冻胀土

黑龙江大学水利电力学院
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冻胀土对挡土墙的破坏及防护措施
学校：黑龙江大学
学院：水利电力学院
班级：水工一班
姓名：苗广超
学号：20135206
序号：39
冻胀土对挡土墙的破坏及防护措施
摘要由于土的冻胀作用，使得没有设计防治冻害或不足防治冻害的挡土墙遭到破坏，文章分析产生破坏原因与破坏型式，提出挡土墙产生冻害的综合因素与防治措施。

墙受侧向土压力主要由墙身自重来平衡、沿基础底面发生滑动，自重大，断面尺寸较大，墙身较重：倾覆破坏、产生接近于圆弧状的滑动面而丧失稳定性，对地基承载力的要求较高。

关键词冻胀土挡土墙冻害防治措施
1.挡土墙的破坏形式
墙受侧向土压力主要由墙身自重来平衡、沿基础底面发生滑动，自重大，断面尺寸较大，墙身较重：倾覆破坏、产生接近于圆弧状的滑动面而丧失稳定性，对地基承载力的要求较高。

挡土墙的破坏形式主要有以下几个原因：
1.山体滑坡等自然力的破坏，挡土墙本身无法抵抗，例如挡墙内侧通过超重车辆.由于外部荷载改变。

2.导致荷载与设计不符.设计不良导致的无法承受侧向土压力而被荷载破坏.由于地震，无法继续保证使用功能的破坏、粉化等等导致无法继续承受侧向土压力。

3.由于地基不良或者持力层土体结构变化、洪水。

仍有问题。

导致挡土墙基础产生滑移，而发生倾覆式破坏，而发生位移或者崩裂等形式的破坏.基础滑移式破坏，例如渗水后冻融。

造成的自身结构开裂.临界正常使用年限。

4.整个墙体处于疲劳极限，最终破坏，或建筑施工有超大振动。

5.例如浸水，塌陷等，由于施工不当或者环境侵蚀等原因，化学物质粉化混凝土等等.
2.土的冻结及冻胀处理
所谓的土的冻胀，主要是冬季在土中沿着温度的降低方向生成了冰晶体形状的霜柱，使路面产生隆起的一种现象。

隧道侧墙的破坏主要由于土中霜柱的作用
使土体沿冷却方向的横向产生冻胀，从而使隧道的侧壁，向冷空气侵入的隧道中心轴方向推移，因而沿着侧墙部分的水平方向产生了作用力。

坡面上的冻胀作用是沿着垂直方向发生的。

冻胀作用使道路产生的破坏状态在中央部分冻胀量最大，因而沿路面中心线的纵断方向上产生纵向裂缝。

这种冻胀破坏与冬季期间道路除雪情况以及路面施工接缝情况有密切关系。

施工时在路面中心如果有接缝，则接缝处水平方向的抗拉强度比路面其他部分要小。

冻胀现象已经成为道路产生破坏的一种形式。

在春融期，由于路基土中冰晶体的融解，又成为土基或垫层承载力降低的原因。

对砂石路，春融期间在荷载的作用下产生的翻浆现象，将会使道路出现严重病害。

为了防止上述的冻胀现象所引起的道路破坏，首先需要了解冻胀发生的机理，因此对引起道路冻害的一些因素，如土质、气温、土中水等要详细进行调查，特别是对防止道路等土木构造物产生冻胀作用采用的措施研究中，应注意易引起地基冻胀的土是否发生了冻结，因而确定土的冻结深度是非常必要的。

