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为什么我需要知道霜胀?
在冬天地面结冰的任何地区,所有的建筑接触或穿透土壤基础、地下室,皮尔斯、挡土墙;天井如果修建不当,车道等都很容易受到破坏。当地法规将规定要求,这是确保您所建造的建筑能够经受住季节周期的主要参数之一。
冻胀究竟是什么?
当冰冻温度穿透地面时,就会发生冻胀,导致地下水形成冰结构,取代土壤以及土壤上或土壤中的任何东西。虽然人们一度认为,冻胀的发生是因为水在冻结时膨胀,但这个过程实际上更复杂,不仅包括冻结引起的膨胀,还包括随着液态水从霜冻线以下被抽出而形成的额外冰层的积累。
低温本身不会引起冻胀
易冻土壤——某些气候条件下的细粒湿润土壤——是冻胀的首要条件。工程师将这类土壤定义为:其中超过3%的颗粒(按重量计)直径为0.02毫米;或更小,或10%的颗粒小于或等于0.075毫米。
水是另一个条件,因为渗透到地表以下的低温也是如此。冰点温度穿透地面的深度称为冻结面或霜锋。它们在任何给定地区可能延伸到的深度是霜冻线。霜冻线从佛罗里达州的几英寸到美国北部的6英尺多不等。
如果不加以控制,冻胀会严重破坏寒冷气候下的建筑物和其他结构。缓解措施通常涉及去除导致冻胀发生的三个要素之一(易冻土壤、冰冻温度或水)。下面是它的工作原理。
冻胀形成
当冰冻的温度穿透地面时,水被困在土壤的空隙中,沿着霜锋形成冰晶。当它凝固时,水膨胀了大约9%。此外,冻结过程使周围的土壤干燥,通过毛细作用和蒸汽扩散从霜锋下面吸取未冻结的水。这些水冻结成上面形成的冰晶,使其变厚,形成一种冰透镜。
向上的力
随着温度的变化,霜锋的深度也在变化,留下了一系列的冰透镜,中间有层层冻土。随着它们的生长,这些冰透镜可能会附着在地下的垂直表面上,这种作用被称为粘附冻结或广告冻结。冰透镜沿着热损失的方向继续生长,也就是说,沿着地表抬升的土壤和结构。
当空气变暖时,从地面向下发生融化。随着冰透镜的融化,水浸透了土壤,削弱了土壤。在冻胀作用下抬升的建筑物会向后滑动,通常由于软弱的土壤和上方移动的荷载作用而发生倾斜。反复起伏的累积效应可能会加剧这种情况,导致结构倒塌。
控制冻胀
基脚及墩
规范规定,支撑结构要么延伸到当地的霜冻线以下,要么采用绝缘保护,这样承载的土壤就不会受到冻结,从而产生起伏。霜胀也可以通过在桥墩周围填满砾石来促进排水,使用套筒来防止冰抓住混凝土,或者浇筑抵抗向上运动的基础基座来控制。
车道、人行道和天井
冻胀的发生可以通过用不受冻胀影响的粗颗粒材料取代易受冻胀影响的细颗粒土壤来最小化。排水措施可以减少水分的存在,这也可以防止起伏。提供毛细血管断裂是另一种选择;阻断将水吸向冰晶状体的毛细作用可以使霜胀不那么严重。
地下室
如果地下室周围的地面冻结到基础墙,冻胀会严重损坏地下室。当这种情况发生时,房子周围起伏的土壤会把墙也卷走。然而,这种情况不会发生在加热的地下室。这是因为加热的地下室(无论是否绝缘)会将热量流失到周围的土壤中。这种向外的热损失将水分从基础墙上带走。因为冻结需要水分,较少的水分意味着冻土对地基的控制力较弱。
地基可以向外延伸,而不是向下延伸
基础是一种结构,它可以提供另一种保护手段,使其免受冻土施加的力的影响。如果你能防止地基周围的土壤冻结,从技术上讲,地基不需要建在霜冻深度以下;相反,您可以使用名为a的细节防霜浅基础。这种结构细节通常由一个整体板组成,刚性泡沫隔热板从四面边缘伸出,埋在周围表土的下方。通常情况下,隔热层在水平方向延伸的距离与霜冻深度相同,这需要从地表下一个立脚,但请与当地建筑官员确认。
这种建造地基的方法使用较少的混凝土,也不需要你挖那么深的洞。房子周围的隔热层可能会与你的景观规划产生冲突,但是将硬景观、露台或走廊延伸到隔热层之外可以抵消这个问题。
图纸:克里斯托弗·米尔斯。