下载文档原格式
冻害对建筑物造成破坏的原因分析及防控措施【摘要】在我国高寒地区，建筑设计与施工必须考虑到防胀问题，不然会对整体建筑物造成影响和破坏，本文就此作了详细的论述，供参考。
【关键词】建筑物；冻胀；危害；防控冻土是指温度在零摄氏度以下且含有冰的各种土，主要分布在较为严寒的地区。
其中可以按照冻结时间将其分为两种，一种是季节冻土，另一种是多年冻土。
季节冻土因为受到季节的影响会呈现周期性的冻结、融化。
而多年冻土则是长时间持续冻结状态，长期不会融化，且在地面以下一定深度的位置。
1.冻胀的概念当土体中的水份超过一定标准时，其体积会增大，会出现土体整体或局部的膨胀现象，导致结构变形，对于这种现象就可以将其称为冻胀。
冻胀会由于土质、温度、含水量及土壤颗粒等几种方面的原因而产生冻胀力，会使其形态发生变化。
通过对我国高寒地区的深入研究发现，当冬季气温越低时，冻土的深度也就越大。
当土壤温度越低时，冻胀就会越严重，而且会使土壤上部的混凝土面板产生变形或断裂的现象。
其中冻胀的程度与土壤的含水量息息相关，含水量越大，冻胀就越严重。
2.冻土对建筑物的危害当地基出现冻胀情况时，会由于切向冻胀力与垂直冻胀力的共同作用而导致建筑物上升，或是在第二年春天时由于地基解冻而造成不均匀沉降的现象，会对建筑物造成一定的破坏。
在通常情况下在房屋向阳面地基土的冻层较浅且含冰量不是很多，而相对的阴面地基土的冻层较深且含冰量较多。
所以阴面土体的膨胀有较大的变化，会出现明显的往上抬拱的现象，使房屋基础受到的冻胀力不均匀。
当土层解冻时由于地基土中积聚的冰晶体融化会增加土中的含水量，并由于细粒土的排水能力不好或基底下一些土层仍未解冻，已融化的无法渗透到土层深处，基底土层处于饱和软化状态，进而造成建筑物发生下陷形成融陷现象。
由于周而复始的冻结、融化而使浅基础建筑物出现开裂的情况。
其中几种常见的房屋冻害主要分为以下几种。
2.1基础拉断此种情况通常发生在不采暖的轻型结构基础，如仓库、围墙基础等。
冻土地区冻胀的原因分析及解决措施土建室张鑫鹏2019-10-161 成因分析 (1)1.1 水结冰后膨胀 (1)1.2 毛细现象和冰晶体的形成 (1)2 影响冻胀的因素 (3)2.1 土质对冻胀的影响 (3)2.2 土中水分对冻胀的影响 (3)2.3 温度对冻胀的影响 (4)3 冻胀的破坏影响 (4)4 应对的解决措施 (5)4.1 置换法 (6)4.2 隔温法 (7)4.3 隔水法 (8)4.4 稳定土处理法 (8)5 结束语 (9)参考文献 (9)冻土地区冻胀的原因分析及解决措施张鑫鹏摘要：冻土地区路基的病害及其相应的防治措施一直是困扰工程的难题。
如冻胀、融沉等。
**处于北方严寒地区，在道路铺设，和基础设置等方面，受到冻胀的影响很大，往往为了解决冻胀问题花费更大精力和投资，并且存在特殊地质条件和投资控制等因素影响，有些项目无法完全避免冻胀的产生和影响，处理不当会给日后使用带来很大影响，根据冻胀原理和多年的经验教训，本文着重分析冻胀的起因和处理措施等，希望能为今后设计和施工带来更多帮助和解决思路。
关键词：冻土地区；冻胀；成因；解决措施1成因分析1.1水结冰后膨胀我们知道，水在摄氏零度结冰，体积比原体积大十分之一，水结冰的过程中体积增大，产生占位空间，挤动了其它物体，作用在其它物体上的力就是冻胀力。
这种单独的原位冻胀造成破坏力相对较小。
1.2毛细现象和冰晶体的形成土体的冻胀分为原位冻胀和分凝冻胀两种。
而对工程中破坏巨大的是由于外界水分迁移补给形成的分凝冻胀，是由毛细现象和冰晶体共同作用形成的。
毛细现象是指土中水在表面张力作用下，沿着孔隙向上及其他方向移动的现象。
在形成毛细通道时就构成毛细水的上升。
当冰冻季节冻结时，土中水分向冻结区迁移并积聚，土颗粒孔隙中的自由水在0℃以下时，自由水首先冻结成冰晶体。
随着**温的继续下降，周围未冻结区土中的水分会向表层冻结冰晶体迁移积聚，使冻结区土层中水分逐渐增大，冻结后的冰晶体也不断增大，只要冻结区周围还存在着水源，并且还存在适当的水源补给通道即毛细通道，能够源源不断地补充给冰冻体所需的水分，在这一不平衡的引力不间断地作用下，未冰冻区的水分不断地向冰冻区迁移积聚，使冰晶体不断扩大，在土层中形成冰夹层，土层在冰夹层作用下体积会发生膨胀，也就是冻胀。
试论建筑物基础的冻胀及防冻技术措施摘要:我国地域辽阔，各地区气候差异较大，因此在一些寒冷地区，由于气候的原因就会导致冻土的形成，也就是土体冻胀，土体冻胀会导致建筑物基础受到破坏，影响建筑物的使用期限，同时也对人类居住安全带来威胁。
因此，本文首先介绍了建筑基础及冻土的概念，随后对基础冻胀表现及冻胀力的形成做简要分析，最后根据冻土对建筑物产生的破坏特征，提出相应的防冻技术措施，意在为寒冷地区地基施工提供参考借鉴。
关键词:建筑物基础；冻胀；防冻技术措施在我国主要存在冻土的地区是青藏高原以及东北、西北等地，由于气候严寒，这些地区广泛的分布着多年冻土以及季节性冻土。
冻土在我国约占总面积的75%左右，其中多年冻土为21.5%，其余则是季节性冻土[1]。
无论是多年冻土或是季节性冻土都对建筑物的寿命造成严重的危害，例如，黑龙江位于我国东北部，在冬季时经常会发生土体冻胀现象，潮湿的土体遇冷后凝固，产生向上的应力导致土体冻胀，而在春季到来之时，冻土吸取热量而融化，导致土体下沉，如此周而复始。
虽然形成多年冻土和季节性冻土的地质条件不同，但形成的过程是一样的，都会对建筑物的基础造成破坏，因此，如何防范以及采取相应的防冻技术措施就显得尤为重要。
