衬砌冻胀破坏机理初探

衬砌冻胀破坏机理初探
前言
衬砌体的冻害主要是由砌体下土体的冻胀引起的，土体冻胀具有多向性，只是侧向相互平衡以后，才形成垂直向上的现象。

对土颗粒位移的热筛效应及对流迁移理论分析而知，寒冷地区地表土层由于气温年周期波动产生反复冻结和融化，导致土体坡面再造。

这种再造现象突出表现在三个方面：一是由于水分迁移引起分凝冰层出现，导致土体冻胀；二是伴随水分迁移产生溶质迁移，引起土层中高浓度带出现，导致土层中融弱层的产生；三是内外应力作用下土颗粒位移，引起冷生剖面的变化，导致土体性质改变及部分不良物理地质现象出现。

一、衬砌体冻胀破坏机理与类型分析
（一）冻胀破坏机理
冻害发生后冻结缘的厚度随冻结历时的变化而变化，分凝冰层的水分均由冻结缘取自未冻区域。

分凝冰层位置最易在无结构联系处出现，且分凝冰层温度随冷锋面温度降低而降低，一般冻结期间，体系内可形成多层分凝冰层。

在有结构联系体系内，根据水分迁移原理和冻土中冰水平衡原理，一方面在温度梯度引起的未冻水势梯度作用下，冻结体系中未冻水源不断地从高温端向低温端迁移。

另一方面冻结体系内不同位置处的温度，使该处具有与该温度相对应的未冻水含量，对于迁移未冻水到该处将以冰的形式出现，体积增大，当体积增大受到约束则产生膨胀力。

一旦剪应力大于材料抗剪强度，则产生剪切破坏，并在该处形成分凝冰层，这就是土体中分凝冰层和土体冻胀的形成机理。

根据冻结的叠加性分凝冰层的生长与该处温度及温度梯度关系密切，温度低且梯度大处能促使形成新冰层且快速发育，试验表明，总冻胀量（等于分层冻胀量的总和）与冻结历时的平方根成正比，冻结区的温度梯度随冻结历时按指数规律变化。

（二）冻胀破坏类型分析
1、结构强度破坏
即砼块强度不高，结构不密实，易渗进水产生冻胀，经多次冻胀循环，结构疏松脱皮，每块呈蜂窝状，这种破坏大多出现在渠底冬季长期集水区及水位频繁变动区，不过这种破坏一般都是小范围的局部现象，发展演变过程比较缓慢，一时还不会造成断面整体变形，严重影响通水安全的情况。

2、结构连接破坏
即衬砌块连接勾缝脱落，失去整体连接，由个体滑落逐渐扩大到大面积整体滑落，其原因是施工操作注意细节不够，连接缝勾槽深度不彻底，与勾缝材料粘结不牢开裂渗水，缝内沉积泥沙产生冻胀，加之勾缝材料弹塑性差，干缩裂缝较多等原因导致衬砌块大量垮塌。

3、地基稳定破坏
这是衬砌最为普遍而严重的冻胀破坏型式，主要出现在边坡部位，形成长渠段大范围的衬砌块鼓胀、凹陷以及垮塌，大量滑体堆积渠底，高高低低，坑坑洼洼，渠段歪歪扭扭，严重影响通水甚至雍水决堤。

以上，前两种破坏主要是衬砌块砼设计强度偏低，施工工艺不细，构造措施不完善造成的，只要适当提高砼强度，加强施工管理，注意操作细节，就会取得明显改观。

最麻烦的是第三种破坏即地基冻胀稳定破坏，这种破坏渠段长范围大，修复工作量大，耗费资力多，施工周期長，而且随季节周期性发作，时冻时消，随冻随落，砼块上下错动，支离破碎，最后由于地基土层反复冻胀呈流态状失去阻抗力而产生深层突然滑塌。

地基冻胀破坏在建筑工程领域也普遍存在，如房屋散水、道路路面、河沟道护岸、水库内衬等浅基础构筑物，经常由于地基冻胀而破烂不堪，究其原因是下层地基不是黄土软泥就是垃圾废物，只有彻底清除这些祸害，换填夯实灰土或砂砾卵石，才能彻底根治，否则，年年修年年烂，永远不得太平。

