郝忠利 余亚冬
中汽研汽车工业工程（天津）有限公司
摘要：冻胀对建筑物、道路及室外管网影响较大，高寒地区更为严重，会引起建筑物倒塌、道路塌陷及管网断裂，必须引起重视。本文就此进行了分析和探讨并总结了施工要点，为高寒地区施工提供参考。
关键词：高寒地区 冻胀 施工要点
一、冻胀的机理分析
水在4℃时体积最小，冰具有冷胀热缩的物理特性，温度越低，冰的体积越大。含水土壤在冻结过程中，土中的水冻结成冰，体积膨胀，膨胀率超过土体空隙率后，将引起土颗粒的相对位移，产生土体膨胀；同时也包括土冻结过程中下部未冻结土中的水分迁移并向冻结面富集，水分相对集中，水与土粒分异形成冰透镜体或冻夹层，使土体积膨胀，这种现象称为冻胀。
冻胀一般会导致地面发生变形，土层均匀或不均匀隆起、鼓包、开裂等，土体结构发生破坏，融化后土体承载力降低。
在砂浆、混凝土等含水材料受冻后，冰的膨胀率大于材料的空隙率时，当产生的冻胀应力大于材料自身的结构强度时，也会发生冻胀现象。
二、冻胀及冻融对建筑物、道路、室外管网的影响
（一）对于建筑物的影响：
建筑物地基土冻胀后，基础下部的地基向上膨胀突起，当受到基础约束后，产生向上的推力；同时，基础四周的回填土冻胀后，土体与基础四壁产生摩擦力对基础产生了向上的拔力。当基础上部的荷载较小时，上拔力及向上推力大于重力时，则基础被拔起，产生破坏。
建筑物外墙的条形基础、地梁，因室内外温差影响，内外冻胀土产生的水平推力不同，会对基础产生侧向推力，使基础侧向位移。条形基础局部断裂，基础侧向产生垂直裂纹。
当基础埋深较浅时，冻胀使基础整体抬高或者局部抬高。经过冬夏多次冻融、缓冲，基础断裂破碎。
当基础埋深不同、地基土冻胀程度不一致或上部荷载不均匀时，将产生不均匀冻胀使建筑物升降程度不一，建筑物会将出现裂缝甚至倾斜。
对于抹灰、粘贴磁砖等湿作业装修装饰工程原则上要避免冬季施工，高寒地区在气温达到零度前，施工完成的半成品或成品的含水率必须达到不冻胀要求（有足够的空隙量释放冰的膨胀量或结构强度大于膨胀应力）。
（二）对于道路的影响：
道路基础及地基土冻胀后，结构层向上隆起，路面将出现冻胀裂缝，造成结构层断裂，面层变形、渗水。融化后，基层及地基土含水率增大，土体结构发生破坏，基础承载力严重下降，特别是循环冻融后，道路将不能正常使用。
（三）对于室外管网的影响：
埋设于冻胀土层内的管道，给排水、消防及采暖等管道内的水受冻后不能流动且结冰膨胀后，当管道内冰的冻胀应力大于管道强度时，管道将被冻裂，而且积水后会加重冻胀程度；同时室外管网在冻胀土体内将随着土体膨胀产生位移，当变形程度较大时，管道等设施就会被破坏，与建筑物连接处尤其明显。
三、设计及施工规范的对冻胀的相关规定
《建筑地基基础设计规范》通过确定基础最小埋深及对冻胀、强冻胀及特强冻胀地基土、回填土及基础规定采取符合规范要求的措施来进行设计。
规范中根据土的粒径、含水率及地下水距冻结面的距离将土分成不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀五类。
通过对土的分类、冻胀性及环境影响确定设计地区的场地冻结深度，减去再跟据地基土类型（弱冻胀及冻胀）、基础类型、采暖情况及建筑荷载情况确定基础下允许冻土层厚度，最终确定基础最小埋深。
通过规范相关规定可以看出，土体冻胀性是规范考虑的主要因素，不同土体在冻结期间的地下水位、含水量对于土体的冻胀性影响很大。
通过分析：冻结期间地下水位距冻结面的距离越大，冻胀率越低；土体粒径越大，冻胀率越小；土体含水率越小，土体冻胀率越小；土体粒径越小，水位距冻结面影响深度越大；环境温度越低，土体季节性冻结面越深。
四、高寒地区建筑施工的建议