一、建筑物基础以及冻土的概念1.建筑物基础通常来说，建筑物基础就是指建筑物埋在地下的部分，它是将作用在建筑上的荷载以及建筑物自身的重量传给地基的一个桥梁[2]。
因此，基础施工的质量好坏，直接关乎建筑物的安全使用性能，若基础建造不好则会引发建筑物的不均匀沉降，致使建筑物墙体出现裂缝，严重影响建筑物使用的安全性。
2.冻土的概念冻土一般分为两种，即多年冻土和季节性冻土。
多年冻土是连续3年以上，常年在0℃以下长期处于冰冻状态的土质。
季节性冻土是在冬季低温状态下冻结，在夏季高温状态下解冻则称为季节性冻土。
一般含水的土体和岩石，自身都含有一定水分，这也称之为天然含水量，地基基础设计规范GBJ7-89中用（W）来表示。
土体冻涨的影响分析摘要:针对我国存在大面积季节冻土对水工建筑物的严重破坏,本文阐述了发生冻土的内在原因,利用土壤水、土壤的质地及地下水三方面进行分析了土体冻涨的原因。
关键词:土体冻涨土壤水土壤质地地下水1 问题的提出在我国东北、华北、西北和青藏高原地区,冬季严寒。
如东北的北部,最低气温可达-3～-50℃,月平均气温在0℃以下的时间有7～8个月之久,在大兴安岭和青藏高原一带,有多年冻土存在,约占全国面积的1/5,而季节性冻土基本上遍布长江以北的辽阔地区。
土体的冻涨破坏是一种较为普遍的物理现象,它长期困扰着我国的土建工程建设,在这些地区,冻涨破坏及冻土影响给许多土建工程尤其是给水利工程带来了不可估量的经济损失和危害。
例如:10多年前的调查统计黑龙江省查哈阳灌区,支渠以上水工建筑物110余座,因冻害造成不同程度的破坏70余座,占工程总数的65%以上。
吉林省梨树灌区,支渠以上水工建筑物100余座,冻害破坏的占80%～90%;主要表现在渠道的滑坡,闸底板的涨裂,边墙的倾斜,渡槽桥墩的沉陷等等,惨不忍睹;还有举世瞩目的青藏铁路,在可可西里南部施工地段,主要由于冻土原因影响路基的稳定性,不得已在这里追加投资3亿多元人民币、修建了11.7km的特大旱桥,施工中将2778根桥墩分别打入到地下15m～34m深的稳定冻土层并综合处理。
此类例不胜枚举。
冻涨破坏为何这样严重,这里我们将根据土体的土壤水的运动,土质情况,地下水的深浅三方面因素分析其内在的冻土原因,了解其变化规律,以便采取相应有效措施,确保工程稳定安全运行,使工程发挥最大的经济效益。
2 土体冻涨分析2.1 土壤水对土体冻涨的影响分析2.1.1 土壤水的介绍土壤水为吸着水、毛管水和重力水三部分。
吸着水是由于土壤颗粒的吸引力而吸附在其外围的水,该水分又分为吸湿水和膜状水,其中土壤颗粒对吸湿水的吸引力在1000MP～3.1MP之间,对膜状水的吸力在3.1MP～0.625MP之间;毛管水分为上升毛管水和下降毛管水,其均受毛管力(也称范德华力)作用,受力大小在0.625～0.01MP之间,存于毛管孔隙之间;重力水受自身重力作用,不存留于土壤当中,多沿毛吸管向下流动转变为地下水。
长春地区土的冻胀性对基础影响分析发布时间：2021-05-19T08:23:47.252Z 来源：《中国科技人才》2021年第8期作者：刘卫孙广利付建阳[导读] 季节性冻土是指冬季土的温度在0℃以下时冻结，春夏季节随着温度的上升又全部融化的土[1]。
吉林建筑大学测绘与勘察工程学院吉林长春 130118摘要：长春地区属于季节性冻土区，冻土的冻胀和融沉对于基础而言会产生较大影响，有必要对冻胀性土进行一定的研究，在工程建设中减少其对基础的危害。
为此，探讨了影响土冻胀性的因素以及防治措施和方法。
关键词：季节性冻土；冻胀性；基础1 引言近年来，随着长春城市建设的发展，越来越重视工程建设的速度而忽视了工程所处的环境对于后期工程运营的一系列影响。
随着建筑物的使用年限的增加，建筑物的基础因为土发生的冻胀而对基础产生较大的影响，土的冻胀具有不均匀性，使基础及地基产生不均匀变形，这种不均匀变形一旦超过允许值，就会造成建造物的破坏。
土所产生的冻胀会引起基础的冻害造成建筑物破损，因而影响建筑物的使用，降低建筑物的使用寿命。
季节性冻土是指冬季土的温度在0℃以下时冻结，春夏季节随着温度的上升又全部融化的土[1]。
它产生的原因主要是冻结层在气温较低时形成，随冻结层自上而下移动，土中水分向上部迁移并发生聚集，随之产生冻土。
冻结后的土体积增大，因此产生的冻胀可使基础发生各种变形和破坏。
季节性冻土的融化层有两个方向，一方面是自地表向下，另一方面是自多年冻土层向上。
由于水分向两个冻结峰面迁移，因此季节性融化层结冰后的聚集现象以及水分的重新分布与季节冻结层不同，冰层和透镜体相对集中在季节性融化层的1/3以上，接近多年冻土上限。
土的冻胀性是指由于土的冻结作用而造成土体的体积膨胀现象，这是季节性冻土区常见的一种病害现象。
冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀两种情况，原位冻胀是指冻结锋面向前冻结，冻土持续冷却，冻土孔隙水或冻土冻结水原位冻结，导致体积增大的过程。
上海人工冻土冻胀特性的宏观和细观试验研究的开题报告本开题报告旨在介绍上海地区人工冻土的冻胀特性的宏观和微观试验研究。
1. 研究背景上海地区气候温和，冬季温度较低，但由于城市化进程和人口增加，城市地表面积不断扩大，导致城市热岛效应凸显，使得城市中的冻胀问题越来越突出。
