多年凍土地區建筑設計淺析

李艷萍

0 引言

黑龍江漠河縣位于黑龍江省西北部、祖國的最北端，漠河地區為多年連續凍土區。漠河機場為中國支線機場，是我國位置最北、緯度最高的民用機場。在多年凍土區進行機場建設，最突出的問題是凍害，它嚴重危害各類工程的建筑物和構筑物。實踐證明，必須針對多年凍土區的自然特點，采取綜合防治的辦法，包括科研、設計、施工和管理諸多方面的共同努力方能取得效果。現僅從設計方面做簡要敘述。

1 多年凍土區的自然特點及對建筑物的危害

多年凍土又稱永久凍土，是持續三年或三年以上的凍結不融的土層。其表層冬凍夏融，稱季節融化層。多年凍土分為兩層:上部是夏融冬凍的活動層;下部是終年不融的多年凍結層。多年凍土是寒冷氣候(年均氣溫小于－2℃)區的產物。它的形成有著復雜的地質、地理及氣候因素，凍土層內含有冰體或純冰層，年平均地溫在0℃以下。

當土壤保持自然凍結狀態時，其承載力比相應的融土大，若將建筑物建在上面，凍土受熱融化，地基承載力相應減小并下沉，將導致建筑物不均勻沉降，墻體變形、開裂等破壞。

在多年凍土地區進行基本建設，如果僅憑個人在未凍土地基設計中的經驗盲目設計;或者忽視對凍脹力作用下基礎穩定性驗算，結果會不符合凍土地基的客觀規律，出現不合理、施工不當而導致的融化下沉、建筑物失穩。眾所周知的是:黑龍江省大興安嶺地區二十世紀五六十年代開始修建的一批建筑物，到目前為止已幾乎全部報廢、重建，數量多，損失大，對國民經濟的影響是不可估量的。

2 多年凍土地區地基設計狀態的選擇

2.1 保持凍結狀態的設計

在建筑物施工和使用期間，地基土始終保持凍結狀態。這種狀態主要適用于多年凍土的年平均溫度低于－1.0℃的場地;持力層范圍內的地基處于堅硬凍結狀態的場地;最大融化深度范圍內，存在融沉、強融沉、融陷性土及其夾層的地基;非采暖建筑或采暖溫度偏低，占地面積不大的建筑;最適宜的基礎形式為架空通風基礎、樁基礎和熱樁基礎，采取的措施是用粗顆粒土墊高地基、設保溫隔熱地板、人工降低土溫。

2.2 逐漸融化狀態的設計

在建筑物施工和使用期間，地基土處于逐漸融化狀態。這種狀態主要適用于在最大融化范圍內，地基為不融沉和弱融沉土，持力層范圍內的地基土處于塑性凍結狀態;室溫較高、占地面積較大的建筑;最適宜選用壓縮性土為持力層，采用能適應不均勻沉降的柔性結構;采用措施:加大基礎埋深、采用保溫隔熱地板，加強建筑物的整體性與空間剛度。

2.3 預先融化狀態的設計

在建筑物基礎施工時，預先使地基土融化至計算深度，適用于多年凍土的年平均氣溫較高、室溫較高、持力層范圍內地基土處于塑性凍結狀態、在最大融化深度范圍內，存在變形量為不允許的融沉、強融沉和融陷土及其夾層、占地面積不大的建筑物地基;按照預先融化狀態設計，當凍土層全部融化時，應按季節凍土基礎設計。

漠河機場航站區包括航站樓內的建筑物均落在多年凍土融沉性分區區域內，根本無法避開此區域，在這樣的地區進行建設工程，其地基處理、基礎選型、結構設計、建筑構造設計均有特殊性。下面結合漠河機場航管樓施工圖設計工作，把設計思路尤其是建筑構造概述如下，供同行們參考。

3 漠河機場內建筑工程概況

在漠河機場航站區內共有大大小小建筑物、構筑物20個，根據使用功能合并為12個，其中航站樓為建筑面積最大的建筑，建筑面積2000 m2，但是它為1層框架結構，結構形式比較單一;航管綜合樓建筑面積1200 m2，2層框架結構，并有23 m塔臺，7層框架結構，主要的設計參數:建筑結構安全等級為二級，結構設計使用年限50年，建筑場地類別Ⅱ類，建筑物抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度6度，設計基本地震加速度0.05g，地基基礎設計等級為丙級。

航管綜合樓做法中特殊性中帶有整個航站區建筑構造做法的普遍性。

對于一棟整體建筑物設計時必須采用同一種設計狀態;并且對于同一建筑場地遵循一個統一的設計狀態，因此航管綜合樓建筑平面布局盡可能簡單，見圖1。

圖1 航管樓平面示意圖

4 工程地質概況

黑龍江省漠河機場生活區《巖土工程勘察報告》(工程編號:Sw200501;勘察階段:詳勘;大興安嶺勘察設計院2005年8月)內容:航管綜合樓的地質情況是:在季節凍深內，分布的主要土層為粉質粘土、粘土，粉質粘土屬于強凍脹性土;碎石層屬于不凍脹性土。在多年凍土層內，凝灰巖強風化層屬于不融沉性土。

