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浅析建筑物的冻害产生原因及预防措施
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内容提示：我国的冻土分布较广,约占总面积的75%,其中多年冻土仅为21.5%。作为地处我国最北端的黑龙江省冬季气候寒冷,季节性冻土的标准冻深大部分超过了1.8m,如果设计不合理、施工不得当,地基土的冻胀很容易使建筑物产生较大的破坏。因此,建筑物必须有坚固、耐久的基础,基础的质量是极为重要的。本文根据北方冻害出现的常见现象,从土的工程性质、土质状况、温度等原因进行分析,并从四个方面针对不同情况提出防治措施。
我国的冻土分布较广，约占总面积的 75%，其中多年冻土仅为21.5%。作为地处我国最北端的黑龙江省冬季气候寒冷，季节性冻土的标准冻深大部分超过了 1.8m，如果设计不合理、施工不得当，地基土的冻胀很容易使建筑物产生较大的破坏。因此，建筑物必须有坚固、耐久的基础，基础的质量是极为重要的。（参考《建筑中文网》）
一般来说建筑物的基础指地下部分，即通过它把建筑物本身的重量和作用在建筑上的荷载传递给地基。地基基础施工的好坏，会直接影响建筑物的安危，如果地基的重要性被忽视，就会引起建筑物的不均匀沉降，导致建筑物出现裂缝，影响建筑物的使用安全。类似的例子屡见不鲜。
在季节性冻土地区建造房屋，假如基础埋置较浅，荷载也较小，地基土冻胀及融蚀作用，使建筑物产生不均匀的变形而引起冻害，轻者出现裂纹，重者不能正常使用，使国家财产受到损失，人民生活受到影响。因此摸清冻害原因，找出防治的方法，确保建筑物安全使用是建筑中一个需要解决的问题。
1 土冻害的危害
土壤的冻结速度，一般说来是冻结速度快、冻胀量小；冻结速度慢，冻胀量大。这是因为冻胀量与水分转移补给条件有关；当冻结速度较快时，其下层中的水分还来不及向上转移补给就冻结了，因此冻胀量就笑，反之冻胀量就打。地下水位距基土的距离是基土冻胀时水分转移的补给条件，距离越近地下水的补给条件越充分，转化成冰的水分也就越多。因此，地基土的冻胀性也就越强烈。地基土冻融对建筑物的破坏作用，表现在两个方面。一方面是地基冻胀时，使房屋上升，这种上升是由于切向冻胀力和垂直冻胀力的作用所引起的；另一方面则是次年春天地基解冻时所引起的不均匀沉降。这种升降作用造成墙壁裂纹。墙面抹灰层剥落、特别是外墙及门窗边处出现裂纹缝，地板、天棚隆起、门斗、台阶变形，甚至房屋损坏。
在房屋冻害方面，常见的破坏现象有：
1.1 基础拉断：这种情况对不采暖的轻型结构的基础经常可能发生，如仓库基础、围墙基础等。
1.2 台阶隆起，门窗歪斜：我市部分居民住宅，每到冬天，由于台阶隆起，外门不易开关。来年开冻以后，台阶又回落，经多年起落，变形不断增加，出现不同程度的沉落和倾斜。由于内外墙变形不一，常使门窗变形，压碎玻璃。
1.3 外墙因冻胀抬起，内墙不动，天棚与内墙分离。这种情况发生在采暖房间，因内墙与外墙不连接，天棚是支承在外墙上的，当天棚随外墙因冻胀抬起时，天棚与内墙分离，最大的可达 10- 20mm。
2 地基土冻害原因分析
冻土是指具有负温或零温，并且含有冰的各种土。仅有负温或零温，但不含冰的各种土则称为寒土；冬季冻结，夏季融化的土层称为季节性冻土。水分、土质和负温是地基产生冻胀的三要素。存在于土粒矿物的晶体格架内部或是参与矿物构造中的水，称为矿物内部结合水，它只是在比较高的温度（80- 680 摄氏度，随土粒的矿物成分不同而异）下才能化为气态水而与土粒分离，从土的工程性质上分析可以把矿物内部结合水当作矿物颗粒的一部分。
存在于土中液态水可分为结合水和自由水。结合水是指受电子吸引力吸附于土粒表面的土中水，由于土粒（矿物颗粒）表面一般带有负电荷，围绕土粒形成电场范围内的水分子和水溶液中的阳离子一起吸附在土粒表面，由土粒中的电荷与水溶液中的电荷相互作用而形成的结合水层，因相互作用力的不同又分为固定层和扩散层，固定层内的水分被称为强结合水，而扩散层内的水分被称为弱结合水。
