季節(jié)性凍土基坑底覆蓋式越冬防護(hù)施工技術(shù)研究

陳相璟

（中鐵三局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，山西太原 030006）

0 引言

季節(jié)性凍土在我國(guó)分布較為廣泛，一般凍土深度能夠貫穿南北，最大凍結(jié)深度可達(dá)2～3m[1-2]。隨著高層建筑的快速建設(shè)，基坑工程成為目前最常見(jiàn)的城市地下開(kāi)挖工程。低溫作用下，土體中的水分會(huì)凍結(jié)，體積增大而開(kāi)始發(fā)生膨脹，繼而影響基坑等周邊結(jié)構(gòu)物的使用性能和安全性能[3-6]。越冬基坑易受地基土體的溫度應(yīng)力作用，產(chǎn)生的脹力通常能達(dá)到土壓力的幾倍甚至幾十倍，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形甚至開(kāi)裂等問(wèn)題[7-9]。因此，有必要對(duì)越冬基坑做好防護(hù)和監(jiān)測(cè)措施。

結(jié)合某實(shí)際工程，本文對(duì)季節(jié)性凍土基坑底覆蓋式越冬防護(hù)施工技術(shù)開(kāi)展研究，可以有效預(yù)防和減少基坑凍害的發(fā)生，可以為今后類似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

朔州市大醫(yī)院建設(shè)工程位于長(zhǎng)寧街以南，用地面積209647.79m2，如圖1所示。本工程土質(zhì)為粉土褐黃色，含云母、菌絲、氧化鐵、零星姜石等，混有粉質(zhì)黏土成分，稍濕，中密，無(wú)光澤，搖振反應(yīng)中等，干強(qiáng)度及韌性低，壓縮系數(shù)介于0.102～0.211MPa之間，平均0.134MPa，具中等壓縮性。本工程區(qū)域?qū)俦睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，歷年平均氣溫7.2℃，1月平均氣溫最低-17.2℃，7月平均氣溫最高28.0℃。根據(jù)資料查詢朔州市冬季平均氣溫為-11℃以下，年極端最低氣溫-30℃，每年冬季土體凍結(jié)，次年春季融化，凍土層深最大達(dá)1.25m左右。凍土層中細(xì)粒土壤的水分在冬季負(fù)溫條件下結(jié)成冰晶，使土體膨脹，產(chǎn)生凍脹，容易引起基礎(chǔ)底板的凍脹破壞。由于本工程停工時(shí)間較長(zhǎng)，基坑經(jīng)過(guò)雨水沖刷，施工時(shí)間也已進(jìn)入冬天無(wú)法繼續(xù)施工，為保證明年基礎(chǔ)不受凍需要采取覆蓋法進(jìn)行土體保溫，確保施工質(zhì)量。

圖1 工程

2 越冬防護(hù)方案

本基坑工程中的越冬防護(hù)對(duì)象主要為4#樓墊層及車庫(kù)未開(kāi)挖土方裸露部分，總面積約53800m2。采用坑底覆蓋式防護(hù)技術(shù)，覆蓋范圍邊界至已開(kāi)挖基坑邊，圖2為陰影部分。

圖2 基坑工程越冬防護(hù)部位

本基坑工程采用的越冬防護(hù)施工方法如下所述：

（1）清理墊層上的建筑垃圾，確保底板干凈、無(wú)異物。

（2）墊層的積水清除干凈，采用聚苯板填充密實(shí)。當(dāng)遇到集水坑或獨(dú)立基礎(chǔ)采用木方架空后鋪設(shè)聚苯板以保證質(zhì)量。

（3）鋪設(shè)一層塑料布，然后再鋪設(shè)一層兼具防火防水功能的防火布。為防止發(fā)生火災(zāi)、雨水、積雪融化后浸泡土層，降低保溫效果，特鋪設(shè)防火布，搭接長(zhǎng)度300mm，防火布帶接觸需使用膠水將其粘結(jié)牢固，防止雪水浸入。

（4）鋪設(shè)壓蓋土袋或方木間距5m一道，壓蓋位置為防火布接茬位置，同時(shí)在臨邊位置要求滿鋪土袋，如圖3所示。覆蓋防護(hù)所采用的材料性能和數(shù)量見(jiàn)表1。

圖3 越冬基坑覆蓋式防護(hù)

表1 主要材料計(jì)劃

（5）鋪設(shè)時(shí)針對(duì)性的選取基坑軸力、坑底等重點(diǎn)部位布設(shè)測(cè)溫點(diǎn)，每天進(jìn)行測(cè)溫，將數(shù)據(jù)記錄并查看是否存在凍土現(xiàn)象。

塑料布、防火布盡量用寬幅的，順一個(gè)方向鋪設(shè)，塑料布搭接寬度不小于500mm。經(jīng)熱工驗(yàn)算，材料厚度滿足下式：

式中：H為凍土深度（取1250mm）；β1和β2分別為不同材料聚苯板和塑料布對(duì)土壤凍結(jié)影響系數(shù)（分別取3.9和17.25）；h1、h2和h3分別為不同為材料聚苯板、塑料布和防火布的厚度（分別為320mm、0.2mm 和 3.8mm）。

3 越冬防護(hù)方案

董旭[4]曾基于對(duì)線膨脹系數(shù)、凍土的導(dǎo)溫系數(shù)、凍土的導(dǎo)熱系數(shù)以及溫度場(chǎng)梯度的求解，得到越冬期基坑的溫度場(chǎng)，并進(jìn)一步利用熱物性求解得到溫度應(yīng)力，如式（2）所示。本工程通過(guò)對(duì)基坑軸力安設(shè)溫度傳感器和軸力傳感器，采用上述理論方法計(jì)算得到溫度應(yīng)力，并與某典型實(shí)測(cè)軸力數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4所示。可見(jiàn)，該理論方法能較好地預(yù)測(cè)越冬期間的基坑軸力變化。此外，軸力未發(fā)生劇烈變化，表明本工程所采用越冬防護(hù)措施的有效性。

式中：σ-溫度應(yīng)力；α-凍土的線膨脹系數(shù)；E-凍土的彈性模量；ΔT-溫度差值。

圖4 越冬基坑期間典型軸力計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比

4 結(jié)論

結(jié)合某實(shí)際工程，本文對(duì)季節(jié)性凍土基坑底覆蓋式越冬防護(hù)施工技術(shù)開(kāi)展研究，主要結(jié)論如下：

（1）采用聚苯板、塑料布和防火布等相結(jié)合的覆蓋式防護(hù)體系，可有效保證基坑在低溫環(huán)境下不發(fā)生變形開(kāi)裂。

（2）采用基于材料熱物性得到的溫度應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算獲得的軸力值，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值具有較好的吻合性，且越冬期間未發(fā)生顯著波動(dòng)。