水工建筑物冻害成因及其防治措施探析
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【摘要】：北方地区的水工建筑物冬季一直具有冰、冻融、地基土冻胀影响的问题,让部分工程建筑出现或多或少的损坏。在我国季节冻土区的最北部,是季节冻土区和岛状常年冻土区的交界处,冻害非常严重。在分析中小型水工建筑物冻害损坏的前提下,阐述了冻害原因,应用抗冰冻相关的科学知识和经验,非常系统地阐述了水工建筑物的防冰冻方法。
中图分类号：TB857+3 文献标识码：A
【正文】：
前言：
由于季节冻土区的最北部抗冻害科相关研究,根据当地区常年来抗冻害经验,国家农业综合开发的库堤河项目区115座,渠系建筑物设计中重点考虑了抗冻害发放,1995年7月以优质项目通过自治区、盟和国家验收,现在运行时间有6～7年,每项工程都符合设计要求,说明工程的勘测、设计、施工和管理等方面采取的防冻措施是恰当的,满足现行行业标准《水工建筑物抗冰冻设计规范》SL211-98。
一 冻胀机理
1 土壤冻胀
水工建筑物地基土出现冻胀的根本条件为负温、土质和水分,它们相互影响。就土质来说,是指土壤中的细小颗粒,带有游离电子或离子,具有静电引力并形成静电引力场,土壤中的水分偶极分子与土粒接触时,便受到静电引力的作用,当气温条件是负温时,土粒失温的速度比水快,于是土颗粒先冷却,随之水分也冷却,达到起始冻结温度后,土粒吸附的水开始冻结成冰,产生较大的冰结晶力,随着温度继续下降,由于吸附作用将水分拉向冰晶体,冰晶体增大。而原来土粒吸附水厚度变薄,就从下方未冻水分吸引相当部分的水,来平衡土粒的静电引力。在负温的条件下,经过这种重复作用,冰体逐渐增大,下方未冻水分不断补充,地基土粒发生相对变形,产生冻胀。
2混凝土冻胀
水工建筑物混凝土或钢筋混凝土,在负温条件下,水泥的细小颗粒或钢筋失热的速度特别快,首先冷却。混凝土结构孔隙中一旦有水分充填,当气温下降到起始冻结点时,就以水泥颗粒或钢筋为冻结锋面吸附未结冰的水,形成混凝土冻结膨胀,使混凝土的结构变形而破坏。同样在温度适宜的季节冻土地区,水工建筑物混凝土随冻融循环次数、水分饱和等条件变化,存在着混凝土的冻融破坏。
二 冻害成因
冻害涉及到气、液、固3相介质之间的关系,冻害成因归纳起来,分为冻胀力、冻融、蠕动变形和冰压力等。
1冻胀力
地基土或混凝土冻结时,其中的水分冷却成冰,冰吸附未冻水分聚流到冻结锋面,冰晶体急剧增大所引起的作用力。
冻胀力对建筑物的方向方向不一样,通常包括切向冻胀力、水平冻胀力和竖向冻胀力几种。冻胀力对水工建筑物的损坏,更改基础土与混凝土的结构,使建筑物强度有所下降。
⑴切向冻胀力
水工建筑物桩、墩基础附近土体受冻时,因为得到基础的制约而影响基础侧边向上的应力。基础和基土间的作用力是切向冻胀力形成、传逆的中介物。
⑵水平冻胀力
水工建筑物挡土墙后和基础侧边的土受冻时水平影响墙或基础侧面的应力。和墙后填土的冻胀成一定的比例关系。
⑶竖向冻胀力
地基土冻胀时影响基础底面垂直向上的应力。在基础埋置相对基础设计冻深或基土为冻胀性土较浅时,都有竖向冻胀力。
2冻融
冻融是指负温冻结,温升后融化。多次冻融循环,可导致水工建筑物的破坏,特别是水位变化区混凝土表面,冻结产生体积膨胀,而融化时,冰体融化成水,流出混凝土外,原来的形态不能复原,混凝土弹性模量大大降低,导致钢筋外露和溶蚀,从而加速冻胀破坏,形成恶性循环。
3蠕动变形
地基土在负温状态下,冻土冰体会发生塑性变形,体积变小,所产生的压力会引起冰点不断下降造成冻土的融化流动。
4冰压力
作用于水工建筑物上的冰压力,分为动冰压力和静冰压力。流冰时产生的压力为动冰压力,流冰冲击水工建筑物,可造成水工建筑物的挤压或剪切破坏。冰层温升膨胀产生的压力为静冰压力。温升时,冰层受力强烈爬坡,被冻结在一起的混凝土板,被冰盖上爬带动升高,引起混凝土板拉裂、弯曲而破坏。