人工冻土是解决这一问题的有效手段，在市政工程和水利工程中得到了广泛的应用。
2. 研究目的本研究旨在探究上海地区人工冻土的冻胀特性，包括其宏观和微观试验研究，为城市工程建设提供理论基础和实践指导。
3. 研究内容与方法本研究主要分为两个部分：宏观试验研究和微观试验研究。
宏观试验研究将采用标准的冻融试验方法，对上海地区不同种类人工冻土样品的冻胀特性进行测试，包括冻胀系数、抗压强度、抗拉强度等指标。
微观试验研究将采用数字岩石技术，建立上海地区不同种类人工冻土的微观结构模型，分析其孔隙结构、颗粒分布等微观特性对冻胀特性的影响。
4. 研究意义本研究将能够深入探究上海地区人工冻土的冻胀特性，为城市工程建设提供理论基础和实践指导。
在应对城市化进程和人口增加的同时，提高城市的抗冻胀能力，确保城市基础设施的安全和稳定。
5. 研究进程本研究的进程将按照以下步骤进行：（1）文献综述：对国内外关于人工冻土冻胀特性的研究现状进行总结和分析，明确研究方向和问题。
（2）宏观试验研究：采集上海地区不同种类人工冻土样品，进行标准的冻融试验，分析其冻胀特性以及影响因素。
（3）微观试验研究：采用数字岩石技术，建立上海地区不同种类人工冻土的微观结构模型，分析其微观结构特性对冻胀特性的影响。
（4）数据分析和研究结论：对试验结果进行数据分析，并根据分析结果总结出研究结论和建议。
关于地基冻胀的真实原因、危害与措施科技信息.工程技术关于地基冻胀的寅实原因,危害与措旋辽源矿业(集团)梅河煤矿土建队王江梅河矿所在地属寒冷地区,也是建筑物倍受冻害影响的地区,纵观几十年来所建各类房屋,平房及单层之小建筑受冻害较为显着.如住宅区的仓房,花池,凉亭,围墙等.楼房因基础埋深一般都超过冻结深度,极少受冻害,但有的部位如台阶,门坡道,护坡等易被忽视,也常见受冻害而影响使用功能.因受冻害而影响使用功能深为用户所烦恼,且因此而影响建筑物的使用寿命及人身安全,问题就更为严重.因此有必要对地基冻胀的真实原因作一个分析,找出它的规律.从而采取一些有效的针对性的手段来防止它,避免它.一,地基冻胀的真实原因地基之冻胀之外和下列几点有关:(1)气温的高低.(2)土壤(地基)上部荷重的大小.(3)冻结速度.(4)冻结时土壤中水分的迁移和重分布.(5)土壤的颗粒组成.(6)土壤含水率的大小,地下水位的高低.从建筑观点看,尤以第(4),(5)两项来影响最大.(一)冻结时土壤中水分的迁移和重分布.冻胀和水是分不开的,但水在土中受冻后.土是怎样胀起来的?冻胀是怎样一个过程.1,当负温度进入土内,自由水首先冻结,出现冰晶体,此冰晶体与土壤颗粒表为束缚水膜所隔开,而束缚水膜由于分子力的作用,只能在更低的温度下才能结冻.地基土冻胀类别鉴别方法.(1)不冻胀土,地形特征:高岗地或高出周围地势2m以上的局部小土岗,地势平坦,无积水,排水条件较好,土量及地下水条件常年处于干和半干状态的粘性土,冻前地下水位1.5m以下,处于湿润状态的轻亚粘土.(2)弱冻胀土,地形特征:地势较高,排水条件良好,地势较低,有时积水,土量及地下水条件,冻前地下水位2m以下,处于硬塑的亚粘土, 或充分饱和,无自然排水条件的细砂土.(3)冻胀土地,形特征:地形平坦,排水条件较好,表面有积水,土量及地下水条件,冻前地下水位2m以下,处于硬塑性的亚粘土轻亚粘土.(4)强冻胀土,地形特征:地势平坦,地表偶然积水,排水条件较差,或地势低洼,积水较多.2,温度继续下降,束缚水膜内一部分水分子也开始结冰,冰晶体加大,束缚水膜变薄.我们把束缚水膜变薄的地方叫作"一线"(即冻结前线)把尚未冻结的区域(土壤更深一些的部位,束缚水膜还很厚)叫它做"二线".这期间,厚薄水膜间(即"二线"与"一线"之间)产生了压力差. 3,由于压力差的作用.束缚水由厚的地方向薄的地方迁移和重分布,使水分的不断朝"一线"(即冻结前线)集中.并在那儿冻结.这种迁移,一直继续到冻结区域内的水膜连续性被破坏为止,由于水分的迁移集中,使冰晶体不断扩大,在有水源补给的情况下(如地表水的渗漏和地下水位的升高)这种现象更为严重.4,当温度继续下降,一方面更多的束缚水参加冻结,另一方面冻结区域不断向深处发展.这样,就使土的体积不断增大形成冻胀.所以,土壤在受冻后体积的增大,不仅是由于土中的水在转变为冰时体积的膨胀(9%)而主要是由于土在冻结过程中,土中水分的迁移和重分布.(二)土壤的颗粒组成与冻胀的关系一般认为,土粒径在0.05--0.005之间者,因粒径小毛细压力大,地下水通过毛细管作用而上升至基础底面,受冻后在基底形成夹冰层,致使土壤受冻膨胀而发生隆起.另外,土的粒径小,则相对来讲,束缚水膜较厚,在土冻结时即成为水分迁移的宽广通路.按土壤粒径划分.小于0.05ram之颗粒所占比重大于10%者,即为冻胀性土壤,0.05--0.O05mm之间的粘土,虽然毛细压力很大,束缚水膜相对很厚,但因渗透性较差,因此,冻胀性反而轻得多.中粗沙土壤,因是骨架结构,粒度大,毛细压力小,束缚水膜也相对很薄,且颗粒间接触点少,点上压力就大,接触点上的束缚水大部分被挤掉,水分在冻结时无从迁移所以属非冻胀性土.综上所述,地基冻胀之真正原因,是土壤在冻结过程中,土中水分的迁移和重分布,(在有补给水源的情况下就更为严重)二是土的颗粒所形成的毛细压力将地下水吸至基底受冻后形成夹冰层,找出这一规律后,不难看出,只要想办法制止土中水分的迁移,切断补给水源,减少地基土的毛细压力,就能有效地,有针对性的防止和避免冻害影响. 