地基承載力評價:凍結狀態地基承載力較高，融化后地基承載力較低。

地下水:主要為地表水，水量較小，分布在地表以下至多年凍土上限以上。地下水對混凝土無腐蝕，對鋼結構有弱腐蝕。

本建筑場地凍土工程地質條件較好，地基多年凍土屬不融沉性、弱融沉性石質土，故本建筑物工程地基采用允許逐漸融化狀態進行設計。

5 凍土地區建筑物處理方案

5.1 地基處理方案的確定

對于該工程地域的特殊性，認真進行現場調研。現場考察大興安嶺地區及漠河多年凍土區的建筑形式，走訪當地設計院，了解多年凍土區建筑物特點、處理方案來制定機場內建筑物的方案設計，并結合地質測繪部門給出的地質評價，對機場航站區建筑單體進行必要的技術措施，來避免和減少凍土融化下沉，以及由于凍脹力作用下建筑物失穩，建筑物裂縫、傾斜和破壞等危害。

根據JGJ 118-98凍土地區建筑地基基礎設計規范和機場凍土工程地質分區，航管綜合樓工程地基按季節性凍土進行設計，按逐漸融化狀態的原則進行處理。

場區內地基土有融沉性土，在季節凍深內有凍脹性土;基礎持力層為全風化凝灰巖，地基承載力特征值fak=140 kPa，挖槽及基礎施工過程中，基坑須做好防護措施，不得進水;基坑底及四周采用單模土工布防水;在季節融化層范圍內基礎側面做防凍脹處理，對地表融沉和凍脹作用較強的粉質粘土層建議進行挖除換填處理，地面進行保溫處理。

5.2 建筑物基礎設計及防凍脹有效措施

根據工程地質報告和專家論證意見，結合工程實際情況，航管綜合樓工程基礎形式采用現澆鋼筋混凝土獨立基礎，基礎埋深為4.0 m;基礎墊層下部回填300 mm礫砂，夯實系數為0.97;墻體下布置現澆鋼筋混凝土基礎梁，基礎梁底部預留一定空隙。側面進行擋土處理。在基礎及基礎梁側面進行光滑處理，涂渣油15 mm;并在季節凍土層范圍內基礎及基礎梁側面做防凍脹處理，室外地坪下基礎、基礎梁及墻體兩側回填300 mm礫砂，夯實系數為 0.94。

圖2 散水構造圖

5.3 建筑構造及其他措施

多年凍土上部的表層土，在夏季融化、冬季回凍，稱為活動區或凍融區，深度由半米左右至數米不等，為防止此凍脹力的作用將建筑主體破壞，室外的散水、門口臺階、坡道與主體建筑脫開，設沉降縫。并且進行如下的構造措施:

1)散水:

寬度為1200 mm;散水坡度不小于3%，按4 m進行分格，與主體之間設沉降縫;基層素土夯實，密實度不小于0.94，墊層是300厚砂礫石(小于0.074顆粒含量不大于10%)，面層為C15現澆混凝土塊80厚，外包防水土工布到外側立墻外面(見圖2)。此種構造做法的目的是增加基層的密實度，控制墊層中粘土的含量，面層整體性，減少基礎周圍的含水量，保證基礎下的凍土擾動最少，影響最小，避免出現不均勻。

2)地面處理:

為保證該建筑地面不融沉，采取換填非融沉砂礫石料，上面做保溫隔熱防水地面。在鋼筋混凝土基礎板上做保溫隔熱防水地面。具體是:在正常做法的基礎上，增加60厚C15混凝土內配∮6@200雙向鋼筋(見圖3)。

圖3 地面構造圖

此種構造做法的目的是增加地面的整體剛度，避免地面的不均勻沉降;在地面上增加一隔熱層，鋪50厚聚乙烯泡沫塑料板，使室內的熱空氣不能進入地下，破壞底線凍土的恒溫環境，減少凍土融化帶來的危害。

3)墻體:

在窗下口設置配筋的加強帶，來增加墻體的整體性，避免由于基礎的不均勻沉降帶來的墻體開裂(見圖4)。

圖4 墻體窗上下口構造圖

為加強建筑物的整體剛性，凡墻高超過4 m時，增設圈梁。適當增設構造柱和扶壁柱，縱橫墻設拉筋。

5.4 防止凍土地基融化的其他措施

對于給排水、暖通等設備專業管道盡量保溫隔熱設置，并采取檢漏防水措施。室內管道放水及空調系統冷凝水不得任意排放。

6 結語

漠河機場作為第一個在凍土地區建設的機場，航站區工程是機場建設中的重要部分，由于其結構技術要求具有抗凍性與保溫的特殊性，加之人為活動的影響，其建設過程中的穩定性對建成過后的運行穩定性至關重要。

因此，設計時采取上述建筑與結構構造措施，建筑物經過兩年多的運行，除個別建筑物墻體有輕微裂紋外，主體結構保持良好。

[1]JGJ 118-98，凍土地區建筑地基基礎設計規范[S].

[2]GB 50324-2001，凍土工程地質勘查規范[S].

[3]王國濤，焦艷霞.凍土凍脹融沉的微觀分析[J].山西建筑，2010，36(5):126-127.