二、衬砌体冻胀破坏规律及原因分析
（一）冻胀破坏规律
北方地区灌溉冬季一般有1～2次冬灌输水过程，停水时土体处于高含水状态，又往往是最冷季节。

这时输水使大量水分渗入土体，使砌体下土体水分增大。

冷空气的侵袭，使土体水分迁移引起分凝冰层产生，导致土体冻胀和融弱层的出现及冷锋面的变化，破坏土体原结构。

同时由于土体内外应力作用使土颗粒位移，引起冷锋面的变化。

加之冻结历时增长而引起冻结缘变化和多层冰凝层的形成并快速发育，使剪应力超过衬砌体抗剪强度，便发生衬砌体折断或溜坡。

所以，西北地区衬砌体冻害规律呈现为阴坡比阳坡严重，冻结历时长的年份比冻结历时短的年份严重。

这样一来，衬砌体薄而整体性差的冻害就越严重，有地下水或外围水补给水分的衬砌体冻害最严重。

（二）原因分析
从以上分析可以将衬砌体冻胀破坏的原因归纳为一下几方面：
1、土体的多孔松散特征形成水分存在和迁移空间，形成软弱地基；
2、灌溉输水水分的入渗增大含水量，使土体水分饱和，造成析冰的条件；
3、冬季寒冷，持续低温冷空气的侵袭，造成土体冻层和未冻层（包括地下水）水分迁移、分凝冰层形成与发育而引起冻胀；
4、对冻胀和冻害的防护条件不够，纵坡不合理，长期积水；
5、衬砌施工质量不过关，砼块强度不高，结构不密实，连接缝勾缝不密实，材料粘结不牢开裂渗水，缝内沉积泥沙产生冻胀；
6、对砼衬砌体衬砌型式选择不当，设计不合理也是造成冻胀破坏的一个重要原因。

三、衬砌体冻胀破坏的防治对策探讨
防止和治理衬砌地基冻胀破坏最彻底、最有效、最长久的办法便是改造地基。

一般岩石和地质早期坚硬密实的粘土土层是既不透水，也不吸水保水，是不会产生冻胀湿陷的。

松散坚硬的砂砾石层虽然能够透水，但也不吸水保水，同样也不冻胀湿陷，只有近代松散软弱的黄土、沙土层是既透水，又大量吸水保水，集冻胀湿陷于一身。

其实，在自然界能满足工程要求的浅层天然地基是很少的，像衬砌这样的微小工程，一般很容易忽视地基处理。

笔者认为，在衬砌工程设计和预算中，也应该把地基处理作为重要组成部分。

工程施工时，更要把好地基处理质量关，衬砌上部荷载不大，对地基承载能力要求不高，只要密实度满足，不吸水，不保水，不产生冻胀和湿陷就行。

最经济、最简便的方法就是原土碾压夯实，能掺合点灰砂材料效果更佳，如果遇见软土、淤泥、垃圾之类，必须彻底清除，换装砂砾卵石、炉渣等其它材料。

根据灌区输水能力和不同灌区实际情况，合理设计、选择适合该灌区的砼衬砌断面型式，目前西北地区采用的预制块衬砌梯形断面、弧底梯形断面、U型断面等型式的衬砌，是防治衬砌体冻胀破坏很成功的经验。

结语
为了充分发挥工程效益，确保通水安全，加强运行管理和工程保养已势在必行，例如实施科学计划用水，缩短通水周期，避免抬高水位运行，冬季结冰前停水，完善周边排水设施，避免外来水渗入渠堤，及时修补掉落的衬砌块和勾缝，清除渠堤淤泥积水、渠顶堆积物以及积极研发和引用新材料、新技术等措施，从各方面防治衬砌冻胀破坏的发生与发展。

参考文献：
1. 牟过斌.对砌体抗冻胀问题研究；渭南市石堡川水库管理局总结（1～9）。

2. 王家澄.单向冻结时土颗粒位移的热筛效应及对流迁移；冻土工程国家重点实验室年报（1994.37～40）。