9．3 冻土地基
9．3．1 多年冻土地基
1 冻土的重要基本概念
1)冻土：凡温度为负温或零温，并含有冰的土均称为冻土。冻土按冻结状态持续时间，分为多年冻土和季节冻土。
2)多年冻土：冻结状态持续两年及以上的土层称为多年冻土。分为衔接多年冻土(直接位于季节融化层下的冻土)和不衔接多年冻土(季节冻结层的冻结深度浅于上限的多年冻土)。
3)多年冻土上限：夏季融化、冬季冻结的季节融化层底部深度为多年冻土上限。分为天然上限和人为上限。
4)多年冻土下限：多年冻土层的底部称为多年冻土下限。下限处地温为零度。
5)多年冻土厚度：上限和下限之间的距离。多年冻土厚度是多年冻土的重要标志之一，它反映着冻土的发育程度。冻土层的厚度对评价建筑物地基稳定性有着重要意义，是进行建筑地基基础设计不可缺少的依据。
6)地温年振幅：某一深度处地温一年中变化幅度的一半称为地温年较差。
7)年平均地温：地温年变化深度处的地温。
8)地温年变化深度：地温年较差为零的深度。
2 工程地质勘察要求
1)气象资料：年平均气温、融化指数(冻结指数)、冬季月平均风速。
2)地温资料：年平均地温、标准融深(标准冻深)、秋末冬初地温沿深度的分布。
3)冻土的物理参数：于密度、总含水量、相对含冰量、盐渍度、泥炭化程度以及冻土构造。
4)冻土与未冻土的热物理参数：导热系数、容积热容量和导温系数。
5)冻土的强度性质：冻结强度、承载力、抗剪强度和体积压缩系数。
6)融化过程与融土的变形指标：融化下沉系数和融土体积压缩系数。
7)冻胀指标：冻胀率、冻切力和冻胀力(切向冻胀力、法向冻胀力和水平冻胀力)。
3 冻土的分区与形态
1)按平面分布特征分区：
①零星冻土区：冻土面积仅占5％～30％；
②岛状冻土区：冻土面积占40％～60％；
③断续冻土区：冻土面积占70％～80％；
④整体冻土区：冻土面积＞90％，厚度达30．0m以上。
2)竖向形态：
①衔接的冻土：季节性冻层深度到达多年冻土顶面，如青藏高原的多年冻土属这类；
②不衔接的冻土：季节性冻层深度较浅，达不到多年冻土层顶面。两者之间存在一层未冻结的融土层。东北地区的部分多年冻土属这类。
4 冻土的融沉和冻胀作用
1)融沉作用：地基融化后的下沉量超过建筑物的容许值时，建筑物基础和上部结构会发生融沉破坏。融沉作用有大有小，多年冻土按融化下沉系数分为五类：不融沉土(＜1．0％)、弱融沉土(1．0％～3．0％)、融沉土(3．0％～10．0％)、强融沉土(10．0％～25．O％)和融陷土(＞25．0％)。
2)冻胀作用：土中所含的水份在负温下结晶，生成各种形状的冰浸入体，导致土体积增大，当体积膨胀受到约束时就会产生冻胀力，当建筑物恒载不能克服冻胀力时，建筑物将被隆起或破坏。冻胀作用有强有弱，季节冻土与多年冻土季节融化层土按平均冻胀率分为五级：不冻胀土(＜1．0％)、弱冻胀土(1．0％～3．5％)、冻胀土(3．5％～6．0％)、强冻胀土(6．0％～12．0％)和特强冻胀土(＞12．0％)。
5 冻土地区地基设计的三个原则
1)原则一：保持地基土冻结状态的原则。主要适用于年平均地温低于—1．0℃的场地，持力层范围内的地基土处于坚硬冻结状态，最大融化深度范围内存在融沉、强融沉和融陷性土及其夹层的地基，非采暖或采暖温度低且占地面积不大的建筑物。
2)原则二：容许地基土逐年融化的原则。主要适用于年平均地温为—0．5℃～—1．0℃的场地，持力层范围内的地基土处于塑性冻结状态，最大融化深度范围内为不融沉冻土或弱融沉冻土，室温较高或占地面积较大的建筑，热管线或给排水管线对冻层产生热影响的地基。
3)原则三：地基土预先融化的原则。主要适用于年平均地温不低于—0．5℃的场地，持力层范围内的地基土处于塑性冻结状态，最大融化深度范围内存在变形量超过允许值的融沉、强融沉及融陷土地基，室温较高且占地面积不大的建筑物。
6 冻土地基计算
1)静力计算。包括承载力计算、变形计算和稳定性验算。保持地基土处于冻结状态时，对坚硬冻土应进行承载力计算和稳定性验算，对塑性冻土上超过7层的砌体或框架结构还应进行变形验算。多年冻土以逐渐融化和预先融化状态用做地基时，应进行最大融化深度的计算(有融化盘时)，建筑物使用期间地基土逐渐融化时，应进行融化下沉和压缩沉降计算。
2)热工计算。主要计算持力层内地温特征值(包括冻土中年平均地温、地温年变化深度、活动层底面以下的年平均地温、年最高地温和年最低地温的总称)。保持地基土处于冻结状态时，还应进行架空通风计算，以逐渐融化和预先融化状态用做地基时，应进行建筑物地基土的融化深度计算。
7 保证冻土地区地基上的基础的稳定性