另外，对道路附属构造物上部的填土是否会产生冻胀，也有必要进行确定。

在那些寒冷地区，对冻结深度的确定及其深度范围土的冻胀可能性的判断都成为冻胀调查的要点。

道路的冻害防止措施，当前主要采用置换法、隔温法及稳定土的处治方法等。

一般情况下，所采取的措施从经济性、施工方便及可靠性方面考虑，主要采取非冻胀敏感的粒状材料置换冬季期间最大冻结深度约70%范围的置换法。

但是，由于材质良好的置换材料造价较高，因而采用了隔温法等一些特殊的防止措施。

3.挡土墙破坏机理
挡土墙背的土层在岸边较高的地下水位和湖水透过墙体的天然补给的条件下, 土层处于高含水率状态。

若土体由细颗粒土(如:粉质粘土)形成, 则保水性更强。

土层高含水率和强保水性导致其冻胀敏感性增强, 表现出较强的冻胀性。

寒期的原位冻胀实验观测也证实了这一点。

挡土墙对其后冻结土层产生的水平冻胀应力(σ)及相应的冻胀变形形成了约束,墙体的刚度越大, 对冻胀应力及其变形的约束性越强。

如水平冻胀应力足够大时, 挡土墙将产生弹性位移Δｉ。

若水平冻胀应力继续增大, 挡土墙达到刚度极限后,相应位移达到一定限度, 墙砌体将在其薄弱部位产生塑性裂缝, 若位移继续增大, 即引起挡土墙产生局部损坏或整体破坏;说明:寒期内, 各低温冻结时段的不同冻结深度内, 作用于挡土墙
背的单位水平冻胀力的大小随冻结深度呈浅弱深强的趋势。

3.1标准冻深
非冻胀粘性土，地表平坦、裸露、城市之外的空旷场地中，不少于10年实测最大冻深的平均值，就是标准冻深。

冻深是冬季时自地平面以下冻结的深度。

3.2工程设计冻深
设计冻深指工程地址各计算点冻结深度的设计取用值。

Zd＝φf*ψd*ψw*Zk
Zd—设计冻深，m
φf－冻深年际变化的频率模比系数
φd－日照及遮荫程度影响系数
φw－地下水影响系数
Zk—标准冻深，m
φd＝a+bφi
式中：
φi—典型断面（N-S，B/H=1.0，M=1.0）某部位i的日照及遮荫程度修正系数，阴或阳面中部的φi值的地理位置有图查得
a，b—系数
φw＝(1+αe(-Zw0))/(1+αe(-Zwi))
Zw0—邻近气象台的地下水位深度，m对于粘土、重、中壤土，当Zw0＞3.0m 时，可取Zw0＝3.0m；对于轻壤土、沙壤土，当Zw0＞2.5m时，可取Zw0＝2.5m；对于砂，当Zw0＞2.0m，可取Zw0＝2.0m；
α—系数
Zwi—计算点的地下水位深度，m；可取计算点地面（开挖面）至当地冻结前地下水位的距离。

3.3基础冻深
3.4冻胀量
在寒冷地区，铺筑高级路面的道路或砂石路面及其附属构造物、隧道、挡土墙、人行道和坡面等。

由于土或岩石中产生的冻胀作用，常常使这些构造遭受较大的破坏。

土所产生的冻胀引起道路的冻害。

造成道路破损，因而影响车辆的通行，降低道路的使用寿命。

所谓的道路冻胀，主要是冬季在路基土中沿着温度的降低方向生成了冰晶体形状的霜柱，使路面产生隆起的一种现象。

隧道侧墙的破坏主要由于土中霜柱的作用使土体沿冷却方向的横向产生冻胀，从而使隧道的侧壁，向冷空气侵入的隧道中心轴方向推移，因而沿着侧墙部分的水平方向产生了作用力。

坡面上的冻胀作用是沿着垂直方向发生的。

冻胀作用使道路产生的破坏状态在中央部分冻胀量最大，因而沿路面中心线的纵断方向上产生纵向裂缝。

这种冻胀破坏与冬季期间道路除雪情况以及路面施工接缝情况有密切关系。

施工时在路面中心如果有接缝，则接缝处水平方向的抗拉强度比路面其他部分要小。

3.5冻胀土的分类
一般性分类，是对包括工程建筑中常遇到的各类土，考虑土的主要工程地质特征而进行的划分。

这是一种比较全面的综合性分类，其有着重大的理论和实践意义，最常见的土分类就是这种分类，也称通用分类。

局部性分类。

仅根据一个或较少的几个专门指标，或者是仅对部分土进行分类，例如按粒度成分的分类，按塑性指数的分类及按压缩性指标的分类等。

这种分类应用范围较窄，但划分明确具体，是一般性分类的补充和发展。

专门性分类。

根据某些工程部分的具体需要而进行的分类。

它密切结合工程建筑类型，直接为工程设计与施工服务。

如水利水电、地质、工业与民用建筑、交通等部门都有相应的土分类标准，并以规范形式颁布，在本部门统一执行。

专门性分类是一般性分类在实际应用中的补充和发展。

3.6挡土墙的冻胀破坏原因
原因主要是基础冻土融化后，土的含水量增大，导致承载能力显著降低，使挡土墙前趾处的地基压力超过地基承载力，挡土墙产生前倾，而前倾后其重心也前移，更加大了前趾的地基压力。