二,地基冻胀的危害地基冻胀的危害,可分为两个阶段.1,冻胀阶段:土壤结冻时,膨胀不均匀(阴阳两面),引起建筑物不均匀变形和裂缝,特别是浅基础平房,当地基冻胀力大于基底上的荷载时,建筑物就会受冻而被抬起,严重者可引起破坏和倒塌.2,融解阶段:当气温升高,冻土融解时,胀大部分复原,再加上土中冰层化成水,使地基饱和,降低承载力,从而引起建筑物不均匀下沉和变形(即通称融陷).无论冻胀和融陷,因为一般都是不均匀的每年如此冻融交替,造成建筑物变形,开裂,严重者引起破坏.因冻害而变形的房屋,一般有下列四种情形.1,沿门窗四角开裂,因此处断面薄弱,荷重小容易冻胀.2,已住人的采暖房屋,因室内外温差而致内外墙冻胀沉降不同,引起内隔墙开裂.内冻害而变形的房屋一般有下列几种:(1)因基础洞口的大小与地面耐力集中荷载有关,集中荷载又由地基的面积大小和局部荷载有关.(2)因房屋的占地面积和地势的不均有关.(3)由地表建筑物周围是否排水畅通和有集水有关.3,因室外内采暖保温情况不一,造成基础两侧冻切力及冻胀合力差,产生扭转力矩,把墙挤歪或出现水平裂缝.4,虽然考虑了冻结深度,但忽视了施工质量,基础两侧不平,因冻胀而把基础拦腰挤起,造成上部裂缝.三,防止地基冻害的措施通过上述的分析,中粗砂类土壤,因是骨架结构粒度大,束缚水膜相对很薄,颗粒问的接触压力大,接触点上的大部分束缚水膜被挤掉, 使受冻时,水分无通路可迁移,且毛细压力又小,地下水不能通过毛细管作用而上升到基底,属于非冻胀性土,所以中粗沙类土可作为防止地基受冻害的一件有力武器,下面从设计和施工两个方面谈一下,防止地基受冻害的措施.(一)设计方面1,浅基础的平房建筑(包括台阶,门坡道,护坡,花池,凉亭等)应于基础下面加设300--500mm的中粗沙(或砂砾土,炉渣等可)垫层,低洼,潮湿地区的浅基础和不允许出现冻害的台阶,门坡通道等.应将沙垫层置于冻结线处或冻结线以下.我矿目前的设计状况,一般非主要建筑如住宅区仓房等均不出图,使施工无所依据,且造成冻害后果也不好追查,今后应从设计方面改变这一局面.2,设计冻胀变形缝.在两种不同形式的基础和可能产生不均匀沉降的地方,如门台阶,外门坡道,室外平台,护坡等与建筑物的连接处,以及采暖与非采暖房间连接处,均应设置20—30mm的变形缝.3,采用独立式基础.由于独立式基础荷重大,有利于减小冻胀变形,所以围墙之类的建筑宜采用柱形基础.在冻胀性强的地基上建筑楼房可采用桩基础. 4,在建筑物四周作明沟或育沟排水,切断水分迁移的补给条件.5,在室外暖气沟2米范围内,不建非采暖建筑.6,在有冻害威胁的地区建造房屋,设置圈梁和于转角处做配筋砌体,必要时角端基础可适当加深.(二)施工方面1,基础冬季施工时,应采取措施不使地基受冻.2,作好场地排水,不使施工用水,雨水(特别是封冻前的最后一次雨水)灌人地基.3,砂垫层暖季应水撼,冬季或接近冬雪时不能水撼应干夯.4,毛石基础砌筑时要注意两侧面要平整或稍向倾斜,万不能出台或向外倾斜,尤其是满槽装的基础尤应注意,以免受基础两侧冻切力和冻结力的扭曲面破坏,灰缝要用砂浆封严.5,不能交付使用的越冬工程,冬季应做好复盖保温.6,在砖石工程砌筑时应清出冰雪.7,在拌制砂浆时,所用的砂中不得含有冰块和直径大于1厘米的冻结块.8,拌合砂浆时水的温度不得超过40℃,在对材料加热时应首先选用将水加热的方法.9,冬季施工所用的砂浆流动性,应比在常温下适当增大,特别是砌筑主体工程时,应优先选用掺盐砂浆法,必须采用一块砖一块石一铲灰的方法不得大面积铺灰,砌砖灰缝应控制在1厘米以内.10,当气温低于一15℃时砂浆的温度应保证上墙时不冻结(不挂腊).l1,冬季施工所用的砂浆应比在夏季施工时提高一个标号,因为冬季施工砂浆的强度损失较大,一般在50%左右.。
水利概论论文水利施工是我国经济建设中的基础性工程，在推动国民经济发展上发挥着重要的作用。
下文是店铺为大家搜集整理的关于水利概论论文的内容，欢迎大家阅读参考!水利概论论文篇1浅析季节冻土区水利工程基础设计我国冻土地区的范围十分广泛，季节冻土的冻胀现象对一个地区经济的影响非常的明显，这也会使得水利工程基础设计工作存在一定的难度，针对这样的状况，我们必须要采取有效的措施对其加以控制和处理，只有这样，才能更好的确保水利工程基础的质量及性能，本文主要结合某省季节冻土地区的特点，对其进行详细的分析。
1、冻胀土概述除了很少一部分工程坐落在岩石地基之外，很多都处于软土地基上，在这些软土地基当中还掺入了很多的细碎颗粒，通常都是粉质土或者是粘土，根据我国当前的水利水电工程建设当中所制定的行业标准，如果土壤颗粒直径在0.05mm之内，且其土粒的质量超过土样总质量的6%的时候，我们就可以判定其为冻胀土。
2、水利工程冬季工作的具体条件水利工程在冬季施工的过程中会受到严寒和气温作用的影响，同时在施工的过程中，很多工程都处在软基的位置上，基土的粒径相对较细，通常其土质类型都是冻胀土，土的冻胀型较为明显，水利工程是和水相关同时也是短桩的一个特例。
3、地基土产生冻胀的原因分析地基土出现冻胀的一个非常重要的原因是因为水分在结冰之后出现了严重的膨胀现象而导致的，所以，我们可以总结出地基土出现冻胀的问题主要是因为水分、土质和负温这三个因素，水分本身具有非常强的流动性以及渗透性，在这一过程中水分会向下部的土体流动，之后分布就会出现非常明显的变化，这样就使得水分出现了位置上的移动，迁移的主要结果就是在冻结面和冰夹层中间形成了一个冰透镜，这样也就使得冰层出现了十分明显的膨胀现象，地表和之前比起来也出现了非常严重的隆起问题，通常，水分的含量和地下水位之间是正向的关系，而在这样的情况下水分迁移也就越便利，所以水分的迁移通常会发生在细粒土当中。