1)根据土的融沉类别选择地基处理方式或基础形式。不融沉土可不考虑融沉问题，弱融沉土当基底最大融深小于3．0m时，一般建筑物不会遭受明显的变化。融沉土在基础设计时，应采用深基、保温和换填等。强融沉土应采用保持冻土的原则设计或采用桩基等。融陷土不能作为天然地基，应进行人工处理，如挖除换填或采用深基础。
2)根据土的冻胀类别选择基础埋置深度。不冻胀土上的建筑物时可不考虑冻胀影响，基础埋置深度可不受季节冻深的限制。弱冻胀土基础埋置深度可按季节冻深的80％计算。冻胀土和强冻胀土上基础埋置深度必须大于季节冻深，还应进行冻胀稳定性验算。
3)根据不同的设计原则，选用恰当的基础形式和保温隔热措施。按原则一设计时，可采用架空通风基础、填土通风管基础、用粗颗粒土垫高的地基、桩基础或热桩基础、保温隔热地板、基础底面延伸至计算的最大融化深度之下，人工冷却降低土温。按原则二设计时，在建筑物使用过程中，不得人为加大地基土的融化深度，应加大基础埋深或选择低压缩性土作为持力层，应采用保温隔热地板，架空热管道及给排水系统，应设置地面排水系统。按原则三设计时，可用粗颗粒土置换细颗粒土或预压紧密，基础底面之下多年冻土的人为上限应保持相同，加大基础埋深，必要时采取结构措施适应变形要求，冻土层全部融化时应按季节冻土地基设计。含土冰层、盐渍化冻土与冻结泥炭化土地基的设计应按照规范的要求采取特殊措施。
4)选择合理的基坑或基槽开挖时间。房屋基坑在夏季开挖是困难的，当含冰量大的地基土开挖时，基坑壁融化随挖随塌。所以冻土区基础施工是有季节性的。采用条形基础的房屋，其地基土质条件较好，融沉较小，可在夏季地基土融化时开挖基槽；采用柱形基础的房屋，按原则一设计时，可在雨季后9～11月开挖基坑。按原则二设计时，可在春融后冻结前的一段时间施工。采用桩基础的房屋，需钻孔或将桩位冻土融化，才能使桩沉人冻土中。对于钻孔桩，施工时间选在4～11月较好，当夏季融土层成孔困难和有水浸入钻孔中时，可在10～12月或2～6月施工。
5)选择合适的建设场地。建设区的由先到后的选择顺序一般是季节冻土区、不融沉冻土区、岩石层区、弱融沉冻土区、土质覆盖基岩较浅(＜5．0m)的冻土区、融沉冻土区。
9．3．2 季节性冻土地基
1 利用季节性冻土作为持力层时，可采用下列方法处理：
1)挖除基底以下冻土，换填砂、砂石或毛石混凝土垫层；
2)当仅考虑地基土冻胀和融陷影响时，基础可浅埋设计。
2 根据工程经验和科研成果，基础浅埋技术如下：
1)基础埋置深度以基础中段为主，角段加深部分可用非冻胀性的砂、砂石换填夯实；
2)当基础梁下为冻胀性土时，在基础梁下与地面之间予留50～200mm的空隙，空隙两侧采用砌体封堵；
3)当地基土为强冻胀或特强冻胀时，基础剖面宜为正梯形，且正梯形的斜面与铅垂面的夹角不小于9度；
4)室外散水坡下，根据地基土的冻胀性，应采用砂、砂石换填夯实。对于弱冻胀、冻胀性土换填深度为0．3～0．4m；对于强冻胀、特强冻胀性土换填深度为0．5～0．7m。
5)基础埋置深度参见表9．3．2—1；
注： 本表为现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB 50007附表G．0．2。
3 建筑物的外门斗、室外门台阶、户外走廊等主体建筑的附属部分的基础应按主体结构的设计方法进行设计。
4 基础浅埋设计的建筑物，外墙转角3．0m之内不宜设置门洞、楼梯间和不采暖的房间。
5 基础浅埋设计的建筑物，底层的阳台宜设计成悬挑式结构。
6 春融期浅埋基础设计施工时，应采取以下技术措施：
1)内外墙基础底面应置于同一标高，预留基底可残留冻土厚度符合规范要求或工程实践经验；
2)内外墙的基槽应同时、同深开挖；
3)基槽挖至设计标高时，应及时进行验槽，确认可残留冻土的厚度；
4)对于场地复杂、地质条件特殊的情况，经地基验槽确认，应将全部冻层清除；
5)基础砌筑第一阶高度应不小于0．4m，并应全槽同时砌筑，随砌随回填。
7 浅埋基础越冬时，应采取以下措施：
1)对于非冻胀性地基土上的浅埋基础，应将基础两侧用原状土回填夯实；
2)对于冻胀性地基土上的浅埋基础，除基础两侧用原状土回填夯实外，尚应对基础进行保温处理；
3)对于冻胀性地基土上的底层已经具备封闭条件的采暖建筑，应将底层封闭取暖越冬。
8 对于7层以下的砌体承重结构和框架结构的建筑，地基的融沉量应不大于10mm。
9 季节性冻土地基上的桩基应符合国家现行标准《建筑桩基技术规范》JGJ94—2008和《冻土地区建筑地基基础设计规范》JGJ 118的有关规定。
10 季节性冻土冻胀性现场鉴别见表9．3．2—3。