自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的水，其性质和普通水一样，能传递静水压力，冰点为零摄氏度，有溶解能力。自由水按其移动所受作用力的不同，可以分为重力水和毛细水；重力水是存在于地下水位以下的透水土层中的地下水，它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用；毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。
土质状况是影响冻胀的又一重要因素。一般情况下，岩石、碎石土、砂砾，粗砂、中砂、细砂是非冻胀性地基土，这是由于岩石中不含有结合水（非矿物内部结合水）和自由水，形成冻胀的三要素中的水不存在；碎石土、砂砾等则属于大颗粒土因无法形成聚变冰现象，也无冻害影响。粉砂、粉土、粘性土则按天然含水量的不同，以及地下水位的高低而分为不冻胀、弱冻胀、冻胀和强冻胀不同的类别。负温度则是水分冻结，产生冻胀的必不可少的要素。
下面我们就讨论一下土体的冻胀。在负温度下土体内的自由水和弱结合水先后冻结，形成一个冻结锋面，当土体中弱结合水冻结，水膜厚度减薄，它就与下层相邻的较厚水膜之间产生吸附力梯度，受压力差的驱使水分便从附近较厚的水膜处迁移上来，并使之附在冰晶上继续冻结，这样持续下去即是土中水向冻结前缘的流动，也即是水分迁移。在无地下水时（封闭系统）水分迁移是有限的，当地下水位较高，并能源源不断地补给时（开敞系统）冻胀量可达很大数值。土的冻结过程中由于水分迁移，在冻结界面聚冰，形成冰夹层与冰透镜体，水在形成冰的相变过程中，体积膨胀 9%，在紧密接触的两个颗粒之间，楔入冰层，则有效压力转换成了从一个颗粒通过冰夹层再传到另一个颗粒的间接传递的冻胀力，冻胀力产生的过程就是有效压力消失，代以冰的膨胀力的内力重分布过程，冻结界面上的冰层面积越多，冰胀力就越大，最终导致冻层膨胀，地面隆起。由此可见，冻胀的大小主要与土体内的含水量和地下水位有关系，含水量越大、地下水位越高，越有利于聚冰和水分迁移。另外土冻结面处的负温梯度也是影响冻胀的主要因素，负温梯度越大，越有利于水分迁移，冻结速度越快迁移水量越多，冻胀也越强烈。
3 防止冻害的措施
一般情况下，根据要求确定基础最小埋深后，首先了解冻层的深度。基础埋置在暖土层上，建筑物就不会出现冻害。为了保证建筑物免受冻害，还应采取一些必要的防冻措施。
3.1 选择合理的基础形式：在冻深大，土冻胀性较强的地基上，一般应采用独立墩式基础、桩基础等。因为墩式基础荷重较大，有利于减少基础的冻胀变形，而且又减少与土的接触面积，对消除冻切力较为有力。
3.2 砂垫层：在季节性冻土地区常用砂垫层换掉部分冻胀土，实践证明效果较好。它的一般做法是：砂垫层层底的深度应满足基础最小埋深的要求。
3.3 基础侧面防冻切力的措施：对标准冻深大于 2 米的采暖建筑物，除满足基础最小埋深外，还必须考虑冻胀的冻切力和对基础的侧面作用，可在基础侧面回填粗砂、中砂、炉渣等防胀性材料，以减少冻切力的作用。当基础梁下有冻胀土时，应在梁下填以炉渣及松散材料，并留有一定的空隙，以防止土冻胀将基础梁供裂。
3.4 施工和使用方面应注意的问题 在基础施工期间，一定不能使地基土受冻，做到随挖、随回填。在基础施工时，应按施工操作规程和验收规范施工，防止施工和使用期间的雨水、地表水、生产废水和生活污水侵入地基，做好排水设施。有采暖设计的房间，如冻前不能交付使用时，应对地基采取保温等相应的措施。
地基基础问题是工程建设中最复杂的问题之一。构成地基材料的土，往往不能按着人们的愿望，像用其他建筑材料那样可以自由选择，不可能将建筑物都建在理想的地基上。由于土类繁多，各种土质差异很大，就是同一栋建筑物也可能坐落在性质差别很大的地基土上。这就要求我们努力研究地基土与上部结构的相互关系，提出地基基础设计理论的施工方法，使之安全可靠，经济合理，技术先进，便于施工。 来源: 《建筑中文网》.