三防冰冻措施
为了避免水工建筑物在冰、冻融和冻胀影响下出现破坏的状况,在继续总结实践经验的条件下,贯彻因地制宜、安全可靠、经济合理等基本原则,结合农业综合开发区的库堤河项目所采用的抗冰冻技术,提出从勘察、设计、施工工艺和运行管理等方面抗冰冻防治措施供探讨。
1工程勘察方面
常规的工程勘察之外,还应了解工程所在地地下水埋深和补给排泄条件;土壤种类、粒径、含水量、导流、系数等;最冷月平均温度、年平均温度、每天平均最小气温等;冰情材料、冻土状况等抗冰冻的资料,对水工建筑物抗冰冻设计具有一定的参考价值。
2设计方面
能够应用以下措施。
⑴换回填土
根据建筑物等级、日照条件、遮荫程度等条件,计算设计冻深、基础设计冻深、土的冻胀量,设计时可考虑基础换土,减少冻胀力的因素。
Ⅰ～Ⅴ级冻胀性地基的置换材料采用非冻胀性土,即采用小于0.05 mm粒径的颗粒含量小于总量的6%,置换材料与原状土之间应设过滤层,并应具有良好的排水条件。置换深度应满足建筑物冻胀稳定要求,置换范围沿建筑物基础投影轮廊线向外加大0.5 m左右。置换深度一般是冻深的70%～80%。经置换,冻胀力可减少80%～85%。
⑵排水
土壤中含水量超过起始冻胀含水量时,应设法排除,并采取措施防止地表水或地下水渗入,如挡土墙在满足渗径要求的条件下,挡土墙应设置排水孔。渠道线路应尽量走高线,尽可能减少地下水的危害。并在渠旁植柳、杨树,起生物排水的作用。
⑶保温措施
①水保温措施。水的热容量是所有物质中较大的,用水结冰时放出的潜热能有效地减少冻深。据经验,1.0 m厚的冰层相当于2.0 m厚的冰土。农业综合开发项目区在43 m长的混凝土方涵倒虹吸,上回填土层1.4 m,为了防止冻结峰面达到管底,在回填过程中要求填透水的砂砾料,让砂砾回填层与沟道水相通使虹吸管上保持一定的水层,从而使虹吸管内水面冻结厚度大大降低,进出水口用稻草填堵,保证虹吸管来年春季正常过水。
②铺设保温材料。水工建筑物选用聚苯乙烯泡沫塑料板或水泥泡沫珍珠岩砂浆作基础保温材料时,冻胀性地基土级别比Ⅱ级小时,能够在建筑物背面单向铺设;冻胀性级别比Ⅱ级大时,能双向铺设。其厚度能够取设计冻深的1/10～1/15。
⑷隔离措施
水工建筑物基础外壁,在设计冻深范围内,用沥青增水材料涂2 mm厚隔水层,并使挡土墙背面平整光滑,浆砌石挡土墙背侧用水泥砂浆抹平,以消除地基土与基础外壁间的冻结力,即使地基土产生冻胀也不至于影响建筑物的稳定。
⑸选择适当的结构形式
针对水工建筑物的受力特点,宜采用减小建筑物与冻土接触面积等适应冻胀的结构,基础单元刚度等结构和布置。
3施工方面
室外昼夜平均气温低于3℃时,混凝土施工时应采用保温措施或停止重要工程的施工;受冻严重而又有抗冲抗磨要求部位,严寒地区钢筋净保护层严格按规范标准施工;土方工程在雨季施工,要控制土料的含水量;采用非冻胀性材料置换冻胀性地基时,要控制小于0.05 mm粒径含量按质量比必须小于总质量的6%,控制回填土料的相对密度等。
4运行管理
加强对水工建筑物的运行管理工作,经常系统地观察,掌握冻融变化规律,预测可能出现的冻害,及早采取补救、防护措施,减小或消除隐患,增加工程使用寿命。
【结语】：在实际工程中，当参考地基土冻胀规律和建筑物所在地点的材料出处，建筑物的关键程度，应用条件等灵活运用以上多种防治冻害的措施。偶尔综合选用部分措施能够实现更好的防冻害效果。
【参考文献】：[1]曲祥民，于伯芳.水利涵闸工程抗冻技术[Z].1992，内部资料.
[2]渠系工程抗冻胀设计规范[M].北京：水利电力出版社，1991.
[3]随铁龄.水利工程挡土墙冻害防治技术[Z].1991，内部资料.