量就打。地下水位距基土的距離是基土凍脹時水分轉移的補給條件,距離越近地下水的補給條件越充分,轉化成冰的水分也就越多。因此,地基土的凍脹性也就越強烈。地基土凍融對建築物的破壞作用,表現在兩個方面。一方面是地基凍脹時,使房屋上升,這種上升是由於切向凍脹力和垂直凍脹力的作用所引起的;另一方面則是次年春天地基解凍時所引起的不均勻沉降。這種升降作用造成牆壁裂紋。牆面抹灰層剝落、特別是外牆及門窗邊處出現裂紋縫,地板、天棚隆起、門斗、台階變形,甚至房屋損壞。
在房屋凍害方面,常見的破壞現象有:
1.1 基礎拉斷:這種情況對不採暖的輕型結構的基礎經常可能發生,如倉庫基礎、圍牆基礎等。
1.2 台階隆起,門窗歪斜:我市部分居民住宅,每到冬天,由於台階隆起,外門不易開關。來年開凍以後,台階又回落,經多年起落,變形不斷增加,出現不同程度的沉落和傾斜。由於內外牆變形不一,常使門窗變形,壓碎玻璃。
1.3 外牆因凍脹抬起,內牆不動,天棚與內牆分離。這種情況發生在採暖房間,因內牆與外牆不連接,天棚是支承在外牆上的,當天棚隨外牆因凍脹抬起時,天棚與內牆分離,最大的可達10-20mm。
2 地基土凍害原因分析
凍土是指具有負溫或零溫,並且含有冰的各種土。僅有負溫或零溫,但不含冰的各種土則稱為寒土;冬季凍結,夏季融化的土層稱為季節性凍土。水分、土質和負溫是地基產生凍脹的三要素。存在於土粒礦物的晶體格架內部或是參與礦物構造中的水,稱為礦物內部結合水,它只是在比較高的溫度(80-680攝氏度,隨土粒的礦物成分不同而異)下才能化為氣態水而與土粒分離,從土的工程性質上分析可以把礦物內部結合水當作礦物顆粒的一部分。
存在於土中液態水可分為結合水和自由水。結合水是指受電子吸引力吸附於土粒表面的土中水,由於土粒(礦物顆粒)表面一般帶有負電荷,圍繞土粒形成電場范圍內的水分子和水溶液中的陽離子一起吸附在土粒表面,由土粒中的電荷與水溶液中的電荷相互作用而形成的結合水層,因相互作用力的不同又分為固定層和擴散層,固定層內的水分被稱為強結合水,而擴散層內的水分被稱為弱結合水。
自由水是存在於土粒表面電場影響范圍以外的水,其性質和普通水一樣,能傳遞靜水壓力,冰點為零攝氏度,有溶解能力。自由水按其移動所受作用力的不同,可以分為重力水和毛細水;重力水是存在於地下水位以下的透水土層中的地下水,它是在重力或壓力差作用下運動的自由水,對土粒有浮力作用;毛細水是受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。
土質狀況是影響凍脹的又一重要因素。一般情況下,岩石、碎石土、砂礫,粗砂、中砂、細砂是非凍脹性地基土,這是由於岩石中不含有結合水(非礦物內部結合水)和自由水,形成凍脹的三要素中的水不存在;碎石土、砂礫等則屬於大顆粒土因無法形成聚變冰現象,也無凍害影響。粉砂、粉土、粘性土則按天然含水量的不同,以及地下水位的高低而分為不凍脹、弱凍脹、凍脹和強凍脹不同的類別。
負溫度則是水分凍結,產生凍脹的必不可少的要素。
下面我們就討論一下土體的凍脹。在負溫度下土體內的自由水和弱結合水先後凍結,形成一個凍結鋒面,當土體中弱結合水凍結,水膜厚度減薄,它就與下層相鄰的較厚水膜之間產生吸附力梯度,受壓力差的驅使水分便從附近較厚的水膜處遷移上來,並使之附在冰晶上繼續凍結,這樣持續下去即是土中水向凍結前緣的流動,也即是水分遷移。在無地下水時(封閉系統)水分遷移是有限的,當地下水位較高,並能源源不斷地補給時(開敞系統)凍脹量可達很大數值。土的凍結過程中由於水分遷移,在凍結界面聚冰,形成冰夾層與冰透鏡體,水在形成冰的相變過程中,體積膨脹9%,在緊密接觸的兩個顆粒之間,楔入冰層,則有效壓力轉換成了從一個顆粒通過冰夾層再傳到另一個顆粒的間接傳遞的凍脹力,凍脹力產生的過程就是有效壓力消失,代以冰的膨脹力的內力重分布過程,凍結界面上的冰層面積越多,冰脹力就越大,最終導致凍層膨脹,地面隆起。由此可見,凍脹的大小主要與土體內的含水量和地下水位有關系,含水量越大、地下水位越高,越有利於聚冰和水分遷移。另外土凍結面處的負溫梯度也是影響凍脹的主要因素,負溫梯度越大,越有利於水分遷移,凍結速度越快遷移水量越多,凍脹也越強烈。
