一、季节性冻土地基与基础

1.季节性冻土的冻胀性分类

季节性冻土地区结构物的破坏多是由地基土冻胀造成的。水结成冰后体积约增大9%，再加上水分的迁移积聚，造成冻土的体积膨胀。由于冻土的侧面和底面都有约束，所以冻胀多表现为向上的增量（隆胀）上。

公路桥涵地基季节性冻土的冻胀性，按平均冻胀率K_d分为不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀、特强冻胀和极强冻胀六类，见表3-5。

表3-5 公路桥涵地基土的季节性冻土冻胀性分类

（续）

平均冻胀率K_d按下式计算：

式中 Δh——地面最大冻胀量（m）；

Z₀——最大冻结深度（m）。

2.考虑地基土冻胀影响桥涵基础最小埋置深度的确定

上部结构为超静定结构时，除Ⅰ类不冻胀土外，基底埋深应在冻结线以下不小于0.25m。当建筑物基底设置在不冻胀土层中时，基底埋深可不考虑冻结问题。

冻胀量并不随冻深的增加而按比例增大，当冻深达到一定深度后，冻胀量将增加很少，甚至不再随冻深而增大。因此，对有些冻胀土，可以将结构物的基础底面埋在冻结线以上某一深度，使基底保留的季节性冻胀土层产生的冻胀量小于结构物的允许变形值。

当墩台基础设置在季节性冻胀土层中时，基底最小埋置深度可按下式计算：

式中 d_min——基底最小埋置深度（m）；

z_d——设计冻深（m）；

z₀——标准冻深（m）；无实测资料时，可按《公路桥涵地基与基础设计规范》中的“中国季节性冻土标准冻深线图”采用；

ψ_zs——土的类别对冻深的影响系数，黏性土取1.00，细砂、粉砂、粉土取1.20，中砂、粗砂、砾砂取1.30，碎石土取1.40；

ψ_zw——土的冻胀性对冻深的影响系数，不冻胀取1.00，弱冻胀取0.95，冻胀取0.90，强冻胀取0.85，特强冻胀取0.80，极强冻胀取0.75；

ψ_ze——环境对冻深的影响系数，村、镇、旷野取1.00，城市近郊取0.95，城市市区取0.90；

ψ_zg——地形坡向对冻深的影响系数，平坦取1.0，阳坡取0.9，阴坡取1.1；

ψ_zf——基础对冻深的影响系数，取1.1；

h_max——基础底面下允许最大冻层厚度（m），弱冻胀土取0.38z₀，冻胀土取0.28z₀，强冻胀土取0.15z₀，特强冻胀土取0.08z₀，极强冻胀土取0。

二、多年冻土地基与基础

1.多年冻土的分类

多年冻土的融沉性是评价其工程性质的重要指标，所以可按平均融沉系数δ₀将多年冻土分为不融沉、弱融沉、融沉、强融沉和融陷五类。多年冻土详细分类见表3-6。

表3-6 多年冻土分类表 （单位：%）

注：1.总含水率w，包括冰和未冻水。

2.盐渍化冻土、冻结泥炭化土、腐殖土、高塑黏性土不在表列。

平均融沉系数δ₀可按下式计算：

式中 h_m——季节融化层冻土试样冻结时的高度（m）；

h_T——季节融化层冻土试样融化后的高度（m）。(www.daowen.com)

2.多年冻土地基设计原则

多年冻土地基，应根据冻土的稳定状态和修筑结构物后地基地温、冻深等可能发生的变化，分别采用保持冻结和允许融化两种设计原则。

（1）保持冻结原则

保持基础底部多年冻土在施工和营运过程中处于冻结状态，适用于多年冻土相对稳定地带，因其厚度较大、地温较低，易于保持其冻结状态。此时地基允许承载力可按多年冻土考虑。

采取这原则时地基土应按多年冻土物理力学指标进行基础工程设计和施工。基础埋入人为上限以下的最小深度为：对刚性扩大基础，弱融沉土为0.5m，融沉和强融沉土为1.0m；对桩基础为4.0m。

