西藏高寒地区冻土层施工技术的研究

索朗白姆 杨才滨

摘要：介绍西藏高寒地区冻土层的情况及其对建筑工程的影响，并提出解决高寒地区冻土层施工的措施。

关键词：高原冻土；施工技术

中国的多年冻土主要分布在两大地区，即分布在东北部的高纬度多年冻土区及分布在青藏高原的高海拔多年冻土区。在以前进行寒区基本建设时，由于当时尚无有关的设计规范，设计人员处于无章可循的状态，单凭设计人员在冻土地区建设方面的有限知识进行盲目设计，结果由于设计不符合冻土地质的客观规律（如考虑融化下沉不足或忽视冻胀力的作用）而导致建筑物失稳破坏。这种破坏数量之多，损失之大众是所周知的。有的地区破坏率高达50%—60%，严重破坏者达30%。[1]

本研究主要是通过研究更好地解决冻土层在建筑施工中的难题，通过研究调查发现，目前，国内外对冻土层的施工方面存在的问题进行了分析和探讨，并通过大量的研究和试验证明，冻土层已不再完全是建筑施工技术的难题，这种技术研究，改变了过去传统的冬季施工难、延长施工时间等问题。随着社会技术的发展，施工方已经可以在各种土层、砂层、淤泥中施工。其目的是达到最经济、最快捷、最环保，实现了高效节约环保的科学施工理念。现在，我们主要研究的是：如何能够更彻底、更具体地解决在西藏高寒冻土地区施工的问题。

我们将从建筑施工工艺、建筑材料、结构设计等方面，对西藏高寒地区冻土层施工技术进行进一步研究。

一、西藏高寒地区冻土层对建筑工程的影响

西藏是中国最大冻土分布区之一，也是世界上中低纬度地区海拔最高、面积最大的冻土区。冻土对西藏各类建筑工程的设计，施工等均有着重要影响。

（一）西藏高原冻土及其特征

何为冻土呢？具有0℃和负温，并含有冰的各类土岩称为冻土，冻土区别于常规融土的最本质的特征是冰的存在。一般来说，并不是温度低于0℃融土就会立即成为冻土，土受冷冻结的过程如图所示，即首先要经过一个过冷的阶段，温度达到Tsc时，土才会开始冻结，这时过冷的水处于亚稳定状态。当水突然结晶成冰时，放出大量的潜热，使得温度上升到Tf。在此温度下，土中的自由水被冻结，继续释放潜热，土的冷却过程缓慢。当自由水被完全冻结后，这时结合水开始成冰，释放的潜热不多，冷却过程才会继续。Tf称为土的冻结温度，对于粗粒土，这个温度接近0℃，而对于细粒土尤其是黏土，冻结温度可能会低达—5℃。[2]

1、西藏高原冻土的类型

西藏高原的冻土种类繁多，按冻土时间的长短可分为季节冻土、隔年冻土和多年冻土。按含冰的特征可分为：少冰冻土，多冰冻土，富冰冻土，饱冰冻土和含土冰层。具体分类如下表所示。

2、西藏高原冻土的分布

根据资料，西藏多年冻土分布可分为5个不同的冻土区：藏北羌塘高原连续多年冻土区，岗底斯山、念青唐古拉山大片岛状多年冻土区，雅鲁藏布江流域季节冻土区，喜马拉雅山高山极高山岛状多年冻土区和藏东南极高山零星岛状多年冻土区。西藏多年冻土下界分布有显著的自北而南逐渐升高的趋势，其中昆仑山多年冻土下界为海拔4200～4300米，唐古拉山多年冻土下界为海拔4600～4700米，喜马拉雅山多年冻土下界为海拔5000米，横断山多年冻土下界为海拔5200～5800米。

（二）冻土引发常见工程问题

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共同作用所引起的；另一方面则是次年春天地基解冻时所引起的不均匀沉降。一般房屋向阳面地基土的冻层较浅，含冰量少；阴面地基土的冻层较深，含冰量多。因此，阴面土体膨胀变化相对较大，往上抬拱得相对厉害，导致房屋基础所受冻胀力是不均匀的。土层解冻时地基土中积聚的冰晶体融化，使土中含水量大大增加，加之细粒土排水能力差或基底下还有土层未解冻，上面已融化的土层中的水渗透不到土层深处，基底土层处于饱和软化状态，强度大大降低，使建筑物发生下陷成为融陷。这样每年冻融交替，造成了浅基础建筑物的开裂。在房屋冻害方面。常见的破坏现象有：

