嵇學(xué)培

摘 要：紅崗油田15MW光伏發(fā)電項(xiàng)目位于吉林省，該地區(qū)為季節(jié)性凍土區(qū)域，當(dāng)區(qū)域內(nèi)的樁基基礎(chǔ)埋深較淺時(shí)，極易由于受到土的凍脹融沉作用而產(chǎn)生病害。本文通過對(duì)土的凍脹機(jī)理及其主要影響因素進(jìn)行分析，提出了樁基基礎(chǔ)凍脹病害的防治措施，并在紅崗油田15MW光伏發(fā)電項(xiàng)目中進(jìn)行應(yīng)用，取得了良好成效。

關(guān)鍵詞：凍土；基礎(chǔ)工程；影響；治理

引言

凍土現(xiàn)象主要表現(xiàn)為土的凍脹、融沉和土中水分在負(fù)溫作用下的水分遷移現(xiàn)象。當(dāng)外界負(fù)溫的持續(xù)影響下，土中水分開始凝結(jié)成冰。同時(shí)水分在凝結(jié)成冰的過程中會(huì)發(fā)生體積膨脹，而膨脹的過程中必然要對(duì)土顆粒產(chǎn)生擠壓作用，導(dǎo)致土顆粒位移，最終土體整體表現(xiàn)為體積膨脹現(xiàn)象，這就是凍脹現(xiàn)象。土的凍脹和融沉現(xiàn)象對(duì)凍土地區(qū)的橋涵基礎(chǔ)工程具有不同程度的危害，因而對(duì)凍土地區(qū)的橋涵基礎(chǔ)工程除按一般地區(qū)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)施工外，還要考慮凍土的特殊要求。

1凍脹的機(jī)理分析

當(dāng)土層溫度降低至0℃時(shí)，該土層中的水分開始發(fā)生相變，并凝結(jié)成冰層，并對(duì)土體內(nèi)部的其他部位的水分產(chǎn)生基質(zhì)吸力。土體內(nèi)部其他部分的水分在基質(zhì)吸力的作用下向冰層處發(fā)生遷移，凍結(jié)鋒面也會(huì)逐漸向下發(fā)展。同時(shí)由于土體內(nèi)部的水分發(fā)生相變凝結(jié)成冰后會(huì)發(fā)生體積膨脹，土體體積也會(huì)因此而產(chǎn)生膨脹。

2影響凍脹的因素

從凍脹機(jī)理分析中可以看出，土的凍脹現(xiàn)象是在一定的條件下形成的，影響凍脹的因素主要有以下三方面：

2.1土的因素

凍土現(xiàn)象通常發(fā)生在細(xì)粒土中，特別是粉土、粉質(zhì)粘土中，具有較顯著的毛細(xì)現(xiàn)象，凍結(jié)時(shí)水分遷移積聚最為強(qiáng)烈，凍脹現(xiàn)象嚴(yán)重。

2.2水的因素

土的凍脹現(xiàn)象是由于土體中的水分發(fā)生相變凝結(jié)成冰時(shí)發(fā)生體積膨脹，當(dāng)膨脹的體積超過原有孔隙體積時(shí)，土顆粒在冰晶體的擠壓作用下向外發(fā)生位移而表現(xiàn)出來的土體體積膨脹的現(xiàn)象。在持續(xù)負(fù)溫的作用下，土中含水率越高，發(fā)生水-冰相變的水分就會(huì)越多，土的凍脹現(xiàn)象也就會(huì)越強(qiáng)烈。

2.3溫度的因素

在外界環(huán)境的影響下，當(dāng)土體溫度降到負(fù)溫以后，土中水分開始凝結(jié)成冰，土體發(fā)生凍脹現(xiàn)象。因此，負(fù)溫持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，土的凍脹現(xiàn)象也就越明顯。

土質(zhì)、含水率和溫度是影響土體凍脹的主要因素。因此，土體中的細(xì)粒含量越高、土的含水率越高、負(fù)溫持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，土體的凍脹程度就越大。

3凍土按凍脹性分類及其對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物的危害

土的凍脹程度按凍脹率的大小可劃分為五個(gè)等級(jí)，具體分類見見表1所示。

相關(guān)研究表明：由于在凍土中凍脹變形引起的切向凍脹力使基礎(chǔ)向上拔，從而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)開裂，甚至發(fā)生結(jié)構(gòu)物破壞；到春暖土層解凍融化后，由于上部土層積累的冰晶體融化，土中水分含量迅速增加，而下部土層仍處于凍結(jié)狀態(tài)，上部土層中的水分不能及時(shí)排除，土層強(qiáng)度降低，導(dǎo)致基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物不均勻沉降病害發(fā)生，最終將導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)遭到破壞。

4剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)及樁基礎(chǔ)抗凍拔的力學(xué)分析

地基土在發(fā)生凍脹的過程中，將對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生抗凍作用，而基礎(chǔ)的抗凍拔穩(wěn)定性可按下式計(jì)算：