3 防止凍害的措施
一般情況下,根據要求確定基礎最小埋深後,首先了解凍層的深度。基礎埋置在暖土層上,建築物就不會出現凍害。為了保證建築物免受凍害,還應採取一些必要的防凍措施。
3.1 選擇合理的基礎形式:在凍深大,土凍脹性較強的地基上,一般應採用獨立墩式基礎、樁基礎等。因為墩式基礎荷重較大,有利於減少基礎的凍脹變形,而且又減少與土的接觸面積,對消除凍切力較為有力。
3.2 砂墊層:在季節性凍土地區常用砂墊層換掉部分凍脹土,實踐證明效果較好。它的一般做法是:砂墊層層底的深度應滿足基礎最小埋深的要求。
3.3 基礎側面防凍切力的措施:對標准凍深大於2米的採暖建築物,除滿足基礎最小埋深外,還必須考慮凍脹的凍切力和對基礎的側面作用,可在基礎側面回填粗砂、中砂、爐渣等防脹性材料,以減少凍切力的作用。當基礎梁下有凍脹土時,應在梁下填以爐渣及鬆散材料,並留有一定的空隙,以防止土凍脹將基礎梁供裂。
3.4 施工和使用方面應注意的問題 在基礎施工期間,一定不能使地基土受凍,做到隨挖、隨回填。在基礎施工時,應按施工操作規程和驗收規范施工,防止施工和使用期間的雨水、地表水、生產廢水和生活污水侵入地基,做好排水設施。有採暖設計的房間,如凍前不能交付使用時,應對地基採取保溫等相應的措施。
地基基礎問題是工程建設中最復雜的問題之一。構成地基材料的土,往往不能按著人們的願望,像用其他建築材料那樣可以自由選擇,不可能將建築物都建在理想的地基上。由於土類繁多,各種土質差異很大,就是同一棟建築物也可能坐落在性質差別很大的地基土上。這就要求我們努力研究地基土與上部結構的相互關系,提出地基基礎設計理論的施工方法,使之安全可靠,經濟合理,技術先進,便於施工。
B. 凍土處理技術
凍土是指溫度在0℃以下，其中含有冰的各種土。季節性凍土是指該凍土在冬季凍結、夏季融化的土層。多年凍土或永凍土是指凍結狀態持續3年以上的土層。在我國，季節凍土遍布全國，而多年凍土主要分布在大、小興安嶺，青藏高原及西部高山等地，約占國土面積的22％。
凍土處理技術是隨著凍土地區經濟發展的需要而發展起來的，其目的是為了確保凍土地區工程建築物的安全和正常使用。一般來說，凍土地基問題主要包括以下兩方面的內容。
1）凍脹引起的破壞問題：凍脹是指土體凍結過程中，土中水分凍結成冰，並形成冰層、冰透鏡體、多晶體冰晶等形式的冰侵入體，引起土顆粒的相對移動，使土體產生不同程度的擴張現象。凍脹的外觀表現是土體表面不均勻的升高，凍脹變形常常可以形成凍脹丘及隆起等地形。在季節性凍土區和多年凍土區，由凍脹引起破壞的事例屢見不鮮。
2）融沉引起的地基穩定性問題：融沉又稱熱融沉陷，是指由於自然或人為因素改變了地面的溫度狀況，引起季節融化層的深度加大，導致地下冰或多年凍土層發生局部融化，上部土層在自重和外部營力作用下產生沉陷。此外，還可出現熱融滑坍、融凍泥流等，造成邊坡破壞，這些都是不利於工程建築物安全和正常運營的條件。
在凍土區修建建築物，除要滿足非凍土區建築物所要滿足的強度與變形條件外，還要考慮以凍土作為建築物地基時，其強度隨溫度和時間而變化的情況。所以，採取什麼樣的防凍脹和融沉措施來保證凍土區建築物地基的穩定，是關繫到凍土區工程建設成敗的關鍵。
1.多年凍土區的地基處理措施
在我國多年凍土地區，多年凍土的分布一般不具連續性，所以建築物的平面布置具有一定的靈活性。一般來說，在堅硬凍土地區和高震級地區，採用保持凍結狀態進行設計是經濟合理的。如果地基土融化時，其變形不超過建築物的容許值，且採用保持凍結狀態又不經濟時，應採用逐漸融化狀態進行設計。但是，當地基土的年平均氣溫較高（不低於－0.5℃），且處於塑性凍結狀態，採用保持凍結和逐漸融化的設計方案都不經濟時，宜採用預先融化狀態進行設計。對一棟建築面積很小、基礎相連或很近的正常建築物來說，是沒有辦法將地基土分成凍結與不凍兩個穩定部分，所以此時應採用同一種設計狀態。
