桩(柱)、墩基础抗冻胀的优化措施

如前所述,防治建筑物冻胀破坏,除了在建筑物结构上想方设法增强其本身的强度和锚固力外,另外一方面就是采取一些工程措施,以削减或消除地基土的冻胀性,达到保证建筑物不受冻害的目的。

4.3.2.1　削减或消除原地基土的冻胀性

改变原地基土的冻胀性的方法,对于桩 (柱)、墩基础来讲,一般常采用置换法、物理化学方法。

1.置换法

所谓置换法,又称换填法,就是将冻胀性的地基土置换成非冻胀性的土。

用置换法防治桩 (柱)、墩基冻害的效果与换填深度、置换平面范围、换填材料本身是否存在冻胀的可能(取决于夹杂的粉黏粒含量)、工程地点地下水位状况等因素有关。采用置换法,在有条件的情况下,还应考虑换填层的排水措施。

图4.6　几种主要的扩大基础型式

(a)板式扩大式基础; (b)变径柱;(c)阶梯式扩大基础;(d)爆扩桩;(e)球形扩大基础;(f)环式扩大基础;(g)排架式扩大基础;(h)墙基扩大式基础

(1)置换深度。原地基土的冻胀性属Ⅲ类及以上类别时,置换深度应达到设计冻深。对于地基土属Ⅰ、Ⅱ类冻胀性土时,置换深度应为设计深度的2/3。

(2)置换的平面范围(图4.7)。

如图所示,置换的平面范围R,按下式确定:

图4.7　桩基换填范围

式中 R——以桩(柱)纵轴为基准的置换半径。对于墩或板墙,应以中心线为基准的置换宽度,m;

d——桩(柱)直径,墩和板墙则为长、宽方向的尺寸,m;

H——置换深度,m。

为了达到理想的置换效果,在选用换填材料时,一定要注意其中粉黏粒含量不要超过10%,除此以外,最好将原地基土挖除后,铺设土工布将换填料包裹起来,以防后期运营过程中引起冻胀的细颗粒土从四周渗入到换填料中。如果工程量较大,造价太高,至少应在置换层顶面铺土工布防止冻胀性土侵入,土工布上盖以保护层。

2.物理化学方法

物理化学方法有多种,本书主要介绍人工盐渍化改良土和憎水物质改良土。

用物理化学方法防治土体冻胀已有半个世纪,前苏联、美国、加拿大等国对此早有研究,并在实际工程中应用。我国铁路、公路部门对物理化学方法也进行了研究,对公路路基和铁路路基进行了应用,取得了一定成果。

(1)人工盐渍化改变地基土的冻胀性。土中含盐量与土体的物理力学性质关系密切,一般来讲,当土中含盐量小于0.5%时,对土体原来的物理力学性质影响不大,但当土中含盐量大于0.5% 时,则随含盐量的增加,对土体的物理力学性质影响明显增大。当土中含盐量大于3%时,土体的物理力学性质主要取决于所含盐分及其种类,而土本身颗粒成分仅起次要作用。通常人们把溶解盐含量大于0.5%的土称为盐渍土。

土中盐分对土体的渗透压、起始冻胀温度、未冻水含量以及冻土中质热迁移都有着很大影响,同时由于土中盐分的存在,改变了冻土中冰—水相的结合,改变了土—冰—水间的界面状态。

在20世纪60年代,М·З·劳巴诺夫曾作过细砂、粉砂、亚黏土和黏土的含盐量试验,指出随着含盐量的增加,其冻胀量不断减小。在不小于-12℃的条件下,如果含盐量达到:粉砂土不小于2%、亚砂土不小于8%～10%、亚黏土不小于10%,则不发生冻胀。

根据H·A·崔托维奇试验证实,土体中含盐量与冻胀量存在的关系见图4.8。

式中 Z——土体的盐渍度,%;

Ws——经人工盐渍化后土体含水量,%;

Wη·s——“无盐分溶解体积”的含水量,略等于土颗粒强吸附水 (薄膜水)的总含量,%;

图4.8　地基土的冻胀系数与盐渍化程度之间的关系^[1]

纵坐标ηs—含有一定浓度盐量后土体冻胀系数,%;η—不含盐分时土体的冻胀系数,%;横坐标Cp·s—土体含盐浓度,可按式 (4.14)计算;Ct—在-t℃时不发生冻胀时,土体含盐浓度

γp·s—— 土体中盐溶液的容重,g/cm3。图4.8中曲线是一条指数曲线,可用式(4.15)表示:

式中 α、β——经验系数,根据H·A·崔托维奇的试验,α≈7,β≈9.12×10-4。

土体中盐分的存在,可以改变已冻结状态土体中的未冻水含量。土孔隙水中如果不含盐分,土颗粒表面能的吸附力,使水的冰点略有下降,一般稍低于0℃结成冰。如果孔隙水含有盐分,只有达到盐溶液冰点以下时方可结晶,而且随着含盐浓度的增加,冰点逐渐下降,同时低于冰点的未冻水含量也随着含盐浓度的增大而增加。