一般来说建筑物的基础指地下部分，即通过它把建筑物本身的重量和作用在建筑上的荷载传递给地基。地基基础施工的好坏，会直接影响建筑物的安危，如果地基的重要性被忽视，就会引起建筑物的不均匀沉降，导致建筑物出现裂缝，影响建筑物的使用安全。类似的例子屡见不鲜。
在季节性冻土地区建造房屋，假如基础埋置较浅，荷载也较小，地基土冻胀及融蚀作用，使建筑物产生不均匀的变形而引起冻害，轻者出现裂纹，重者不能正常使用，使国家财产受到损失，人民生活受到影响。因此摸清冻害原因，找出防治的方法，确保建筑物安全使用是建筑中一个需要解决的问题。
1 土冻害的危害
土壤的冻结速度，一般说来是冻结速度快、冻胀量小；冻结速度慢，冻胀量大。这是因为冻胀量与水分转移补给条件有关；当冻结速度较快时，其下层中的水分还来不及向上转移补给就冻结了，因此冻胀量就笑，反之冻胀量就打。地下水位距基土的距离是基土冻胀时水分转移的补给条件，距离越近地下水的补给条件越充分，转化成冰的水分也就越多。因此，地基土的冻胀性也就越强烈。地基土冻融对建筑物的破坏作用，表现在两个方面。一方面是地基冻胀时，使房屋上升，这种上升是由于切向冻胀力和垂直冻胀力的作用所引起的；另一方面则是次年春天地基解冻时所引起的不均匀沉降。这种升降作用造成墙壁裂纹。墙面抹灰层剥落、特别是外墙及门窗边处出现裂纹缝，地板、天棚隆起、门斗、台阶变形，甚至房屋损坏。
在房屋冻害方面，常见的破坏现象有：
1.1 基础拉断：这种情况对不采暖的轻型结构的基础经常可能发生，如仓库基础、围墙基础等。
1.2 台阶隆起，门窗歪斜：我市部分居民住宅，每到冬天，由于台阶隆起，外门不易开关。来年开冻以后，台阶又回落，经多年起落，变形不断增加，出现不同程度的沉落和倾斜。由于内外墙变形不一，常使门窗变形，压碎玻璃。
1.3 外墙因冻胀抬起，内墙不动，天棚与内墙分离。这种情况发生在采暖房间，因内墙与外墙不连接，天棚是支承在外墙上的，当天棚随外墙因冻胀抬起时，天棚与内墙分离，最大的可达 10- 20mm。
2 地基土冻害原因分析
冻土是指具有负温或零温，并且含有冰的各种土。仅有负温或零温，但不含冰的各种土则称为寒土；冬季冻结，夏季融化的土层称为季节性冻土。水分、土质和负温是地基产生冻胀的三要素。存在于土粒矿物的晶体格架内部或是参与矿物构造中的水，称为矿物内部结合水，它只是在比较高的温度（80- 680 摄氏度，随土粒的矿物成分不同而异）下才能化为气态水而与土粒分离，从土的工程性质上分析可以把矿物内部结合水当作矿物颗粒的一部分。
存在于土中液态水可分为结合水和自由水。结合水是指受电子吸引力吸附于土粒表面的土中水，由于土粒（矿物颗粒）表面一般带有负电荷，围绕土粒形成电场范围内的水分子和水溶液中的阳离子一起吸附在土粒表面，由土粒中的电荷与水溶液中的电荷相互作用而形成的结合水层，因相互作用力的不同又分为固定层和扩散层，固定层内的水分被称为强结合水，而扩散层内的水分被称为弱结合水。
自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的水，其性质和普通水一样，能传递静水压力，冰点为零摄氏度，有溶解能力。自由水按其移动所受作用力的不同，可以分为重力水和毛细水；重力水是存在于地下水位以下的透水土层中的地下水，它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用；毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。
