冻胀性地基改良的有效措施

地基的冻胀性取决于土、水、温、压四个要素,其中地基土质条件是决定地基冻胀敏感性的内部因素;而水分、温度和压力条件则是决定地基冻胀敏感程度的外部因素。如果能够把冻胀敏感的地基土改良成冻胀不敏感的地基土,也就从根本上消除了地基的冻胀性。影响冻胀敏感性土质条件主要包括地基土的物理、化学成分,土的颗粒组成和土的密度。消除地基土冻胀的措施主要有物理化学法、换填法和动力法。

5.4.6.1　物理化学法改良地基

物理化学法改良地基是通过外加物质与土颗粒进行物理作用或化学作用,从而改变地基土的特性,以减少或消除地基冻胀的一种方法。主要是改变地基土与水相互作用的物质(降低土粒表面自由能量,改变土粒的亲水性,矿物的水化性,地基的透水性)和改变地基冻结温度特性(降低冻结温度)。

用物理化学法防止地基冻胀已有40多年的历史,前苏联、美国、加拿大等国家不仅早已注重了物理化学法防地基冻胀的研究,而且在工程实践中也得到了越来越多的应用。我国近10年也开始了这方面的研究工作。

根据不同的防冻胀作用机理,物理化学法改良地基目前主要采用人工盐渍化、掺加憎水物质和利用外加剂改变土的分散性三种方法。

1.人工盐渍化改良地基土

人工盐渍化改良地基就是在地基中加入适量的可溶性无机盐,提高孔隙水盐分浓度,使土壤盐渍化,从而降低土的冻结温度。抑制水分迁移,把冻胀性地基土改良为非冻胀性地基土。常用的盐类有氯化钠 (NaCl)、氯化钙 (CaCl2)、氯化钾 (KCl)等。当含盐量大于3%时,土体物理力学性质主要取决于盐分和盐的种类,土本身的颗粒成分仅起次要作用。含盐量对土冻胀的影响是十分明显的。

当土孔隙水中所含可溶盐少到可以忽略不计时,孔隙水约在0℃即开始冻结,若孔隙水中含有可溶盐,则只有当温度降低到盐溶液的冰点时溶液才开始结晶,且随着溶液浓度增加,冰点继续下降。盐分可以降低土的冻结温度。另外,低于冰点后土中未冻水含量也是随着盐分浓度的增大而增加,因此,盐分又能在相同温度下减少土的冻胀量。在土温低于-12℃的条件下,要使土体完全没有冻胀时的盐溶液浓度:粉砂为2%;亚砂土为8%～10%;亚黏土为10%以上。

盐渍化地基的加盐方法可以直接将盐铺洒在地基上,通过水的淋溶渗入地基,也可采用拌合法或钻孔注入法进行。

人工盐渍化改良地基土,由于水的淋溶作用常使盐分流失,抗冻胀的耐久性不好,一般有效期在2～4年。

2.掺入憎水剂改良地基土

在土中加入憎水性物质(一般有机高分子物质),使土颗粒表面活性收敛,冻结时就可以避免水分迁移,从而减少或消除地基冻胀,达到改良地基冻胀的目的。相关的材料在本书的第4章已作了详述。

3.凝固加固法改良地基土

采用胶凝材料或聚合剂将高度分散状的地基土胶结成固状态或聚合成大的团粒状态的坚实地基,不仅可以提高地基承载力,而且能从根本上消除地基的冻胀性。

目前采用的化学胶混浆液有以下几种。

(1)水泥浆液:用高标号的硅酸盐水泥和速凝剂组成的浆液,应用较多。

(2)以硅酸钠(即水玻璃)为主的浆液:常用水玻璃和氯化钙溶液。

(3)以丙烯酸为主的浆液。

(4)以低浆液为主的浆液,如重铬酸盐木质素浆。

加固的施工方法有压力灌注法、施喷法、旋转搅拌法和电渗硅化法等。对渗透系数大于10-4～10-3cm/s的砂性土,可以采用高压灌注法加固地基,对渗透系数小于10-4cm/s的黏性土可采用旋转搅拌法或电渗法加固地基。采用电渗法时把带孔的注射管做阳极,滤水管做阴极,将水玻璃和氯化钙溶液先用电阳极压入土中,并通以直流电,在电渗作用下,孔隙水由阳极流向阴极,化学溶液也同时随之流入土的孔隙中,并在土中生成硅胶,将土粒胶结。

