冻土地基

埋藏在冻土层里的地基被称为冻土地基。冻土层分季节冻土和多年冻土两种。

定义土温低于 0°C土中水部分或大部分冻结成冰的土称冻土。冻土有季节性冻土和多年冻土两种。①季节性冻土。在一定厚度的地表土层中冬季冻结夏季融化，是冻融交替的土。中国东北、华北和西北地区的季节性冻土，深度均在50厘米以上，黑龙江北部及青海地区的冻深较大,最深可达3米。②多年冻土。全年保持冻结而不融化，并且延续时间在3年或3年以上的土。多年冻土的表层往往覆盖着季节性冻土层（或称融冻层），但其融化深度止于多年冻土层的层顶。多年冻土在中国有两个主要分布区：一个在纬度较高的内蒙古和黑龙江的大、小兴安岭一带；一个在地势较高的青藏高原和甘肃新疆高山区。

冻土的工程特性气体、矿物颗粒、未冻水、冰是组成冻土的四种物质成分，气体、未冻水和冰的含量随温度变化。变形特性将冻土地基分为松散、塑性与坚硬冻土含有机物与盐类的不同将冻土分为冻结泥炭化土与盐渍化冻土根据持续时间可分为多年与季节冻土根据冻土的融沉性与土的冻胀性又可分成若干亚类。

冻结状态连续保持三年以上者，物理力学性质随温度变化而改变，伴随发生融陷、热融滑塌、冻胀等现象的视为多年冻土地面表层冬季冻结，夏季全部融化，每年交替冻融一次的土层为季节性冻土。

在冻结状态下，具有较低的压缩性或不具压缩性和较高的强度属冻土地基的工程特性。如果冻土融化后则承载力大大降低，压缩性变化较大，使地基产生融陷冻胀对地基的承载力和安全性极为不利。

土的颗粒大小及含水量可以影响冻胀和融陷，一般土颗粒愈粗，含水量愈小，土的冻胀和融陷性愈小反之愈大。不同土质、平均冻胀率、冻前天然含水量、冻结期间地下水位距冻结面的最小距离可以划分季节性冻土多年冻土根据融化下沉系数的大小，可分为不融沉、弱融沉、融沉、强融沉和融陷五级。1

主要原则冻土地区线路基础设计的关键决定于冻土地基的特性，铁塔基础设计时，首先要判明冻土地基存在的可能，当存在冻土地基时，基础的埋置深度应大于地基土的标准冻结深度。根据不同的工程地质条件，采取相应措施，消减冻涨力和进行基础极限抗冻拔稳定验算。

基础极限抗冻拔稳定验算，冬季最大风速资料应在工程初步设计中确定，当无资料时可取正常最大设计风荷载的60%，或根据工程设计经验确定。

季节性冻土地区基底持力层不允许残留冻土，如发现基底受冻应在基础浇制前予以清除，并铺设垫层，保证地基土稳定。

在季节性冻土地区除考虑常规设计内容外，尚应验算在切向冻涨力作用下基础的稳定性，若不满足要求，或改变基础型式或采取相应的防冻害措施。

在工业与民用建筑领域对多年冻土地基基础的设计一般可以采取下列不同的设计原则：

（1）保持冻结法

就是始终保持地基处于冻结状态的设计方法，一般来说，当冻土厚度较大，土温比较稳定，或者是坚硬的和融陷性很大的冻土，采用保持冻结法比较合理，特别是对送电线路基础，如能采取措施，保证基础周围冻土地基温度不比天然状态高时，可按保持冻结法进行设计。

保持冻结状态的设计宜用于下列之一的情况：

a）多年冻土的年平均地温低于-1.0℃的地基；

b）持力层范围内的地基土处于坚硬的冻结状态；

c）最大融化深度范围内，存在融沉、强融沉、融陷性土及其夹层的地基。

（2）允许融化法

就是利用正在融化或融化后的土作为地基，融陷的承载力很高的土层埋深较浅；不连续分布的小块岛状冻土融陷量不大的冻土则采取允许融化的原则较为合理。特别是对上部结构刚度较好或对不均匀沉降不敏感的结构物按允许融化原则进行设计。当予估融陷量超过地基容许变形值时，也可采取人工予融法将冻土融化后再建基础。或者适当加固地基（如换填融性不大的土等）按容许融化的原则设计时，要验算地基的强度（包括持力层和下卧层）。在确定地基的承载力值时，所采用物理力学性质指标应尽量模拟以后地基的实际受力状态。除强度验算外，还必须计算地基的变形，地基变形的计算方法和容许变形值与一般天然地基一样，仅需将压缩性指标换成正在融化中的土或已融土的变形性质指标，以便将融陷变形考虑进去。

允许融化状态的设计宜用于下列之一的情况：

a）多年冻的年平均地温为-0.5-1.0℃的场地；

b）持力层范围的地基土处于塑性冻结状态；

c）在最大融化深度范围内，地基土为不融沉和弱融沉性土；

d）地基土逐渐融化的最大深度可根据《冻土地区建筑地基基础设计规范》（JGJ118-98）附录B的要求确定。2

处理措施地基处理1、季节性冻土

冻土的冻胀、融沉，地基处理措施主要削弱冻胀、水分含量和温度对地基土工程力学性质的影响来达到防治冻害的目的。

（1）换填法

用非冻胀性材料如粗砂、砾石等更换天然地基的冻胀土，以改变冻胀。换填法防冻害的效果的好坏，与换填深度、换填材料的茹性颗粒含量、换填材料的排水条件、地下水位和地基土土质等因素有关。地下水位较高时，换填至当地冻深线以下地下水位较低地区，采暖房屋，换填深度应至冻深的，非采暖房屋，换填深度应至冻深的。