土质状况是影响冻胀的又一重要因素。一般情况下，岩石、碎石土、砂砾，粗砂、中砂、细砂是非冻胀性地基土，这是由于岩石中不含有结合水（非矿物内部结合水）和自由水，形成冻胀的三要素中的水不存在；碎石土、砂砾等则属于大颗粒土因无法形成聚变冰现象，也无冻害影响。粉砂、粉土、粘性土则按天然含水量的不同，以及地下水位的高低而分为不冻胀、弱冻胀、冻胀和强冻胀不同的类别。负温度则是水分冻结，产生冻胀的必不可少的要素。
下面我们就讨论一下土体的冻胀。在负温度下土体内的自由水和弱结合水先后冻结，形成一个冻结锋面，当土体中弱结合水冻结，水膜厚度减薄，它就与下层相邻的较厚水膜之间产生吸附力梯度，受压力差的驱使水分便从附近较厚的水膜处迁移上来，并使之附在冰晶上继续冻结，这样持续下去即是土中水向冻结前缘的流动，也即是水分迁移。在无地下水时（封闭系统）水分迁移是有限的，当地下水位较高，并能源源不断地补给时（开敞系统）冻胀量可达很大数值。土的冻结过程中由于水分迁移，在冻结界面聚冰，形成冰夹层与冰透镜体，水在形成冰的相变过程中，体积膨胀 9%，在紧密接触的两个颗粒之间，楔入冰层，则有效压力转换成了从一个颗粒通过冰夹层再传到另一个颗粒的间接传递的冻胀力，冻胀力产生的过程就是有效压力消失，代以冰的膨胀力的内力重分布过程，冻结界面上的冰层面积越多，冰胀力就越大，最终导致冻层膨胀，地面隆起。由此可见，冻胀的大小主要与土体内的含水量和地下水位有关系，含水量越大、地下水位越高，越有利于聚冰和水分迁移。另外土冻结面处的负温梯度也是影响冻胀的主要因素，负温梯度越大，越有利于水分迁移，冻结速度越快迁移水量越多，冻胀也越强烈。
3 防止冻害的措施
一般情况下，根据要求确定基础最小埋深后，首先了解冻层的深度。基础埋置在暖土层上，建筑物就不会出现冻害。为了保证建筑物免受冻害，还应采取一些必要的防冻措施。
3.1 选择合理的基础形式：在冻深大，土冻胀性较强的地基上，一般应采用独立墩式基础、桩基础等。因为墩式基础荷重较大，有利于减少基础的冻胀变形，而且又减少与土的接触面积，对消除冻切力较为有力。
3.2 砂垫层：在季节性冻土地区常用砂垫层换掉部分冻胀土，实践证明效果较好。它的一般做法是：砂垫层层底的深度应满足基础最小埋深的要求。
3.3 基础侧面防冻切力的措施：对标准冻深大于 2 米的采暖建筑物，除满足基础最小埋深外，还必须考虑冻胀的冻切力和对基础的侧面作用，可在基础侧面回填粗砂、中砂、炉渣等防胀性材料，以减少冻切力的作用。当基础梁下有冻胀土时，应在梁下填以炉渣及松散材料，并留有一定的空隙，以防止土冻胀将基础梁供裂。
3.4 施工和使用方面应注意的问题 在基础施工期间，一定不能使地基土受冻，做到随挖、随回填。在基础施工时，应按施工操作规程和验收规范施工，防止施工和使用期间的雨水、地表水、生产废水和生活污水侵入地基，做好排水设施。有采暖设计的房间，如冻前不能交付使用时，应对地基采取保温等相应的措施。
地基基础问题是工程建设中最复杂的问题之一。构成地基材料的土，往往不能按着人们的愿望，像用其他建筑材料那样可以自由选择，不可能将建筑物都建在理想的地基上。由于土类繁多，各种土质差异很大，就是同一栋建筑物也可能坐落在性质差别很大的地基土上。这就要求我们努力研究地基土与上部结构的相互关系，提出地基基础设计理论的施工方法，使之安全可靠，经济合理，技术先进，便于施工。 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201011/14412.htm
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