季節(jié)性凍土的凍脹力及水工建筑物防凍害措施

齊方業(yè)，杜彩霞

（鐵力市水務(wù)局，黑龍江鐵力 152500）

黑龍江省在一些季節(jié)性凍土區(qū)修建了不少水工建筑物，它們均程度不同地受到地基土的凍脹作用。盡管設(shè)計(jì)中對(duì)建筑物采取了一些防治措施和有些建筑物還是遭受不同程度的破壞，文章闡述了季節(jié)性凍土的凍脹力以及對(duì)水工建筑物的破壞和防治措施，通過改變地基土質(zhì)，水分遷移等條件和設(shè)計(jì)合理的基礎(chǔ)形式，用以消除或削弱凍脹力，適應(yīng)地基土的凍脹性，以達(dá)到減少基礎(chǔ)工程造價(jià)和免除凍害的目的。

隨著水利建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，我省在季節(jié)性凍土區(qū)修建了大量的水工建筑物，它們均程度不同地受到地基土的凍脹作用，為防止凍脹破壞，建筑物的基礎(chǔ)埋深要超過凍深，因此基礎(chǔ)厚度要達(dá)到1.5～2.0 m，甚至有的達(dá)到2.5 m以上，基礎(chǔ)工程的工程量占整個(gè)工程量的1/3～1/2，工程越小相對(duì)比重越大，有的甚至達(dá)到60%以上，這樣大的工程量不僅給施工帶來許多困難，而且使季節(jié)凍土地區(qū)的水工建筑物的投資較大。盡管如此，由于建筑物沒能采取適宜的防治措施和正確的設(shè)計(jì)方案還是使建筑物遭受不同程度的破壞，因此本文初步討論季節(jié)性凍土的凍脹力以及對(duì)水工建筑物的破壞和防治措施，通過改變地基土質(zhì)，水分遷移等條件和設(shè)計(jì)合理的基礎(chǔ)形式，用以消除或削弱凍脹力，適應(yīng)地基土的凍脹性，以達(dá)到減少基礎(chǔ)工程造價(jià)和免除凍害的目的。

1 凍脹力的形成

影響土的凍脹因素很多，主要是水、土、溫、壓因素。其中水、土是主要因素。土的凍脹是由于土體中含水量超過起始凍脹含水量，在負(fù)溫下孔隙水部分凍結(jié)，對(duì)土骨架將產(chǎn)生擠壓力。如果未凍水沒有向外排泄條件，土開始凍脹。但如果能將其余未凍水?dāng)D走，以上體積增量將由孔隙中剩余空間所容納，土體也不會(huì)產(chǎn)生凍脹。如果凍脹過程中有外水補(bǔ)給發(fā)生了強(qiáng)烈的水分遷移，生成大量的冰夾層，將產(chǎn)生強(qiáng)烈的凍脹。經(jīng)觀測(cè)：冰夾層的厚度大致等于凍脹量。沿凍深分步的冰夾層基本上代表了凍脹量沿凍深的分步情況。上層土的凍夾層厚而稀，而下層土的冰夾層薄而密。凍土層結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 凍土層結(jié)構(gòu)示意圖

土壤粒徑、級(jí)配及溫度變化，外水補(bǔ)給，外荷載的大小等都直接影響凍脹的程度。當(dāng)土粒的粒徑為0.05-0.002 mm，土中水分遷移劇烈，土的凍脹量比較大，這種土的吸引水分能力強(qiáng)。土體中水分的遷移是靠結(jié)晶力、吸附力、毛細(xì)力、溫度差和表面能差產(chǎn)生薄膜水移動(dòng)，其中冰結(jié)晶力、毛細(xì)力和表面能差是水分遷移的主要?jiǎng)恿Α?/p>

土體凍結(jié)時(shí)，凍結(jié)面附著土顆粒的水膜被冰晶體吸薄，為了維持顆粒表面能的平衡，其他土顆粒的水膜向較薄的顆粒表面移動(dòng)，為達(dá)能量的平衡，不斷的移動(dòng)，不斷的凍結(jié)，放出潛熱結(jié)晶成冰。

