防冻胀破坏技术作业

水工建筑物防冻胀破坏技术作业[摘要]阐述了有关冻害方面的问题，从冻害产生的原因入手，进而介绍了水工建筑物受冻害的破坏类型，最后叙述了应用中比较实用的防治方法，所探讨的内容在季节性冻土区有一定的研究价值和现实意义。[关键词]冻害；水利工程；危害；防治冻融产生的危害是季节性冻土区水工建筑物破坏比较普遍的原因之一。冻融使土体的物理性质发生了变化，改变了土体内部的应力结构。特别是含水量较大的土体，在冻胀力作用下，对土体中的建筑物基础产生影响，从而威胁到整个建筑物的稳定和建筑物自身的结构安全。随着水利事业的发展，水工建筑物工程也越来越多。季节性冻土区冻害的研究具有很重要的现实意义。1冻融产生的原因1.1冻胀产生的原理和影响因素冻害主要是由基土冻胀引起的，冻胀对建筑物构造物产生各种不利于安全的冻胀力。那么冻胀是如何产生的呢?当土体的孔隙中含有一定的水，在气温下降土体冻结过程中，孔隙中的水因孔隙大小而冰点也不相同。小孔隙的孔隙水温低，冰点也较低；大孔隙中的孔隙水温度相对较高，冰点也较高。在冰结面处大孔隙的水首先结冻，然后吸附临近土颗粒表面的弱吸着水产生迁移并结冻。土粒由于水膜吸附作用的减弱失去了引力平衡，为满足平衡必须从临近土粒的周围以相同原理吸附水分，把下部的水吸附迁移到上部大孔隙中，同时伴随着水分迁移逐渐冻结，形成冰晶体或冰夹层。当温度骤降，冻结速度发展很快时，水分的迁移速度较慢，相对冻胀量较小。当温度以某一速度较均匀下降且冰冻区底部有适宜的毛细水补给情况下，使毛管水连续地向冻结面迁移时，聚集成冰夹层和大的冰晶，产生的冻胀量最大。若土体为细粒结构，则小孔隙较多透水性差，有利于水分的迁移，冻胀作用就较明显，若为粗粒结构，颗粒间孔隙大，由于土层冰冻将增大孔隙水的体积，孔隙中的水被挤出，其不易产生冻胀；透水性特别低的土体，因水分迁移受到限制，因而冻胀量也较小。土中水分低于临界冻胀含水量时土体不发生冻胀。另外，土体的矿物成分、密度、渗透系数、孔隙水的化学成分，建筑物基础的结构型式、尺寸、刚度、材料荷载和未冻层的可压缩性均对土层的冻胀产生影响。1.2融冗的产生及危害原冻土融化时，冻土中的冰夹层和晶体的融化使土体强度骤减而压缩性大增；融化水沿毛细管汇入地下水或停留在土体内，也有受挤压返水到土体表面；原冻胀土恢复冻胀前的原状产生的沉陷也不均匀。因此冻土的融冗同样会使结构造物毁坏。融冗的危害是由于冰胀产生的，因此搞好冻胀的防治，不发生冻害，融冗的危害就不攻自破了，故未深入探讨有关融冗的问题。2冻害对构造物破坏的型式由于建筑物的结构形式不同，而且种类繁多，因此在基土的基底法向力、基侧水平冻胀力和切向冻胀力单独或组合作用下，建筑物产生的破坏形式也不尽相同。可能发生的破坏类型如下:2.1桩柱结构为基础的建筑物破坏对桩柱基础起作用的主要是切向冻胀力。当切向冻胀力大于桩柱荷载、自重和桩柱与基土之间的摩擦力时，产生上拔，即冻拔力。一般桩柱发生冻胀后不能在融冗后全部恢复原位，冻拔量将逐年累加。埋入基土的深度随冻拔量增加逐年减少，摩擦力随之减弱，冻拔量加大，形成恶性循环，直至破坏为止。有的甚至因桩柱截面尺寸和配筋不能满足抗拉强度而被拉断。2.2大面积底板结构的破坏这类结构一般是受基土的基底法向冻胀力产生弯矩作用而破坏的，由于底板面积较大，自身强度低，在不均匀的冻胀或融冗下极易发生不规则裂缝，一般很难恢复原状，随冻融作用逐年加重。到形成不允许裂缝时，裂缝宽度加大的速度更快。底板裂缝会使水流紊乱，加剧淘刷作用，开裂严重的破碎翘起；影响水流形态，更有甚者会形成跌差。