（2）允许融化原则

允许基底下的多年冻土在施工和运营过程中融化。融化方式有自然融化和人工融化。

厚度不大、地温较高的不稳定状态冻土及地基土为不融沉或弱融沉冻土时，宜采用自然融化原则。

对较薄的、不稳定状态的融沉和强融沉冻土地基，在砌筑基础前宜采用人工融化冻土，然后挖除换填。

基础类型的选择应与冻土地基设计原则相协调。如采用保持冻结原则时，应首先考虑桩基，因桩基施工对冻土暴露面小，有利保持冻结。施工方法宜以钻（挖）孔灌注（或插入、打入）桩等为主。小桥涵基础埋置深度不大时也可采用扩大基础。采用允许融化原则时，地基土取用融化土的物理力学指标进行强度和沉降验算，上部结构形式以静定结构为宜，小桥涵可采用整体性较好的基础形式或采用箱形涵等。

根据我国多年冻土特点，凡常年流水的较大河流沿岸，由于洪水的渗透和冲刷，多年冻土多退化呈不稳定状态，甚至没有，在这些地带地基基础设计一般不宜采用保持冻结原则。

3.多年冻土地基允许承载力的确定

决定多年冻土承载力的主要因素有粒度成分、含水（冰）量和地温。在相同地温和含水（冰）量的状况下，碎石类土承载力最大，砂类土次之，黏性土最小。随冻土含水（冰）量增大，其流变性迅速增大，使其长期强度降低。

多年冻土地基允许承载力的具体确定方法如下：

（1）根据规范推荐值或实测

中小桥涵当采用冻结原则设计时，可按有关规范查取；对于大型桥梁和含土的冰层的承载力建议实测确定。

（2）理论公式计算

理论上可通过临塑荷载p_cr和极限荷载p_u确定冻土允许承载力，可参考下式计算：

p_cr=2C_s+γ₂h

p_u=5.71C_s+γ₂h （3-7）

式中 C_s——冻土的长期内聚力（kPa），由试验求得；

γ₂h——基底埋置深度以上土的自重应力（kPa）。

（p_cr可直接作为冻土地基允许承载力，而p_u应除以1.5～2.0后作为冻土地基允许承载力。）

三、冻胀、融沉防治措施

1.冻胀防治措施

基础位于冻胀和强冻胀地基土时，由于切向冻胀力的作用，常引起建筑物的隆起，或使脆弱截面处被拉断，在东北、西北、内蒙古等地区均发生过这种现象。如单靠增加圬工自重是难以克服的，特别是小桥。一般采用下列减小切向力的措施：

1）基础四周采用较纯净的粗砂、砾（卵）石等非冻胀性材料，换填基础周围冻胀土。换填范围为0.5～1.0m。换填深度可取：冻胀、强冻胀地基换填75%设计冻深；特强冻胀换填90%设计冻深；极强冻胀换填全部设计冻深。

2）根据试验，提高建筑物表面的光滑度，可大大降低切向冻胀力。因此应尽量减少墩台和基础受冻拔作用范围的粗糙率。一般墩台台身和基础侧面在冻层范围内做成平整、顺畅的表面，并可涂敷沥青、工业凡士林或渣油。

3）圬工接缝处易于冻断，因此应尽量减少施工接缝。基底截面处是薄弱环节，需埋置短钢筋。

4）由于切向冻胀力在地面处较大，往下迅速减小，故基础顶截面小于基底截面，以减少切向冻胀力，一般做成正梯形的斜面基础，斜面坡度宜等于或大于1∶7（竖/横）。

2.融沉防治措施

1）采用融化原则的基底土可换填碎、卵、砾石或粗砂，换填深度可达季节融化深度。

2）采用冻结原则施工的基础宜冬季施工；采用融化原则的基础宜夏季施工。

3）对融沉、强融沉土基，宜采用轻型桥台，适当增大基底面积，减少压应力；或结合具体情况，加大基础埋置深度。

4）采用冻结原则，施工中应保护地面上的覆盖植被，或以保温性能好的材料铺盖地表，减少热渗入量。