在高寒地区，冬季气温可达-45℃，此时土体冻结面很深，距离地下水位距离会减少，而且建筑物周边雨生产废水、生活污水融化的雪水等渗入基础四周甚至地基土后，会改变原土体的含水率及冻结面距地下水位的距离，当温度越低时，土中冰夹层、冰镜体体积会越大，冻胀率就越大，冻害就越严重。
在高寒地区，室内外温差可达60℃，基础室内外两侧冻胀推力不一致，一般基础抗水平推力能力很弱，很可能造成基础的侧向位移。
当建筑物施工过程中及完工后，土体含水量动态变化较大，当含水量比勘察时含水量加大后，会致使有些不冻胀及微冻胀土会变成冻胀土，对建筑物、道路、管网产生冻胀危害，必须引起足够重视。
因为冰的热缩冷胀特性，温度越低，土体的冻胀率会越大，当土体含水率达到饱和时，随着温度的降低，高寒地区的土体冻胀程度会非常大，土体的结构将会被破坏，融化后，承载力急剧下降，直至建筑物发生沉降、倾斜、甚至坍塌；道路路面及基层被破坏；地下管网发生较大位移。
基于以上分析及工程实例提出一些高寒地区施工要点如下：
1、土方开挖一定要挖到设计的要求的深度和宽度，不留残余冻土，特殊情况，也要在规范许可的范围内。
2、在基础施工期内应避免地基土及回填土受冻，否则解冻后将产生基础不均匀沉降，造成墙体开裂及地面沉降。
3、如果建筑物基础位于填土区，应在冬季结冻前将基础四周回填做好。避免基础四周复土厚度不够，使基础遭受冻胀。
4、建筑物基础如在初冬回填时，回填物内不得含有冻块。
5、越冬工程在入冬之前除按设计要求做好回填工作外，并要求基础周围不能被水浸泡。
6、施工期间严格控制回填材料的含水率和密实度、杜绝采用灌水等方式进行回填施工。
7、砌筑工程中，砖砌体浇水量要适当，气温降到5℃一下后不得浇水。在温度降到零度前，墙体含水率不得超过标准值。由于墙体含水率高时，温度达到零点以下后，会使墙体变形，墙面装修脱落，经过多次冻融，使墙体碎裂倒塌。
8、抹灰、铺粘瓷砖等湿作业必须在冬季施工前完成，且保证在气温低至5℃前使施工完成的成品、半成品的含水率低于冻胀限值。
9、屋面防水层的保护层及散水坡道等建筑构件，因结构强度较低，必须避免冬期施工，施工时要找好排水坡度，避免积水。
10、屋面保温层、外墙外保温层等保温材料避免泡水。
11、混凝土冬施要保证结构强度大于冻胀应力。
12、高寒地区道路施工时应注意：
（1）对于冻胀地基土，必须严格按设计要求进行换填等处理；
（2）所有建筑材料含水率必须控制在设计及规范内；
（3）施工时分层碾压，密实度达到设计及规范要求；
（4）道路面层按标准放坡，做好排水设施，避免积水；
（5）雨季施工特别注意含水量控制，做好排水工作，基槽不得水泡；
（6）避免冬季施工作业。
13、高寒地区分布着很多多年冻土区，施工时更不能忽略。
多年冻土分为不融沉、弱融沉、融沉、强融沉和融陷土五类。将多年冻土用作建筑地基时，一般采用如下地基形式：
（1）架空通风基础；
（2）填土通风管基础；
（3）用粗颗粒土垫高的地基；
（4）桩基础、热桩基础；
（5）保温隔热地板；
（6）基础底面延伸至计算的最大融化深度之下。
多年冻土施工以尽量保持地基原状不变为好。
结束语：在我国东北、西北及西南有许多高寒地区，在本地区施工必须认真做好各项准备，编制好施工方案，做好完备的施工准备，做好过程控制及事后控制，才能确保建筑质量。愿本文的施工要点能为大家提供有益的参考。
参考文献：
1、《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011
2、《建筑地基基础工程施工质量验收规范》GB50202-2018
3、《冻土地区建筑地基基础设计规范》JGJ 118-2011