2.3挡土墙和护坡等结构这类水工结构主要受墙后土体的单向水平冻胀力作用，按一般土压力设计的挡土结构不能平衡水平冻胀力，即发生冻害。挡土墙受冻害破坏一般表现为向内倾斜，逐年加重，达到一定倾角时发生倒塌、碎裂。2.4涵洞受冻害的影响涵洞在农田水利中因节省资金、施工简单、断面积适宜等优点应用广泛。但因其基础浅，结构简单，又多处在排水上，所以受冻害也比较严重。它的不同部位受基底的法向冻胀力，基侧水平冻胀力和切向冻胀力的分别或组合作用，因此各部位的破坏形式也不同。涵洞翼墙两端固于基土中，当涵洞进出口端管受冻胀力上抬，冻胀力最大点为涵管处，即翼墙最薄弱环节、此外断面最小易开裂，涵洞进出口翼墙断裂是较为多见的破坏。涵洞边侧管节即进出口端管节的冻胀上抬量一般比中间管节要大，使管节之间接触部位的止水错位，严重的会脱离。由于止水的破坏，融化后在渗透水流的作用下和水流的淘刷，涵洞很快就会被破坏。3冻害防治的简易方法冻害的防治方法很多，但主要都是通过两个途径来防治冻害:¹改变基土的冻胀因素，消减冻胀力；º建筑物采用适宜的结构型式，使其有利于抵抗冻胀力。具体可能的方法可归纳以下几种:3.1基土夯实换填法将基土夯实减少其孔隙，降低其可能的含水量，或将原易于冻胀的基土挖除，填入冻胀性小或非冻胀性土体。如填入纯净的砂、砾石等。应用换填法时应注意:¹根据不同类型的构造物和基土的特点确定合理的换填深度和换填范围；º当地下水位与冻结面间距小于一定要求时，应设排水；»填入的砂、砾石等物质要保持相对的纯净度和一定的粒径级别。3.2隔层封闭法用塑料薄膜或其它憎水材料包裹分割夯实的原基土，防止外水入侵和切断地下水补给以及阻隔水分的迁移运动，从而达到控制基土不产生冻胀的目的。使用隔层封闭法应注意:¹按合理的回填深度和回填范围逐层夯实进行；º各层之间封闭必须严格，互相不透水、渗水；»各层之间夯实土的厚度不宜过大；¼回填夯实的原基土应控制其含水量小于其塑限指标。3.3排水法此种方法用于挡土建筑物。是在墙后设集水体或集水沟，将水通过墙上设置的排水孔排出，从而降低基土含水量，以取得消减冻胀力的效果。应用排水法时应注意:¹确定合理的集水体大小或集水沟的稠密程度；º排水孔的位置及大小，若为多孔排水时要考虑其间距；»选择合理的排水方式和路线。3.4保温法在建筑物周围用隔热材料设置保温层，提高土中的温度，延缓冻结，减少冻深可起到防胀冻的作用。适用于保温的材料很多，如:用聚苯乙烯泡沫，玻璃纤维等作为保温层；或用杂草、作物桔杆、炉灰渣等；也有用天然的冰雪堆积作为保温层，蓄水建筑物还可蓄水保温。应用保温法时应注意:¹根据基础的边界条件采用适当的保温方法；º确定合理的保温层厚度和保温范围。适当的保温方法；º确定合理的保温层厚度和保温范围。3.5化学法该法是采用化学的方法来降低基土中所含水份的冰点或控制水分子的迁移速度。如使基土人工盐渍化，或掺入油渣砂，三合土等憎水物质改良土壤。应用化学法时应注意:¹确定化学法的有效范围；º观察化学法的有效作用时间。3.6缩小面积0法即是在设计建筑物时尽可能地减少其与冻土的接触面积，防止冻拔。如采用/一字闸0、枕梁桥和缩短建筑物进出水口长度等。简化建筑物结构，减少薄弱环节，除具有抗冻抗变形的能力外，同时还具有节省投资，减少工程量和方便施工等优点。3.7扩大面积0法将处在不冻层中的基础与基土的接触面积扩大，产生自锚作用，增加抵抗冻胀力的能力。如:爆扩桩柱基础，排架板梁基础和变径桩基础等。3.8结构适应法在布置建筑物时尽量采用适宜冻胀变形和提高自身刚度强度的结构。如:装配式结构、简支梁结构、斜墙式结构、半圆拱结构、反拱结构、槽形结构等。