加固后的地基抗压强度大大提高,如软黏土渗透系数大于1×10-6cm/s时,加固后无侧限抗压强度为294～588kPa。土的含水量降低15%～20%,透水将降低近百倍,土不再具有冻胀性。

聚合剂的作用是使土中的细颗粒凝聚成较大粒径的团粒。常用的顺丁烯聚合物,聚合丙烯酸钠,聚乙烯醇和高能阳离子Fe3+、Al3+等聚合剂都有防冻胀效果。

5.4.6.2　动力法改良地基

动力法改良地基是利用强大的动力预先将地基土高度压密,使地基的孔隙率压缩到最低限度,极大的降低土的含水量和渗透系数,并使冻结时的水分迁移几乎不可能发生,从而避免地基冻胀的一种改变地基土结构的地基改良措施。目前常用的有强夯地基和压实土地基。

强夯法是使用几十吨的重锤,从10m 的高处自由落下,对土进行强力夯实。夯实法一般采用50～800t·m 的冲击能使土中出现冲击波和很大的应力,造成土中孔隙压缩或土体局部液化,夯击点周围产生裂隙,顺利地逸出孔隙水,造成土体迅速固结。经两次夯实加固后的地基承载力可提高2～5倍,影响深度在10m 以上。对各种黏性土、沼泽土、泥炭土都适用,还可用于水下夯实。(www.xing528.com)

强夯法目前在理论上还不算成熟,尚无完整的设计计算方法,对最佳夯实能,夯实次数,夯击点的间距,以及前后两遍之间的间歇时间(孔隙水压力的消散时间)要通过试验确定。

对基土的夯击影响深度按加固地基要求由式(5.26)决定:

式中 H——夯击影响深度,m;

M——锤重,kN;

h——落距,m。

一般夯击速度为每分钟两击。

对小型工程可采用压实土地基,在整个冻深范围内,压实干密度要接近标准击实试验的最大干密度。

目前动力法改良地基抗冻性的措施正在得到越来越广泛的应用。

5.4.6.3　换填地基

换填地基是用粗砂、砾石、碎石等冻胀不敏感的黏性地基土,以削弱或消除地基冻胀,这也是一种抗冻害地基改良措施。

工程实践和试验研究表明:换填地基抗冻害效果的好坏取决于换填范围,换填料的纯净程度,地下水位高低,换算地基的排水条件及建筑物荷载,基础部分的结构形式等多种因素。

1.换填地基范围的确定

换填地基范围包括换填深度、平面尺寸和基础侧面的换填厚度三方面内容。换填范围根据当地冻深、地基土的冻胀性、透水性、地下水位高低、基础结构形式、建筑物荷载及允许位移条件确定。同时还要兼顾到地基承载能力、渗流稳定、降低工程造价等其他方面的要求。正确的确定换填范围对换填地基的抗冻害效果和建筑物安全是重要的。

换填深度的确定:换填深度主要根据建筑物地基土冻深大小、地基土的分层冻胀量大小及建筑物允许位移条件确定换填地基深度,可按式(5.27)计算

式中 Kh——有效冻深系数,由表5.9查取;

Hd——工程设计冻深,cm。

表5.9　有效冻深系数Kh值表

2.平面换填范围

其确定原则是使基础周围地基土的冻胀对基础不发生有害影响,即换填范围应大于基础对周围地基土冻胀的约束范围。因此平面换填范围的确定主要根据基础周围地基土的冻胀性、地下水位高低和换填地基的排水条件。

根据实验观测和实际工作经验,在地下水位低于换填层底面0.5m 以上时,换填层处于疏干状态,换填土体冻结强度低,约束影响距离减小,此时平面上扩大的换填尺寸至基础边缘距离可取基础下地基土冻胀层深度的0.5倍。当地下水位高,换填层处于饱水状态时,换填地基和周围土体冻结成整体,基础对地基冻胀的约束范围加大,此时平面上扩大的换填尺寸应不小于基础下地基土冻胀层深度的1倍。

综上所述,抗冻害地基改良的各项措施是有效的,有时综合采用地基土改良措施抗冻效果更好,如人工盐渍化改良地基和动力法改良地基配合使用,以提高盐渍化地基抗冻效果,延长有效使用年限就有着重要的意义。