4、基础设计的过程中应该考虑的因素4.1预防冻害的措施在确保建筑物位置的基础上，我们应该选择一些地市相对较高，地下水位不是很高，同时地表水及冻胀性不是很强的场地，如果选择了低洼的场地，我们一定要保证地基的高度。
季节冻土区变电站结构在地基土中的冻胀分析随着社会经济的迅速发展及电量需求的大幅度增加，同时伴随着西电东输工程的推进，电网建设在西部地区得到大力发展。
我国在内蒙、新疆等西北地区存在大量季节冻土，冻深大、冻期长等特点为变电站、换流站等电网建设带来技术难题。
季节冻土是指冬季地表土冻结、夏季全部融化的土，且冻结时间小于一年，冻结初期，地表土层中的水分率先冻结，土体出现冻胀现象，随着冻结时间增加，在温度梯度的作用下，下部土体的水分不断向上部迁移，最终冻胀量可达数十厘米。
如此大的冻胀量，有可能会造成变电站基础失稳、电缆沟开裂等结构破坏问题。
1 冻胀对基础结构产生的力学效应地基土在冻结状态下土中的水结冰，随着外界水源的不断补充，冰晶不断增长，土体不断膨胀，当土体膨胀受到外界约束时，则表现出土体的冻胀力，在变电站刚性基础的约束下，冻胀力逐渐增加，最终对地基土中的结构产生影响。
冻胀力一般可分为水平冻胀力、切向冻胀力和法相冻胀力。
1.1 水平冻胀力变电站、换流站等油池壁、蓄水池等两侧土体不在同一水平线上的结构，在一次土体的冻胀力作用下会产生水平位移、裂缝等问题。
水平冻胀力的产生和诸多因素相关。
土体的冻胀等级越大，冻胀力越大，通常情况下细粒土体冻胀性大于粗粒土，粘粉颗粒含量较高的土体冻胀性越大。
水分的含量也是影响水平冻胀力大小的主要原因，通常支挡建构筑物含水量随着深度的增加含水量逐渐增加，含水量小于冻胀起始含水量时，并不产生水平冻胀力，当含水量超过冻胀起始含水量时，冻胀力产生并逐渐增加，当达到一定冻胀力后，由于冷缩现象，冻胀力出现减小趋势。
支挡结构在冬季采暖期，由于结构内墙温度大于外墙温度，在基础的约束作用下，支挡结构产生向填土方向的变形，使得冻胀力由下到上逐渐增大。
1.2 切向冻胀力切向冻胀力一般迟于土体冻胀而产生，切向冻胀力的产生需要基础与土体存在冻结力，同时土体发生冻胀。
若只存在冻结力，土体不发生冻胀，切向冻胀力则不会产生，若土体只发生冻胀，而没有冻结力的产生，也不会有切向冻胀力的产生。
文章编号:100020240(2003)0320347204地基土冻胀的宏观分析 收稿日期:2002209210;修订日期:2002210220 作者简介:刘鸿绪(1934—),男,山东高唐人,研究员级高级工程师,1959年毕业于清华大学土木系,现主要从事于冻土地基与基础的研究工作.E 2mail :zhuguangxiangok @刘鸿绪, 朱广祥, 尹冬岭, 江守恒(黑龙江省寒地建筑科学研究院,黑龙江哈尔滨 150080)摘 要:通过野外原位观测发现,在北半球自然气温条件下,地表裸露、原状均质、冻胀性地基土的冻结过程中,冻结速率越大越有利于土的冻胀,即冻结速率与冻胀速率呈单值升函数规律.关键词:温度梯度;冻结速率;冻胀速率;冻胀率;单值升函数中图分类号:P642.14文献标识码:A1 前言影响地基土冻胀性大小的主要因素有土质、水分、温度及压力等,但每个因素对地基土冻胀规律更进一步地研究,却存在着细微分歧.例如在其它因素不变的情况下冻结速率越大,水分来不及迁移或迁移不充分,土中原有水分或基本为原有水分就地冻结,其冻胀量是很小的,当含水量超过起始冻胀含水量之后,仅有超过部分水冻胀时膨胀自身的9%.如果冻结速率很小,可有充足的水分自下向上迁移到冻结缘处,为冰分凝在时间上提供了非常有利的条件,分凝冰的膨胀为自身水量的109%,它比前者大很多.因此,结论为冻结速率越小土的冻胀性越强.有关土体冻胀、水分迁移等的研究,国内外学者一直都没停止,许多学者在微观、机理方面进行了研究[1～12].本文仅以野外原位观测为主从宏观上对地基土冻胀进行分析.2 原位观测结果黑龙江省寒地建筑科学研究院1973—1974年在大庆龙凤冻土站某场地测得结果绘于图1.该场地最大冻深H =202cm ,地表最大冻胀量h =1715cm ,地下水位与冻结锋面在冻结过程中几乎同步下移,始终相距20cm 左右,平均冻胀率η=817%.其地表冻胀量h 、冻胀率η(Δh /ΔH )、温度梯度X (Δt /ΔH )、冻结速率ν(ΔH /ΔT )和冻胀速率v(Δh /ΔT )随冻深H 发展的关系见图2[13],其中t为土温,T 为地基土冻结过程历时.平均冻胀率η一般以地表冻胀量除以最大冻深表示,由于翌年春季气温回升,地表出现融化下沉,但此时在地中深部冻锋面处的冻胀尚未终止,为反映真实的冻胀量需对地表冻胀曲线的尾部以地中冻胀稍加修正.冻胀速率v 、冻胀率η与冻结速率ν的关系见图3.图1 大庆龙凤1973—1974年度观测冻深H 、冻胀h地温t 与地下水位随时间T 的变化过程Fig.1 Freezing depth H ,frost heaving h ,ground tem peraturet and ground water table varying with time T atDaqing Long fong from 1973to 1974 庆安冻土站第一试验场的观测结果绘于图4,该场地最大冻深H =155cm ,最大冻胀量h =42cm ,平均冻胀率η=27%,其突出的特点为当冻结锋面下移到130cm 深度之后即进入地下水位之下.