在下列情況之一時，可採用保持凍結狀態原則進行設計：
1）多年凍土的年平均氣溫低於－1.0℃的場地；
2）持力層范圍內的地基土處於堅硬凍結狀態；
3）最大融化深度范圍內，存在融沉、強融沉、溶陷性土及其夾層的地基；
4）非採暖建築或採暖溫度偏低、佔地面積不大的建築物地基。
在下列情況下應採用逐漸融化狀態進行設計：
1）多年凍土的年平均地溫為－0.5～1.0℃的場地；
2）持力層范圍內的地基土處於塑性凍結狀態；
3）在最大融化深度范圍內，地基為不融沉或弱融沉性土；
4）室溫較高、佔地面積較大的建築或熱載體管道及給排水系統等對凍層產生熱影響的地基。
為控制地基土的變形，可根據需要採用不同的地基處理措施和結構設計方法。多年凍土區常用的地基加固方法見表4－5。在選用地基處理方法時，應力求做到安全實用、確保質量、經濟合理、技術先進。同時，由於我國地域遼闊，多年凍土區的水文地質、工程地質條件千差萬別，各地的施工機械條件、技術水平、經驗積累都不盡相同，所以在選用地基處理方法時還要因地制宜，有效利用當地條件，充分發揮各地的優勢。
表4－5 多年凍土區常用的地基加固方法
續表
2.季節性凍土區的地基處理措施
季節性凍土區的鐵路、公路、工業與民用建築等都普遍存在嚴重的凍害問題。例如，鐵路、公路的路基常由於不均勻凍脹及融沉作用而不平坦，路面產生裂縫，凍結層春季融化，產生翻漿、冒泥等現象，有時中斷交通。季節性凍土區的地基處理措施可歸納為兩類：以清除或削減凍融為目的的地基處理措施和以增強建築物抵抗和適應凍融變形能力為主的結構措施。
（1）地基處理措施
通過對凍融產生的基本條件及影響因素的分析認為，凍土的土質、水分（包括外界補給水）和土中負溫值是產生凍融的基本要素，因此，只要消除其中一個因素，就可清除或削弱土體的凍融，實際工作中常採用換填法、保溫法和排水隔水法等措施。
1）換填法：採用粗砂、礫石等非（弱）凍脹性材料置換天然地基的季節性凍土，以削弱或基本消除地基土的凍融，其效果與換填深度、換填料的粉粘粒含量、換填料的排水條件、地基土質、地下水位以及建築物適應不均勻凍脹變形的能力等因素有關。在採取換填法處理時，應根據建築物的具體情況、地基土質及地下水位情況，確定合適的換填深度和控制粉粘粒的含量。在有條件的情況下，還應做好換填層的排水。
2）保溫法：在建築物基礎底部或四周設置隔熱層，增大熱阻，以推遲地基土的凍結、提高土中溫度、減少凍結深度，進而起到防凍脹的一種方法。可以用來隔熱的材料相當多，例如草皮、樹皮、爐渣、土塊、混凝土、玻璃纖維、聚苯乙烯泡沫等，在某些條件下，土、冰、雪、柴草等也可作為隔熱材料。近年來，由於各種人造材料的發明，保溫法的應用范圍越來越廣，涉及道路、工業與民用建築及水利工程等領域。
3）排水隔水法：通過隔斷補給水源和排除地表水等措施，降低地下水位及季節凍層范圍內土體的含水量，從而降低土的凍脹。但是，排水和隔水的方法應結合工程運用條件、工程地點的土質及水文地質條件進行選擇，否則，不但起不到防凍害的效果，反而會給工程造成危害。
（2）結構措施
除上述地基處理措施外，還可根據建築物的重要程度、運行年限及結構特點等採用不同的設計原則和防凍害的結構措施。對於以墩、樁為基礎的橋梁、渡槽及其他重要建築物，應保證建築物在凍脹或融沉作用下不產生變形，所以常採用深基礎或各種形式的錨固基礎。對於工業與民用建築中的平房、低層樓房和農田水利工程中的小型涵洞、小型水閘、引水渠道等建築物來說，為了節省投資，可採用淺埋基礎，並採取一定的結構措施，增強其適應不均勻凍脹變形的能力。目前，在寒冷地區，主要採用柔性結構、增加結構的剛度和整體性及合理分割結構、設置變形縫等3種措施增強建築物適應不均勻變形的能力。此外，還可採用迴避性的結構措施，即在建築物的形式選擇、總體布置及結構形式等方面採取措施，避開不利的凍脹條件。迴避性的結構措施主要有架空法、埋入法和隔離法3種。