经过数年冬冻春融的循环，最后使挡土墙倾斜甚至倾倒，但土墙的地基因冻土融化而降低了其抗剪强度，如墙身的抗滑稳定性降低，使挡土墙产生位移。

当挡土墙后填土的含水量较大，地下水位较高时冬冻使墙后土体膨胀，产生较大的水平冻胀力，使墙身前倾，甚至倾倒。

墙后冻土水平冻胀力与墙前静水压力的联合作用，使墙身受水平剪力而产生裂缝。

4.挡土墙的抗冻措施
将基础底面深埋于冻层以下25 cm，以消除基底法向冻胀力的作用，这是一种常用的简单且防冻效果较好的措施，特别适合我省冻深在1. 8 m以内的地区。

深埋基础虽然消除了基底法向冻胀力，但墙背的法向冻胀力依然存在，所以一般采用重力或半重力式挡土墙。

对于深埋基础工程量大，可采用非冻胀性土换除冻胀性土等换基措施。

如: ①采用隔水封闭法，即将含水量低于朔限的土夯实后，采用朔料薄膜包裹封闭，体内充填纯砂，隔断外来水分补给，置换原来土体; ②在墙基础底板处可以采用铺1 层或2 层泡沫朔料或聚苯乙稀泡沫保温板。

换基可以提高基底与地基的承载力和摩擦系数，增加抗滑稳定性; 同时也可以通过换基切断地下水，防冻害。

由于冻融的影响主要位于挡土墙的前趾，在换基时前趾应大于冻深，后趾可略高于冻深。

在冻层深度较大地区，当地基为黏性土时，采用自锚桩基础比较适宜，但爆孔要求严格，一般用于地下水位低，黏土层较厚的地基。

对于地下水位高且黏土层较薄或卵石层以及淤泥地基，能否采用爆扩需要桩需要现场实验决定。

挡土墙后的回填土如属于黏性土，挡土墙易受水平冻胀力的作用而破坏。

在保证侧向渗径长度的前提下，回填非黏性土或采用铺一层泡沫朔料或聚苯乙稀泡沫保温板，可以消除减小水平冻胀力。

在挡土墙内设排水孔排除墙后填土的水分也是一种有效的防冻害措施。

挡土墙可采用保温法削减或消除冻胀。

由于挡土墙顶部属于双向冻结, 设计时可以在挡土墙填土水平方向和墙背两个方向铺设聚苯乙烯泡沫保温板。

保温板减轻了回填土受冻程度, 降低了冻层深度, 保温板的伸缩性使冻胀力不直接作用在挡土墙上, 有效地消除了冻胀产生的破坏。

保温材料的厚度( 1 /10~ 1 /15) H1, 按回填土冻胀类型设计相应铺设长度。

采取降低墙后填土含水量和墙后地下水位的方法, 可以有效地防止挡土墙产生冻害。

本方法又可以细分为两种方法。

①隔水封闭法。

在墙后一定填土范围
内铺设防渗膜, 使水分不能渗透到墙后填土中, 降低墙后填土含水量, 使之低于土壤起始冻胀含水量, 削减或消除冻害。

②排水法。

根据挡土墙的高度, 在墙体设置一排或多排排水孔, 使墙后填土中水分通过排水孔排出, 降低墙后地下水位, 达到消除冻害的目的。

设计排水孔间距一般为2m ~ 3m, 呈梅花状布置, 排水孔直径为6cm ~ 8cm。

排水孔后设反滤料。

参考文献
[1]、王英华、陈晓东、叶兴水工建筑物北京：中国水利水电出版社（2004）
[2]、中华人民共和国行业标SL211—98 水工建筑物抗冲冻设计规范。