该场地冻胀速率v 、冻胀率η与冻结速率ν的关系第25卷 第3期2003年6月 冰 川 冻 土JOURNAL OF G LACIOLO GY AND GEOCR Y OLO GY Vol.25 No.3J un.2003图2 冻胀量h、冻胀率η、冻结速率V 、冻胀速率ν及温度梯度X 随冻深H 发展的分布规律[13]Fig.2 Frost heaving amount h ,frost heaving ratio η,freezing rate V ,frost heaving rate v and temperaturegradient X changing with freezing depth H [13]图3 冻胀速率ν、冻胀率η与冻结速率之关系(龙凤冻土场)Fig.3 The relation of frost heaving rate v ,frost heavingratio ηand freezing rate (in Long fngFrozen S oil Station )图4 庆安冻土场No.1号区冻深、冻胀和地下水位的发展过程线(戴惠民提供)F ig.4 Freez ing de pth ,frost heav ing and ground w ater tab le chan gingw ith tim e in the Z one 1in Q in g πan Frozen S oil S tation见图5.海拉尔冻土站地处严寒地区,该地点的冻结指数F =303617℃・d ,场地的最大冻深H =320cm ,其地表最大冻胀量h =1915cm ,平均冻胀率η=6%,见图6.该场地冻胀速率v 、冻胀率η与冻结速率ν的关系见图7.图5 冻胀速率ν、冻胀率η与冻结速率之关系(庆安冻土场)Fig.5 Frost heaving rate v ,frost heaving ratio ηchanging with freezing rate (in Qing πan Frozen S oil Station )图6 海拉尔冻土站1974、1975年度冻结过程线Fig.6 Curve of freezing process in Hailar FrozenS oil Station during 1974to 19753 结果分析初始进入冻结期时,由于气温时高时低,或白昼高黑夜低等的波动,表层地基土在频繁的冻融交变,只有当冻深发展到20～30cm 之后才进入稳定冻结阶段.从图2可见,地基土在冻结与冻胀的过843 冰 川 冻 土 25卷 图7 冻胀速率ν、冻胀率η与冻结速率之关系(海拉尔基某场地)Fig.7 Frost heaving rate v,frost heaving ratioηchanging with freezing rate(in Hailar Frozen S oil Station)程中是有一定规律的.如冻结速率ν沿冻深H的分布是上大下小的,见曲线5.冻结开始后,气温随时间的延长在不停地几乎是直线下降,相应冻深也在缓慢地增加,负气温增量被新增加的热阻增量所消耗,造成了冻结速率的逐渐降低,1月以后气温的冷却速率放慢,即负温增量逐渐减少,过了2月份气温变成正增长,因此冻结速率迅速降低,最后至零.冻胀速率v沿冻深的分布也是上大下小,见曲线3,从图形看到冻结速率大冻胀速率也大,冻结速率小冻胀速率也小,图5和图7也说明了这一规律,即冻结速率ν与冻胀速率v呈单值升函数关系.由图2还可看到冻层中负温度的正温度梯度(尤其冻结缘附近)沿冻深分布也是上大下小,见曲线4.在天然地基中由于冻土层中的温度梯度很大,就形成了较大的冻结速率,或者说温度梯度的大小是造成冻结速率大小的直接原因.从另一个角度分析,由于温度梯度很大,冻结缘区上面冷端处的负温度就较低,相应冰分凝的量就较多,而由此产生了未冻水的减少,因未冻水的减少破坏了该区段的原始湿度平衡,形成了湿度梯度(土水势梯度),同时就驱动水分的迁移,这样不停地冻结、迁移,冰夹层、冰透镜体就较发育,其冻胀量就较大.由于温度梯度较大,则冻结速率就较快,尽管冻结速率较快,因冻胀速率较大,最终所形成的冻胀率仍是很大的,从图3、图5和图7可见.到后期,冻深接近最大值时,气温已转暖,冻层中的温度梯度已很小,冻结速率也很小,但此时的冻胀速率同样很小,这时的冻胀率有大有小,视具体条件而定ν/ V,但无论怎样它也大不过冻结初期时的冻胀率.主要原因就是土层中尤其冻结缘附近的温度梯度很小,致使冰析非常微弱,土水势梯度不显著,水分迁移几乎停止,导致冻胀速率与冻胀率皆很小.从图4和图5中看到,在冻结过程发展到后期冻结缘进入地下水位以下后,虽然冻胀量仍较大,但随着温度梯度的减小,其冻结速率相应降低.此时由于冻结速率很小,又处在地下水位之下,有充分的时间允许其连续不断而大量地冰分凝,又有取之不尽水源的水量供其成冰,理应会有可观的冻胀率和冻胀量出现,但终因冰分凝现象停止,土水势梯度接近于零而结束冻胀过程.冻胀性土地基,冬期在冻胀过程中的水分迁移,在其它情况下也有发生,如在炎热的夏季,土壤中存在正温度的负温度梯度,地表土温高且蒸发剧烈,由于水分迁移的作用,很快就可把土壤中一定深处的湿润土给晒干.