（2）物理化学法

物理化学法是指利用交换阳离子及盐分来改变地基土，实现土粒子与水相互作用，使土体中的水分迁移强度及其冰点发生变化，削弱冻胀。主要有憎水物质改良法、分散改良土法、土粒聚集和人工盐渍化法。憎水物质改良法是在土中掺入少量憎水物质如重油、液态石油沥青、表面活性剂等使土颗粒表面具有憎水性，改变渗透通道，减少含水量在土体中加凝聚成分顺丁烯聚含物、聚含丙烯酸钠等改变土体颗粒粒径。

人工盐渍化法是在土体中加入一定量的可溶无机盐如氯化钠、氯化钙等来改善土的冻胀性。

（3）保温法

保温法是在建筑物基础底部四周设置隔热层，增大热阻，延迟地基土的冻结，保持土体温度。常用的隔热材料有炉渣、玻璃纤维、泡沫混凝土、聚苯乙烯泡沫等。

2、多年冻土

多年冻土除了考虑常规的地基变形外，还应关注与温度密切相关的有效应力和温度分布。多年冻土的地基处理根据上部建筑结构、施工条件和地基土性质，采用维持冻土、逐渐融化和主动融化三种原则来考虑工程措施。年平均温度能够保持在-0.1℃，受力层地基土坚硬冻结，最大融化范围内存在融沉、融陷性土和夹层的冻土。采用维持冻土状态的处理方法，具体有架空通风基础、填土通风管基础、粗颗粒土垫高地基、热桩棒基础、保温隔热地板等措施年平均温度能够保持在-0.5℃~1.℃在受力层以上处于塑性冻结状态，在最大融深以上为不融沉或弱融沉土，高温可以对冻土层产生热影响。可采用逐渐融化的方法，加大基础埋深或用低压缩土层为持力层保温隔热地板，并架空热管道和给排水系统设置地面排水系统的措施。

年平均温度不低于-0.5℃，受力层以上地基土处于塑性冻结状态，最大融深以上存在变形量不允许的融沉、融陷性土和夹层的冻土地基。可采用粗颗粒土置换细颗粒土或预压加密和加大基础埋深的方法。

工程措施冻土地区对基础造成危害的原因是作用于基础上的切向冻涨力。国内外工程界进行了大量的实验研究，总结出许多有效方法，由于架空送电线路铁塔布置地域分散，工程地质条件多变复杂，在建筑行业常用的基础设计方法和措施，因经济指标较高或因方案复杂而无条件实施，能够直接取用的方法有限， 地基与基础的有如下几种处理方法：

1、换填法

利用非冻涨性材料（如中砂、粗砂、卵石等）置换基础周边一定范围内的冻涨性土体，避免切向冻涨力作用于基础上。

用基侧填砂来防止切向冻涨力是一个即简便又经济的好办法，但它仅适用于地下水位之上，如果所填之砂达到饱和状态和含泥量过多，在冻结时土与基础周围坚固地冻结在一起有较高的冻结强度，就会失去效果。施工时必须保证换土宽度不小于基础底板的宽度，才能保证安全可靠。

2、梯形斜面基础

该基础是将基础设计成右图的型式，国内外工程界进行的试验研究结果表明，其侧面坡度≥1：7为宜，从试验的数据看，切向冻涨力确实不小，因此，我们使用梯形斜面基础的目的，就是将基础侧面设计成不小于9度的斜面来消除切向冻涨力，这样可使基础受力清楚，计算准确，安全可靠。

关于（其截面为上小下大斜面）梯形斜面基础防切向冻涨力的问题早有简单地报道，但都认为它是锚固基础的一种，即用下部基础断面中的扩大部分来阻止切向冻涨力将基础抬起，类似于带扩大板的自锚式基础。这种作用对将基础埋深设在冻层之内的浅基础毫无意义。实验证明用斜面基础抵御切向冻涨力当β角大于等于9度时基础稳定的原因，不是由于冻涨力被下部扩大部分给锚住，而是由于在倾斜面上出现拉力分量与冷缩分量叠加之后的开裂，切向冻涨力退出工作造成的。应该说明的是，在冻涨土层范围之内的基础扩大部分根本起不到锚固作用，因在上层冻涨时基础下部所出现的锚固力，等冻深发展到该层时，随着该层的冻涨而消失了，只有处在下部未冻土中且扩大端顶面也深入到标准冻深线以以下的基础的括大部分才起锚固作用，我们所说的浅埋基础根本不存在这一深入未冻土层中的部分。

用斜面基础防切向冻涨力具有如下特点：

a .在冻涨作用下，基础受力明确，技术可靠，当其倾斜角β大于等于9度时，将不会出现因切向冻涨力作用而导致冻害事故的发发生；

b.不但可以在地下水位之上，也可在地下水位之下应用；

c.耐久性好，在反复冻融作用下防冻涨效果不变；

d.不用任何防冻涨材料就可解决切向冻涨问题；

e.该种基础施工时较常规基础相比稍有麻烦，基础表面要求光滑。2

本词条内容贡献者为:

杨晓红 - 副教授 - 西南大学