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。

2、台阶隆起、门窗歪斜

部分居民住宅，每到冬天，由于台阶隆起，外门不易开关。明年开冻以后，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。

3、天棚抬起

主要是因冬季外墙基础因冻胀抬起，而内墙基础因采暖而没有受冻胀影响，天棚是支承在外墙上的，致使内墙顶面与天棚脱开，出现裂缝，最大的可达10~20ram。春季地基融化后回落，裂缝宽度缩小。

4. 墙壁裂纹

轻型住宅裂缝、最普遍。常在房屋的转角、门、窗、洞口附近、山墙等处，出现水平裂缝、垂直裂缝和斜裂缝。水平裂缝常发生在门、窗洞口上下墙的横断面上，往往沿房屋的长度方向出现，水平裂缝又因房屋的结构和采暖情况不同，裂缝有内大外小或外带内小。垂直裂缝一般多出现在内墙和外墙的连接处，外门斗、群房和主体结构连接处。这种裂缝主要是地基冻胀不均引起的。斜裂缝主要是由于房屋周边产生不均与冻胀和融化沉陷引起的，沿着门、窗洞口的对角方向出现。有的出现对称正八字和倒八字裂缝，也有在山墙上出现不对称的斜裂缝。

由冻土所引发的工程问题还有很多，只有认识和了解了这些问题产生的本质，才能更好的节约投资，做出好的工程。

二、 西藏高寒地区冻土层施工技术策略研究

（一）在设计中应采取的措施

1、基础设计

（1）合理确定基础埋深

建筑物基础应有足够的深度，以保证建筑物的稳定，建筑物基础埋深应根据建筑结构的形式、建筑结构的高度等确定。一般情况下，基础埋深宜不小于冰冻深度，若采用灰土基础，冰冻深度应算至灰土顶面；若为砼基础、毛石基础，冰冻深度应算在基础底部或砼层底部。当建筑基础底面之下允许有一定厚度的冻土层时，可按《建筑地基基础设计规范》GB5007-2002中5.1.8确定。

（2）基础变形协调

对于冻土地基，在岩石出露的地方应采用砂垫层进行褥垫处理，用以保温和减少应力集中和不均匀沉降。

在设计中, 主体建筑物与附属建筑物不能共用一个基础, 要各自单设, 防止受冻胀时变形不协调, 引起建筑物产生冻害事故。

（3）合理利用上部荷载，加强对基土冻胀力的抑制

对不采暖的建筑物、围墙、花池、建筑小品等上部结构荷载较小的，在设计中应充分利用上部结构荷载对地基土冻胀力的抑制作用。设计基础断面时应尽量考虑采用独立墩或桩基础。使地基承载能力得到充分利用, 尽量减小基础断面面积,增大基础底面压应力。并在适当位置设变形缝, 在梁或砖拱下留出10—15cm高的冻胀空隙。为保证所留空隙质量, 可在梁下的内外侧,用砖或砼土板把填土挡住, 为防止冻切力对建筑物基础的危害,在基础周围涂沥青玛蹄脂作为防冻隔离层,尽量使基础侧表面变的平整光滑,减小地基土与建筑物基础之间的冻结, 防止法向冻胀力与冻切力对建筑物基础的危害。

（4）避免对地基土的冻胀约束

对那些接触地面的外墙悬挑式的墙壁垛, 墙壁板,要分两方面进行考虑。一方面对悬挑较小的墙壁垛基础可与主体基础同步砌出,变为有基础墙垛。另一方面对悬挑较大的墙壁板, 要与地表面之间留出 20—30cm 高的冻胀空隙。这样可以消除壁垛、壁板对地基土的冻胀约束,防止冻害事故的发生。[3]

2、上部结构设计

（1）加强结构刚度

加强结构的刚度，以提高房屋抵抗不均匀变形的能力，加强结构刚度的方法有如下几种：

1）增设钢筋混凝土圈梁,增加框架内的钢筋用量； 2）尽量用构件受拉、压代替受弯曲；3）合理布置支承；4）用肋或隔板增强刚度；5）合理设计断面形状；6）采用新型复合材料节点，采用钢纤维砼和劲性砼梁柱节点效果较好。由于劲性钢材或钢纤维与砼的共同工作，使得节点区砼的受力性能特别是剪切变形大大改善，延性和耗能能力显著提高。

