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我为什么要知道冻胀?
在任何一个冬季地面结冰的地区,所有的建筑物接触或穿透土壤基础、地下室,皮尔斯、挡土墙、天井如果建造不当,它们很容易损坏。当地法规将规定要求,这是确保你建造的东西能够经受住季节周期的主要参数之一。
冻胀到底是什么?
当冰冻温度渗透到地面时,就会发生冻胀,导致地下水形成冰结构,使土壤以及停留在土壤上或土壤中的任何东西移位。虽然人们曾经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,还包括从冰霜线以下抽出液态水时额外的冰层积累。
低温本身不会引起冻胀
易受霜冻影响的土壤——在某些气候下的细粒潮湿土壤——是发生冻胀的首要前提。工程师将这种类型的土壤定义为其中超过3%的颗粒(按重量计算)直径为0.02毫米。或更小,或其中10%的颗粒为0.075毫米或更小。
水是另一个条件,渗透到地表以下的温度也低于冰点。冰冻温度穿透地面的深度被称为冰冻面或霜锋。它们在任何给定区域可能延伸到的深度是霜线。霜冻线范围从佛罗里达州的几英寸到美国北部的6英尺多。
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。缓解通常涉及去除冻胀发生所需的三个要素之一(易受冻胀影响的土壤、冻结温度或水)。下面是它的工作原理。
冻胀形成
当冰冻温度渗透到地面时,困在土壤空隙中的水沿着霜锋形成冰晶。当它凝固时,这些水膨胀了大约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,从霜面下方抽出未冻结的水。这些水冻结在上面形成的冰晶上,使其变厚,形成一个冰透镜.
向上的力
随着温度的变化,霜锋的深度也会发生变化,留下一系列的冰透镜,中间有一层冻土。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,这种行为被称为粘附冻结。冰透镜继续朝着热量损失的方向生长,也就是说,朝着沿途的地表抬升土壤和结构体生长。
当空气变暖时,融化从地面向下发生。随着冰透镜的融化,水渗透到土壤中,使其变弱。由冻胀引起的建筑物会滑回地面,由于土壤变弱和上方荷载的变化,结构往往会倾斜。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
桥脚及码头
规范要求支撑结构要么延伸到当地霜冻线以下,要么用绝缘材料保护,这样承重土就不会被冻结,从而不会发生隆起。还可以通过在桥墩周围回填砾石以促进排水,使用套筒防止冰夹住混凝土,或浇筑基础以抵抗向上运动来控制冻胀。
车道,人行道和露台
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,可以最大限度地减少冻胀的发生。排水措施可以减少水分的存在,也可以防止隆起。提供毛细血管断裂是另一种选择;阻断将水引向冰透镜的毛细血管作用可以使冻胀不那么严重。
地下室
冻胀会严重损害地下室,如果地下室周围的地面冻结到基础墙。当这种情况发生时,房屋周围隆起的泥土会带着墙壁。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。这种向外的热量损失会将地基壁上的水分吸走。因为冻结需要水分,水分越少就意味着冻土对地基的固结力越弱。
地基可以向外延伸而不是向下
地基是一种结构,它可以作为另一种保护手段,免受冻土施加的力的影响。如果你能让地基周围的土壤不结冰,从技术上讲,地基不需要建在霜冻深度以下;相反,您可以使用一个名为a的细节防冻浅基础.这种施工细节通常由一个整体板组成,从四面边缘伸出刚性泡沫绝缘的翅膀,埋在周围的表层土下面。通常情况下,隔热层水平延伸的距离与霜冻深度所需的基础距离相同,但请与当地建筑官员确认。
这种建立基础的方法使用较少的混凝土,不需要你挖一个很深的洞。房子周围的隔热层可能会与你的景观规划相冲突,但结合硬景观,甲板或延伸到隔热层的门廊可以抵消这个问题。
绘画:克里斯托弗·米尔斯。