3.9基础隔离法用憎水材料或其它方法使基础不与冰胀土直接接触，从而达到抵御冻害的目的。如:在桩柱基础接触冻层处涂抹沥青等憎水材料使桩基与冻土隔离；也有用类似油套管结构的方法来防止桩柱基础冻拔，油套管结构的防冻效果较好，但结构较复杂。以上的9种方法中前5种属改变基土冻胀因素的，后4种属改变建筑物结构适宜冻胀的。这几种方法简便易行，在应用中十分广泛，既可单独使用也可根据不同的适宜条件同时组合应用几种方法，会收到更好的防冻效果。工程实际应用中还有很多防冻方法。如工程规划时尽量避开高水位区，尽量采用填方渠道，相邻布置排水沟等，这里不再赘述。4道路冻胀破坏与防治措施冻胀作用引起的路面的破坏，主要表现在路面产生纵向裂缝，破坏了路面的平稳度，或者龟裂导致路面下沉。冻胀破坏是北方地区道路的主要病害，采取怎样的防治措施成为道路设计者必须考虑的因素。4.1影响道路冻胀的因素影响冻胀的因素主要归纳为三个方面：地基土含有较多的粉质粘土；地下水的充分补给；气温和地下水温度。除此以外，土的物理化学性质，如：温度、密实度、塑性指数、渗透系数、颗粒的大小、形状及其表面物理化学性质等也与产生冻胀有关。地下水的多寡决定了冻胀现象的轻重。通常，聚冰带距离地下水越近，冻胀的危害性越大；反之，危害越小。冻胀现象不仅受气温和地下水温度的影响，土的导热系数和含水量等对它也有一定的影响。4.2道路冻胀防治措施冻胀现象的产生要同时具备土质、地下水、地表和地下水温度三个主要因素。因此，为了防治冻胀现象，只要消除这三个因素中的一个，就能达到目的。防治道路冻胀的措施可以归纳为以下几类：（1）采用非冻胀材料换填冻胀性材料的“置换法”；（2）在路基中设置隔温层，提高冻胀土的温度，减少冻胀量的“隔温法”；（3）在冻胀土中掺入石灰和水泥，改变其冻胀性质；（4）降低冻结温度的“稳定处理法”。上述措施中，常采用置换法—用难以引起冻胀作用的粗颗粒材料换下冻结深度内的冻胀土。隔温法适用于冻结深度大或者交通量较小，又缺少置换材料的情况下而采用的一种防冻胀措施。稳定处理法，用于粘性土构成的软弱路基情况，也可以与置换法配合使用。4.3置换深度及材料要求置换深度由防止冻胀引起的路面破坏和春融期土基及底基层承载力降低造成的破坏这两种情况来决定。最好采用理论最大冻结深度，即以不易引起冻胀的均匀粗颗粒材料构成的地基为基准，取在10年间最寒冷一年的最大冻结深度。但是，由于冻害作用受积雪、除雪程度、日照条件等因素影响很大，所以一般根据当地具体情况，从经济和经验两方面来确定。在不考虑冻深情况下所求得的面层、基层及垫层的总厚度再与拟置换的厚度进行比较，如置换厚度大时，其差值用不易引起冻胀的砂、天然砂砾等材料填在底基层之下，作为防冻层。这部分被列为土基的部分。如果原有土基为较弱土质，则需在防冻层下再设置20cm的隔离层。这种隔离层大多数采用含粉质粘土小于10%的砂铺筑，以防软弱土质混入防冻层材料中。置换用的材料，应符合防冻层底基层的质量和规格要求，并且必须保证这种材料本身不能引起冻胀。4.4道路冻胀破坏与防治措施结论在北方寒冷地区，道路设计确定路面厚度时应着重考虑路面的冻胀破坏，但是置换法中的置换深度经济值还需进一步研究，通过实践来检验。[参考文献][1]史梦熊，崔宗培.中国水利百科全书[M].北京:水利电力出版社，1991.379-380.[2]叶承华，范震威.北方农村水利实用技术手册[K].哈[3]SL239-1999，堤防工程施工质量评定与验收规程[4]道路冻胀破坏与防治措施[5]季节性冻土区冻融对水工建筑物的危害及防治