當(dāng)工程所在地標(biāo)的準(zhǔn)凍深較大時(shí)，若地基土為III ～V類凍脹土且工程結(jié)構(gòu)的上部恒重較小時(shí)，若基礎(chǔ)埋深較淺，樁基基礎(chǔ)受周圍土體的凍拔作用影響顯著，易發(fā)生病害。因此，在設(shè)計(jì)的過程中，一定要確保樁基入土深度及剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)的截面形式滿足工程所需的抗凍拔要求。

5樁基基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)、施工以及日常養(yǎng)護(hù)中的防凍脹措施

通過對(duì)土凍脹的產(chǎn)生機(jī)理和主要影響因素進(jìn)行分析研究，為防止土體凍脹引發(fā)樁基基礎(chǔ)病害的發(fā)生，建議可從設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)等方面采取以下措施。

5.1設(shè)計(jì)方面

（1）在進(jìn)行勘測(cè)時(shí)，工作人員一定要認(rèn)真負(fù)責(zé)，對(duì)橋涵附近的工程地質(zhì)狀況的勘測(cè)務(wù)必做到準(zhǔn)確詳實(shí)，確保設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中能準(zhǔn)確掌握地層土質(zhì)、地下水及地表水分布及工程所在地的標(biāo)準(zhǔn)凍深等情況。

（2）在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式選擇的時(shí)候，設(shè)計(jì)單位應(yīng)根據(jù)工程所在地的具體凍脹情況，在考慮到凍脹變形對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物影響程度的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)形式的選擇。

（3）當(dāng)基礎(chǔ)設(shè)置在季節(jié)凍土地基上時(shí)，應(yīng)按照凍脹土層中的基底最小埋置深度來嚴(yán)格確定。

（4）在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)盡量選擇抗凍脹能力強(qiáng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式。

5.2施工方面

砂礫等粗顆粒土，結(jié)合水的能力，弱土中含水率低。且由于土顆粒間孔隙的較大，毛細(xì)水上升高度很低，地下水難以遷移向凍結(jié)區(qū)域遷移，在負(fù)溫的作用下土體凍脹現(xiàn)象不明顯，屬于典型的非凍脹性土。因而在有凍脹現(xiàn)象發(fā)生地區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)施工時(shí)，可以通過換填的方式將地基土換填為工程性質(zhì)良好的砂礫等非凍脹性土，并做好防排水措施。

5.3養(yǎng)護(hù)方面

建立完善的排水設(shè)施，在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物周圍做好防水排水措施，經(jīng)常檢查進(jìn)出口排水是否順暢，維修工作及時(shí)，盡量減少地面水給凍結(jié)區(qū)的水源補(bǔ)給，避免發(fā)生比較強(qiáng)烈的凍脹現(xiàn)象，減少對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物的損壞。

6工程概況及紅崗油田15MW光伏發(fā)電項(xiàng)目所采取的防凍脹措施

紅崗油田15MW光伏發(fā)電項(xiàng)目位于吉林省白城市，根據(jù)該工程的地質(zhì)勘察報(bào)告顯示，該工程所在地標(biāo)準(zhǔn)凍深為1.80m，最大凍深為1.84m。土體凍結(jié)期間地下水位距凍結(jié)面的最小距離小于2.0m，地層土質(zhì)為粉質(zhì)黏土且具有較高含水率（ω=25.1，ωp=18.7，ωp +5<ω≤ ωp +9），根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007-2011）中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行劃分屬?gòu)?qiáng)凍脹土，凍脹等級(jí)為Ⅳ級(jí)。為了搶工期，該項(xiàng)目于2017年11月正式開工，基礎(chǔ)施工面臨強(qiáng)凍脹土的挑戰(zhàn)。如何消除土的強(qiáng)凍脹成為了該項(xiàng)目的重大難點(diǎn)。

為消除土的強(qiáng)凍脹，減少和避免紅崗油田15MW光伏發(fā)電項(xiàng)目的基礎(chǔ)工程由于受到土的凍脹作用而產(chǎn)生病害，在考慮工程的經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，工程基礎(chǔ)形式設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，型號(hào)為PHC300（70）-AB-7。并對(duì)周圍凍脹性土體進(jìn)行開挖換填，將樁基周邊換填為工程性質(zhì)良好的細(xì)砂，換填方式采用鉆孔換填，引孔700mm，引孔深度1.8米。工程實(shí)際表明該方法具有施工可行性，且施工成本低。目前現(xiàn)場(chǎng)8000多跟管樁已施工完畢，就現(xiàn)場(chǎng)情況看，目前狀態(tài)良好，支架光伏板已經(jīng)安裝到位，完全能滿足工程所需要求。

7結(jié)束語(yǔ)

基礎(chǔ)構(gòu)筑物對(duì)于建筑工程，基礎(chǔ)發(fā)生病害后很難維修，并且會(huì)嚴(yán)重影響到對(duì)整個(gè)工程的安全性。因此，在凍土地區(qū)進(jìn)行建筑工程基礎(chǔ)施工時(shí)一定要特別重視，堅(jiān)持以防為主、防治結(jié)合的原則，盡量減少由于凍脹而引起的結(jié)構(gòu)物破壞，減少工程損失。

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