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。

冻融产生的原因

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。

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。

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:

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。

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。

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。

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。

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:

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。

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。

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。

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。

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