季節(jié)性凍土地區(qū)經(jīng)過多次凍融循環(huán)，土的孔隙比是比較大的，凍結(jié)期土經(jīng)過不均勻的凍脹，凍結(jié)面是一個(gè)凹凸不平的曲面，在凍層由于凍脹而上抬的過程中凹面處形成孔縫，造成負(fù)壓區(qū)，遷移的水聚集到此而結(jié)晶成冰夾層。這種冰夾層體積膨脹9%，產(chǎn)生了內(nèi)壓力，這種對(duì)基礎(chǔ)擠壓和抬起的能力稱之謂凍脹力。

封閉式和開敞式凍脹的區(qū)別：

封閉式凍脹在沒有外水補(bǔ)給的條件下，土體中原駐水引起的凍脹為封閉式凍脹，當(dāng)土體中原駐水小于起始凍脹含水量（黏土W0=13.0）凍結(jié)時(shí)不但沒有凍脹，反而產(chǎn)生凍縮。表現(xiàn)地面出現(xiàn)下降，體積縮小。當(dāng)土體中原駐水大于起始凍脹含水量W0時(shí)，在沒有外水補(bǔ)給的條件下，雖然產(chǎn)生凍脹，但凍脹量不大。

開敞式凍脹是除土體中有原駐水外，更主要是有外水補(bǔ)給，源源不斷地遷移來的水聚集在凍結(jié)面處，放出潛熱結(jié)晶成冰夾層，經(jīng)觀測(cè)冰夾層厚度約1～3 cm。產(chǎn)生凍脹力，嚴(yán)重的破壞水工建筑物。

這里應(yīng)該指出：粗顆粒土（中粗砂、礫石）含粉量（土粒徑d＜0.05 mm）小于12%時(shí)，即使處于飽和水狀態(tài)，但由于表面能小，土的顆粒導(dǎo)熱系數(shù)大于水，在凍結(jié)過程中先形成冰晶體、孔隙冰，不發(fā)生水份遷移，凍脹量很小。且有切斷地下水轉(zhuǎn)移的效果，這就是在實(shí)踐上采用基礎(chǔ)換砂礫石防凍害的依據(jù)，但必須有排水出路。

地下水位的高低是土凍脹強(qiáng)弱的重要因素，凍前地下水位高，水分向凍結(jié)面遷移的距離短，水份遷移的快，凍脹量就大。地下水位低，水分向凍結(jié)面遷移的距離長(zhǎng)，水分遷移的慢，凍脹量就小，經(jīng)實(shí)踐證明，地下水位在凍結(jié)前根據(jù)不同土質(zhì)低于凍結(jié)鋒面的最小距離時(shí)，土體有輕微的凍脹或不凍脹見表1。根據(jù)這個(gè)依據(jù)，設(shè)計(jì)水工建筑物基礎(chǔ)前要先對(duì)地下水位進(jìn)行測(cè)量，確定基礎(chǔ)埋深。

表1 不同土質(zhì)低于凍結(jié)鋒面的最小距離一覽表

而不考慮此條件一律深基礎(chǔ)是一個(gè)很大的浪費(fèi)。例如1975年設(shè)計(jì)的東方紅水庫(kù)灌區(qū)一、三支渠進(jìn)水閘，地下水位低于渠底2.0 m，故采用淺基底板厚0.7 m，下部換1.07 m砂礫石，經(jīng)運(yùn)行21 a的觀測(cè)沒有發(fā)生凍害。

此外土的級(jí)配密度對(duì)凍脹性的影響也不可忽視。因密度大小直接影響孔隙水含量，影響水分遷移。當(dāng)土的密度＞1.6 g/cm3時(shí)地基土不會(huì)產(chǎn)生顯著凍脹。因此，采用提高土體密度的壓實(shí)措施，可以防止地基凍脹。