根据З·A·涅尔谢索娃和И·A·久久诺夫的研究表明,改变土的交换阳离子成分,可明显地减轻土体的冻胀。从减弱土体冻胀程度来讲,单价阳离子要比高价阳离子作用大得多。

用NaCl或KCl盐渍化土体能部分或全部消除水分向冻结锋面迁移从而消除土体的冻胀。

最后还应指出如下几点。

1)土体盐渍化防治冻胀的效果短暂,一般2～3年以后随着土中盐分的流失而丧失防冻胀能力。

2)土体中掺入的盐,其阳离子的化合价愈高,防治冻胀效果愈差,一般采用低价阳离子盐。

3)填入基础周边的盐渍化土要仔细夯实,并且至少将其表面用防水层保护起来,以减少盐分冲淋流失。(www.xing528.com)

4)利用钻孔灌入结晶盐或者饱和溶液时,应在上冻前几个月就进行,以保证地基土盐渍化均匀。

(2)用憎水物质改良土。该方法系指在土中掺入憎水性材料,利用这类收敛物使地基土改良,使其达到憎水性,削减或完全消除其冻胀性。

采用的憎水收敛物有:液态石油沥青、液体煤焦油、泥炭焦油、木焦油、重油、柴油、糖醛苯胺树脂等。

通常用石油产品或副产品与一些化学表面活性剂混合掺到土体中,使土体达到憎水性。

常用的化学表面活性剂有:

NN′—双十八烷基—NN′—四甲基乙二胺溴化物,其分子结构式为:

NN′—双十二烷基—NN′—四甲基乙二胺氯化物,其分子结构式为:

图4.9　扩大式桩基用憎水土回填示意图

表面活化剂可以使憎水的收敛物被土体颗粒牢固吸附,从而消弱水与土的结合。

用憎水物质改良土,施工起来比较麻烦,但为了达到预期效果,一般应按以下步骤进行,见图4.9。

1)将地基土挖出,晾晒风干,进行捣碎,土体中直径大于5mm 的团粒,不宜超过总土体积的10%。

2)土和收敛物加热搅拌,配料温度为120～150℃,并用带双轴叶片搅拌器的搅拌机搅拌均匀。

3)一般使用憎水土时,往往在基础周围表面用液体憎水物质刷涂两遍。

4)沿基础装上模板,将制备好的憎水土分层填筑,每层约30cm,进行夯实,直到所需高度。

4.3.2.2　降低或消除基础周边与地基土的冻结力

对于桩(柱)基础,为了防治冻拔破坏,除了上述一些方法外,也可采用力图降低或消除基础与地基土冻结力的方法。

1.油毡包裹法

对于地基土冻胀性属于Ⅲ类以下时,可以采用油毡包裹桩 (柱)在冻层范围内的基础,其做法如图4.10所示。

(1)沿冻层范围内的基础周边刷涂憎水材料(如,沥青玛脂等)。

(2)在憎水层外层涂抹工业用黄油、凡士林油之类的脂膏。

(3)外层用油毡纸包裹2～3层,包扎紧。

(4)回填周边土。

2.套管法

套管法原理与油毡包裹法相同,仅仅是将油毡纸换成套管。如图4.11所示。

图4.10　油毡包裹法示意图

图4.11　套管法示意图

套管法适用于各类冻胀土,但需要注意的问题包括如下几点。

(1)套管底部应具有底盘,底盘宽度S=30～50cm,且有足够的强度。

(2)套管底盘应置于最大冻深线以下。

(3)套管可以是整体圆筒式,也可以由两块半圆筒对接。

(4)套管与桩(柱)之间应注满油脂膏,上、下口应有橡胶圈密封。

(5)套管材质可以是预制的混凝土管或钢套管。

4.3.2.3　其他措施

其他抗冻措施还有隔水排水法、隔热保温法。隔水排水法中的排水主要是设法降低地下水位,常采用盲沟、排水暗管以给地下水出路,从而降低水分迁移量。所谓隔水就是采用不透水材料隔断地下水向基础部位的迁移。该方法对板基,挡墙基础很有使用价值。

隔热保温法就是用保温材料 (如,浮石混凝土、聚苯乙烯保温板等导热系数低的材料)设法将基础周围围护起来,以提高热阻,减少冻深,从而达到保护基础不冻胀的目的。

除此之外,在有必要时,可以在基础周围埋设加热电缆或者其他的加热方式,在冬季可以人工给地基土加热,使其保持在0℃以上,地基土不冻结,于是也不产生冻胀。

【注释】

[1]《冻土力学》,H·A·Цытович著,张长庆、朱元林译,科学出版社,1983年。