春季空气干燥而风大,尽管地基土中处于零温度梯度,仍由于表层的大量蒸发产生湿度梯度而水分迁移现象活跃,图6和图7所示在海拉尔这样严寒的地区,冻土站所观测到最大的冻结速率ν也仅有217cm・d-1,平均冻胀率虽只有6%,但其绝对值1915cm 也不算太小,主要是冻深相对较大.不是说越冷的地区其冻结速率的绝对值一定越大(当然有关系),因为越冷的地区进入冻结期的起始日期越提前,在冻结过程中由于气温降低的负温增量被冻深增量所产生的热阻增量所消耗,致使其冻结速率维持在一个不太高的范围之内.据统计,东乌旗的最大冻深为316cm,9a之内冻结速率极大值ν=316cm・d-1,平均最大值ν=218cm・d-1[7],俄罗斯伊加尔卡冻土站(北极圈内)8a(1951—1958年)统计冻结速率极大值ν=513cm・d-1,平均最大值ν=219 cm・d-1[13].因此,可以认为,在北半球严寒的深季节冻土区(包括多年冻土区),在冬期的冻结过程中不会出现有减弱或影响冻胀发展的那种高冻结速率—临界冻结速率.4 结论综上所述,得出下列认识:(1)在自然气温条件下,对地表裸露、原状、均质的冻胀性地基土,其冻结速率不致于大到影响地基土冻胀性的发展.(2)对地基土的冻胀而言,不是冻结速率越小其冻胀速率越大或冻胀率越大,冻结速率与冻胀速率之间呈单值升函数关系;绝大多数情况下冻胀速9433期 刘鸿绪等:地基土冻胀的宏观分析 率大,其冻胀率就大;冻胀率的大小取决于冻胀速率与冻结速率之比值.(3)当地基土中的温度梯度接近零时,冻结速率再小,地下水位再浅,最终的冻胀也不会很大,温度梯度变零之后冻胀也就终止.参考文献(R eferences):[1]Xu Xiaozu,Deng Y ousheng.Experimental Study on Water Mi2gration in Freezing and Frozen soils[M].Beijing:Science Press,1991.1-113.[徐 祖,邓友生.冻土中水分迁移的实验研究[M].北京:科学出版社,1991.1-113.][2] Xu Xiaozu,Wang Jiacheng,Zhang Lixin,et al.Mechanism ofFrost Heaving and Salt Expansion of Soils[M].Beijing:SciencePress,1995.1-118.[徐 祖,王家澄,张立新,等.土体冻胀和盐胀机理[M].北京:科学出版社,1995.1-118.] [3] Chen Ruijie,Horiguchi K.Water migration in ice segregationprocess and surface melting of ice[A].Proceedings of the fifthChinese Conference on G laciology and G eocryology,Vol.1[C].Lanzhou:G ansu Cultural Press,1966.654-658.[陈瑞杰,Horiguchi K.冰的表面融化与冰分凝过程中的水分迁移[A].第五届全国冰川冻土学大会论文集(上)[C].兰州:甘肃文化出版社,1996.654-658.][4] Li Ping,Xu Xiaozu,Chen Fengfeng.State and Progress of Re2search on the Frozen Fringe and Frozen Heave Prediction models[J].Journal of G laciology and G eocryology,2000,22(1):90-95.[李萍,徐 祖,陈峰峰.冻结缘和冻胀模型的研究现状与进展[J].冰川冻土,2000.22(1):90-95.][5] He Ping,Cheng Guodong,Zhu Yuanlin.The Progress of Studyon Heat and Mass Transfer in Freezing Soils[J].Journal ofG laciology and G eocryology,2001,23(1):92-97.[何平,程国栋,朱元林.土体冻结过程中的热质迁移研究进展[J].冰川冻土,2001,23(1):92-97.][6] Chen Xiaobai,Wang Y aqing,Jiang Ping.Influence of frost pene2tration rate and surcharge stress on frost heaving.[A].Proceed2 ings of Second National Conference on Permafrost(Selection)[C].Lanzhou:G ansu Cultural Press,1983.223-228.[陈肖柏,王雅卿,姜平.冻结速率与超载应力对冻胀的作用[A].第二届全国冻土学术会议论文选集[C].兰州:甘肃文化出版社,1983:223-228.][7] Zhang Xing.Natural freezing penetrative rate of the seasonalfrozen ground in the medium temperate zone of China[A].Pro2 ceedings of Second National Conference on Permafrost(Selec2 tion)[C].Lanzhou:G ansu Cultural Press,1983.138-145.