土的冻胀对桩基基础的影响分析

摘 要：红岗油田15MW光伏发电项目位于吉林省，该地区为季节性冻土区域，当区域内的桩基基础埋深较浅时，极易由于受到土的冻胀融沉作用而产生病害。本文通过对土的冻胀机理及其主要影响因素进行分析，提出了桩基基础冻胀病害的防治措施，并在红岗油田15MW光伏发电项目中进行应用，取得了良好成效。

关键词：冻土；基础工程；影响；治理

引言

冻土现象主要表现为土的冻胀、融沉和土中水分在负温作用下的水分迁移现象。当外界负温的持续影响下，土中水分开始凝结成冰。同时水分在凝结成冰的过程中会发生体积膨胀，而膨胀的过程中必然要对土颗粒产生挤压作用，导致土颗粒位移，最终土体整体表现为体积膨胀现象，这就是冻胀现象。土的冻胀和融沉现象对冻土地区的桥涵基础工程具有不同程度的危害，因而对冻土地区的桥涵基础工程除按一般地区的要求进行设计施工外，还要考虑冻土的特殊要求。

1冻胀的机理分析

当土层温度降低至0℃时，该土层中的水分开始发生相变，并凝结成冰层，并对土体内部的其他部位的水分产生基质吸力。土体内部其他部分的水分在基质吸力的作用下向冰层处发生迁移，冻结锋面也会逐渐向下发展。同时由于土体内部的水分发生相变凝结成冰后会发生体积膨胀，土体体积也会因此而產生膨胀。

2影响冻胀的因素

从冻胀机理分析中可以看出，土的冻胀现象是在一定的条件下形成的，影响冻胀的因素主要有以下三方面：

2.1土的因素

冻土现象通常发生在细粒土中，特别是粉土、粉质粘土中，具有较显著的毛细现象，冻结时水分迁移积聚最为强烈，冻胀现象严重。

2.2水的因素

土的冻胀现象是由于土体中的水分发生相变凝结成冰时发生体积膨胀，当膨胀的体积超过原有孔隙体积时，土颗粒在冰晶体的挤压作用下向外发生位移而表现出来的土体体积膨胀的现象。在持续负温的作用下，土中含水率越高，发生水-冰相变的水分就会越多，土的冻胀现象也就会越强烈。

2.3温度的因素

在外界环境的影响下，当土体温度降到负温以后，土中水分开始凝结成冰，土体发生冻胀现象。因此，负温持续时间越长，土的冻胀现象也就越明显。

土质、含水率和温度是影响土体冻胀的主要因素。因此，土体中的细粒含量越高、土的含水率越高、负温持续时间越长，土体的冻胀程度就越大。

3冻土按冻胀性分类及其对基础结构物的危害

土的冻胀程度按冻胀率的大小可划分为五个等级，具体分类见见表1所示。

相关研究表明：由于在冻土中冻胀变形引起的切向冻胀力使基础向上拔，从而导致上部结构开裂，甚至发生结构物破坏；到春暖土层解冻融化后，由于上部土层积累的冰晶体融化，土中水分含量迅速增加，而下部土层仍处于冻结状态，上部土层中的水分不能及时排除，土层强度降低，导致基础结构物不均匀沉降病害发生，最终将导致工程结构遭到破坏。

4刚性扩大基础及桩基础抗冻拔的力学分析

地基土在发生冻胀的过程中，将对基础产生抗冻作用，而基础的抗冻拔稳定性可按下式计算：

当工程所在地标的准冻深较大时，若地基土为III ～V类冻胀土且工程结构的上部恒重较小时，若基础埋深较浅，桩基基础受周围土体的冻拔作用影响显著，易发生病害。因此，在设计的过程中，一定要确保桩基入土深度及刚性扩大基础的截面形式满足工程所需的抗冻拔要求。

5桩基基础在设计、施工以及日常养护中的防冻胀措施

通过对土冻胀的产生机理和主要影响因素进行分析研究，为防止土体冻胀引发桩基基础病害的发生，建议可从设计、施工、养护等方面采取以下措施。

5.1设计方面

（1）在进行勘测时，工作人员一定要认真负责，对桥涵附近的工程地质状况的勘测务必做到准确详实，确保设计人员在进行设计的过程中能准确掌握地层土质、地下水及地表水分布及工程所在地的标准冻深等情况。

（2）在基础结构形式选择的时候，设计单位应根据工程所在地的具体冻胀情况，在考虑到冻胀变形对基础结构物影响程度的基础上进行结构形式的选择。

（3）当基础设置在季节冻土地基上时，应按照冻胀土层中的基底最小埋置深度来严格确定。

（4）在进行基础设计的时候，应尽量选择抗冻胀能力强的基础结构形式。

5.2施工方面

砂砾等粗颗粒土，结合水的能力，弱土中含水率低。且由于土颗粒间孔隙的较大，毛细水上升高度很低，地下水难以迁移向冻结区域迁移，在负温的作用下土体冻胀现象不明显，属于典型的非冻胀性土。因而在有冻胀现象发生地区进行基础施工时，可以通过换填的方式将地基土换填为工程性质良好的砂砾等非冻胀性土，并做好防排水措施。

5.3养护方面

建立完善的排水设施，在基础结构物周围做好防水排水措施，经常检查进出口排水是否顺畅，维修工作及时，尽量减少地面水给冻结区的水源补给，避免发生比较强烈的冻胀现象，减少对基础结构物的损坏。

6工程概况及红岗油田15MW光伏发电项目所采取的防冻胀措施

红岗油田15MW光伏发电项目位于吉林省白城市，根据该工程的地质勘察报告显示，该工程所在地标准冻深为1.80m，最大冻深为1.84m。土体冻结期间地下水位距冻结面的最小距离小于2.0m，地层土质为粉质黏土且具有较高含水率（ω=25.1，ωp=18.7，ωp +5<ω≤ ωp +9），根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）中的相关规定进行划分属强冻胀土，冻胀等级为Ⅳ级。为了抢工期，该项目于2017年11月正式开工，基础施工面临强冻胀土的挑战。如何消除土的强冻胀成为了该项目的重大难点。

为消除土的强冻胀，减少和避免红岗油田15MW光伏发电项目的基础工程由于受到土的冻胀作用而产生病害，在考虑工程的经济性的基础上，工程基础形式设计采用预应力混凝土管桩，型号为PHC300（70）-AB-7。并对周围冻胀性土体进行开挖换填，将桩基周边换填为工程性质良好的细砂，换填方式采用钻孔换填，引孔700mm，引孔深度1.8米。工程实际表明该方法具有施工可行性，且施工成本低。目前现场8000多跟管桩已施工完毕，就现场情况看，目前状态良好，支架光伏板已经安装到位，完全能满足工程所需要求。

7结束语

基础构筑物对于建筑工程，基础发生病害后很难维修，并且会严重影响到对整个工程的安全性。因此，在冻土地区进行建筑工程基础施工时一定要特别重视，坚持以防为主、防治结合的原则，尽量减少由于冻胀而引起的结构物破坏，减少工程损失。

参考文献：

[1]凌治平，易经武.基础工程[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2]高大钊，袁聚云.土质学与土力学[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3]王志坚.青藏铁路建设中的冻土工程问题[J].中国铁路，2002（12）.

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