在實際工程中，需要結合建築物的等級、要求、地基條件及當地材料等具體情況確定宜採取的防凍脹措施。比如，建在弱凍脹或中等凍脹土地基上允許凍脹變形的小型建築物，可考慮採用單一的消除、削減凍脹的處理措施，將凍脹引起的建築物變形控制在允許范圍之內。但在強凍脹土地基上修建不允許變形或允許凍脹變形很小的建築物時，只採用單一的消除、削弱凍脹的處理措施，可能難以達到防治凍害的目的，而且在經濟上也往往是不合理的，在這種情況下，宜採取綜合防治措施，即以一種措施為主，同時配合其他一種或幾種措施。
小 結
本章的學習重點是岩溶塌陷、地面沉降、地裂縫、采空塌陷、礦井突水、瓦斯爆炸和岩爆等地質災害防治工程的設計與施工，以及濕陷性黃土、軟土、膨脹土、鹽漬土、紅粘土、凍土等特殊土的處理技術，難點是岩溶塌陷、地面沉降、地裂縫、采礦塌陷、礦井突水等災害的防治工程設計。岩溶地區因岩溶發育的不均一性，使得防治岩溶塌陷災害的難度較大、成本較高，對於一般工程可以考慮採用強夯、跨越等方法處理，但對於重要工程，應採取樁基、灌注填充等方法處理；在地面沉降區，除採取必要的措施控制地面沉降發展外，擬建工程一般應有適度的沉降量預留；地裂縫災害的防治多以避讓為主，或採取一定的結構措施減輕災害損失；礦山與地下工程地質災害重在預防，在編制開發利用方案或施工方案時，應針對可能出現的地質災害，採取合理的開采方式或施工方法，圍岩支護、留足保安（或防水）礦柱；在工程實踐中，特殊土如濕陷性黃土地區出現的地基沉陷、地面開裂，軟土地區的過量沉降、側向滑移，凍土地區的凍脹、融沉以及邊坡滑坍等災害危及工程建設的案例很多，工程建設時對特殊土地基加固的設計和施工顯得尤為重要。
復習思考題
1.岩溶災害的處理措施有哪些？
2.強夯加固的原理是什麼？具體如何實施？
3.灌注填充法如何設計？
4.岩溶地區樁基如何設計？
5.地面沉降有哪些防治措施？
6.什麼條件下可以採用人工回灌對地面沉降進行治理？人工回灌治理方法有哪些？
7.人工回灌中應該注意的問題有哪些？如何解決？
8.人工回灌地下水設計及實施步驟有哪些？
9.在地面沉降地區為什麼要進行防洪排澇？如何實施？
10.地裂縫的防治措施有哪些？
11.針對地裂縫上已有建築物，如何布設減災工程？
12.生命線工程如何避免地裂縫災害？
13.如何確定塌陷盆地的最大塌陷深度？
14.防治采礦塌陷的井下技術措施有哪些？
15.礦井突水前有哪些「徵兆」？如何識別礦井突水水源？
16.礦井突水的防治措施有哪些？
17.如何確定安全防水岩柱厚度？
18.簡述礦井注漿堵水的工作程序。
19.防止瓦斯爆炸和岩爆的措施有哪些？
20.濕陷性黃土、軟土、凍土地基的處理方法有哪些？
C. 冬季施工中最應注意什麼問題
第一，用復膠方面。因為冬制天天氣乾燥，像吊頂、牆體上漆、封裝上用到膠的地方就會容易凍結。雖然這個時候不會因此脫落，但是水分凍住嚴重的話會影響到施工的過程。所以在冬季裝修的時候要注意在5攝氏度的室溫下使用膠，保證溫度變的非常的重要。施工完成後也不要因為寒冷而把門窗關閉，通風還是必須的。
其次，油漆。油漆也是水分比較大的東西，所以也會受到寒冷天氣的影響。預防的方法是可以重復刷三次漆，不過要注意的是，每每刷一次漆都要等到前面的漆面干透了再刷；否則會引起牆面脫落，起泡等現象，所以一定要耐心的等待，不能為了趕工啊隨意的刷漆影響了質量。
最後要注意的是鋪地板不能倉促著急。地板買回來的時候需要在家裡放置個一兩天，畢竟室外溫度和室內的溫度還是有差別的，為了防止熱脹冷縮，應該讓木材先適應了家裡的溫度才行，這樣就能防止因為溫差太大而使得地板變形，裂開等等。友情提示一下，冬天鋪地板的時候間隙可以留的比往常大一些，來防止夏天溫度太高而引起的膨脹。