（2）预留冻胀变形缝

对建筑物主体与附属部分的门台阶, 散水坡之间、 雨篷柱与大门台阶之间要留出变形缝,然后用沥青玛蹄脂灌缝。门台阶、 散水坡等在现浇混凝土前, 要作防冻隔离层。通常采用 20— 30cm 厚的炉渣或河流石等松散材填充。散水坡与建筑物之间留出足够的变形缝,分段长度不宜过长, 通常为 100—120cm 长,保证建筑物受冻胀时变形互不制约, 以免造成这些建筑物附属部分产生过大的变形,影响正常使用。

（二）施工中的基础处理

1、改进混凝土施工工艺，方法如下：

混凝土遭受冻害，强度停止增长；正温条件恢复，解冻后的混凝土强度仍然能继续增长，但其强度则有明显的降低。混凝土浇筑后立即遭受冻害，其内部产生大量微裂纹，将大大降低混凝土的强度、密实性和耐久性，因此，新浇筑的混凝土必须防止遭受冻害。

在冻土条件下施工前，砂石必须备足充分的料源，同时尽量减少骨料中的水分含量，尤其是砂子在结冻前必须备料充分，避免骨料中出现结冰现象，影响后续生产的正常进行。骨料中不得混有冰雪、冰块及已经被冻裂的矿物质，对砂子储存场进行搭设保暖棚，确保混凝土的施工质量。

2、人工地基处理措施

（1）换土法

所谓的换土法就是采取偷梁换柱的方法，将那些含水量大的素土换成干燥的沙土或鹅卵石、碎石等有利于施工的材料，虽然这种做法相对成本较高，但它可以缩短施工时间，相比之下，这种方法确实可行，达到了一定的目的，它也是在现实施工中较为常用的一种方法。

（2）深穿基础法

这种方法主要适用于土壤中含水量大且存在隔年冻土层和永久冻土层，为了使基础不受冻土的影响，我们通常采用深穿隔年冻土直到永久冻土层，这样既可以为施工方提供方便，而且还为甲方节约投资，这样的建筑通常采用的基础形式是桩基或筏基。

（3）采用桩基

深季节冻结区或高含冰量多年冻土区，如果建筑物设在冻结敏感地基土上，宜优先采用桩基。若预期多年冻土有小量累积融化，则将结构物支承在桩上，桩冻于多年冻土中，其深度要充分低于结构物计划使用期内冻土预期退化上限，且要足以抵抗冬季冻胀力，就可避免结构物的下沉。

（4）钻孔

在钻孔机械的选择上优先选用实心冲击钻，尽量不要使用空心钻。因为实心冲击钻的工作原理是将孔内的土向两侧挤压，这可以使冻土融化后产生的空隙被新的土填满，从而使孔壁更加稳定。而空心钻是将孔内的土冲散后掏出，末土融化后产生的空隙将无法得到补充，进而出现塌孔的现象。

在钻孔时间的把握上，尽量在冬季进行钻孔施工，此时可采用干孔成孔，即在钻进的过程中保持泥浆淹没钻头3—4m，上部的泥浆可随着钻孔深度的增加而清除，孔壁暴露在外界温度下很快就会重新冻结，保证了孔壁的稳定。

成孔后要尽快进行灌注施工。因为成孔后停留的时间越长，冻土融化的程度就越大，产生塌孔的可能性就越大。这就要求施工方要合理组织生产，充分利用手中的人力资源和设备资源，在最短的时间内完成灌孔施工，一般要求在成孔后12h内完成混凝土的灌注。[4]

三、结语

冻土层的存在不仅给施工方带来直接的施工困难，而且还会增加投资成本,给甲方带来许多的麻烦。因此，要避免这些问题,我们必须做出正确、合理的规范标准，结合工程实际，实践出真知，有效的组织员工，严格履行各自职能，只有这样，才能做到既有利于保证施工的顺利，也有利于保证工程的质量。

在冻土层进行施工，可以说是困难重重，而工程完工以后，由于冻土的工程特性，建筑物还将面临着的冻土的危害，这就要求工程的质量必须要高，并且要符合西藏高寒地区冻土工程的各种特性。仅仅依靠本文所列的方法，还远远不够，在实际的施工过程中，我们必须要经过历代人才的不断努力，不断的总结，才能更好的解决西藏高寒地区冻土层施工的各种难题。

参考文献

[1] 中国寒区建筑基础设计—刘鸿绪，朱元林

[2] 冻土的力学性质及研究现状—齐吉琳，马巍

[3] 建筑物冻害事故预防及处理—刘宝福，王凤翔

[4] 高原多年冻土施工及不良地质工程的处理—李永