[张兴.我国中温带季节冻土的天然冻结速率[A].第二届全国冻土学术会议论文选集[C].兰州:甘肃人民出版社,1983:138-145.][8] He Ping,Cheng Guodong,Yu Qihao,et al.A couple model ofheat,water and stress fields of saturated soil during freezing[J].Journal of G laciology and G eocryology,2000,22(2):135-138.[何平,程国栋,俞祁浩,等.饱和正冻土中的水、热、力场耦合模型[J].冰川冻土,2000,22(2):135-138.][9] Liu Hongxu,Zhu Weizhong,Zhu Guangxiang,et al.Research onthe relationship of frost2heaving Forces and amount of frost-heaving again[J].Journal of G laciology and G eocryology,2001, 23(1):63-66.[刘鸿绪,朱卫中,朱广祥,等.再论冻胀量与冻胀力之关系[J].冰川冻土,2001,23(1):63-66.] [10] Shang Songhao,Mao Xiaomin.Prediction model of soil freezingtemperature and unfrozen water content based on Back-Propa2 gation Neural Network[J].Journal of G laciology and G eocryolo2 gy,2001,23(4):414-418.[尚松浩,毛晓敏.基于BP神经网络的土壤冻结温度及未冻水含量预测模型[J].冰川冻土, 2001,23(4):414-418.][11] Li Weiqian,Lei Yuping,Zhang Xiumei,et al.Study of waterand salt migration in soil under concrete mulch during freezing/thawing period[J].Journal of G laciology and G eocryology, 2001,23(3):251-257.[李伟强,雷玉平,张秀梅,等.硬壳覆盖条件下土壤冻融期水盐运动规律研究[J].冰川冻土, 2001,23(3):251-257.][12] Wu Qingbai,Sun Tao,Tao Zhaoxiang,et al.Experimentalstudies on the salt expansion of coarse grain saline soils under con2 stant temperature[J].Journal of G laciology and G eocryology, 2001,23(3):238-243.[吴青柏,孙涛,陶兆祥,等.恒温下含硫酸钠盐粗颗粒土盐胀特征及过程研究[J].冰川冻土,2001,23(3):238-243.][13〗 Liu Hongxu.Freezing rate and frost heave of soil[A].Proceed2 ing of the Symposium on Ground Freezing[C].Hanover,NewHampshire:Cold Regions Research and Engineering Laboratory,USA,1982.255-259.Macrograph Analysis about Subsoil Frost H eavingL IU Hong2xu, ZHU Guang2xiang, YIN Dong2ling, J IAN G Shou2heng (Heilongjiang Col d Region Const ruction Science Research Instit ute,Harbi n Heilongjiang150080,Chi na)Abstract:At present time,most savants consider that small freezing rate was advantageous to frost heaving.Through in situ observation,it was found that great freezing rate was more advantageous to frost heaving under natural air temperature of north hemisphere for exposed homogeneous subsoil,which is able to heave,i.e.,frost2heaving rate increases with freezing rate.K ey w ords:temperature gradient;freezing rate;frost2heaving rate;frost heaving ratio053 冰 川 冻 土 25卷 。