2 基礎(chǔ)凍脹的受力分析

凍結(jié)過程中，產(chǎn)生等溫面，等溫面基本上平行于基礎(chǔ)面如圖2。

圖2 基礎(chǔ)凍脹示意圖

2.1 基底法向凍脹力和對(duì)建筑物的破壞型式

基底受凍脹時(shí)等溫面基本上平行于基底，而產(chǎn)生的法向凍脹力是垂直于等溫面的，即垂直于基底。在不均勻的法向凍脹力的作用下，外荷載強(qiáng)度小于基底法向凍脹力的強(qiáng)度時(shí)，建筑物就會(huì)整體上抬?；蛘咴诜ㄏ騼雒浟ψ饔孟拢A(chǔ)底板中間產(chǎn)生負(fù)彎矩M，當(dāng)超過極限值時(shí)基礎(chǔ)開始裂紋。在春季地基融沉?xí)r，由于基礎(chǔ)周圍邊界條件的影響，基礎(chǔ)底板靠自重不能與融化的地基土同步下沉、復(fù)位，造成下滲流量大，沖刷地基，危害建筑物的安全，這是某些中小型水閘失事的一個(gè)重要原因。為了防止上述破壞，在修長(zhǎng)富電站時(shí)在設(shè)計(jì)上采用了倒置盒式的基礎(chǔ)，增大了基底的剛度，下部換砂礫石。據(jù)30 a來的觀測(cè)沒有發(fā)生抬起和斷裂，防止了凍脹。

涵洞工程的基底法向凍脹力的分布是進(jìn)出口兩端大而中間小，因進(jìn)出口段直接與外界進(jìn)行熱交換，有較大的凍深。如果不注意這種特點(diǎn)將會(huì)造成翼墻斷裂、管節(jié)錯(cuò)位和脫節(jié)等現(xiàn)象，使工程遭到破壞。例如東方紅水庫(kù)灌區(qū)公路涵進(jìn)出口已經(jīng)抬高20 cm，嚴(yán)重影響過水流量。另外由于負(fù)溫入侵洞內(nèi)，使管壁附近產(chǎn)生冰夾層，特別當(dāng)左右夯實(shí)土不好的情況下，冰夾層尤多，融化時(shí)形成空洞，放水后淘空土體而使涵洞破壞。這種破壞為凍融破壞。1976年設(shè)計(jì)的7512工程和八連等地的幾處涵洞的基礎(chǔ)底板都利用了法向凍脹力分布的特點(diǎn)，進(jìn)出口段采用深基礎(chǔ)而中間是薄底板，據(jù)30多年來的觀測(cè)效果較好。

2.2 基側(cè)法向凍脹力及對(duì)建筑物破壞型式

基側(cè)法向凍脹力是垂直于等溫面的，以擋土墻為例，墻后的土體凍脹屬于雙向凍結(jié)，垂直于地面的凍脹力只能抬高墻后土體，對(duì)墻無害，但垂直墻的法向凍脹力是直接造成擋土墻斷裂、位移等主要因素。特別是翼墻拐角處，應(yīng)力集中的原故，破壞更為嚴(yán)重。

2.3 凍切力及對(duì)建筑物的破壞

基礎(chǔ)的凍切力是作用在基礎(chǔ)側(cè)表面的，而平行于側(cè)表面，最大凍切力值分布在總凍深的60%以上。當(dāng)?shù)鼗羶鼋Y(jié)時(shí)，產(chǎn)生一種膠結(jié)力，將土與基礎(chǔ)側(cè)表面牢固地膠結(jié)在一起，形成凍結(jié)力，當(dāng)土體凍脹產(chǎn)生相對(duì)位移沿基礎(chǔ)表面產(chǎn)生一個(gè)方向向上的力，即凍拔力。使樁柱基礎(chǔ)逐年上拔，造成橋梁的破壞。

3 水工建筑物的凍害防治措施

由于水工建筑物的地下水位一般都比較高，而設(shè)計(jì)抗凍強(qiáng)度比較低，型式復(fù)雜，工程位置不能任意改變。因此防治比較困難。目前防治基礎(chǔ)凍害有兩類措施：①結(jié)構(gòu)措施，即增強(qiáng)建筑物的強(qiáng)度和剛度以抵抗各種凍脹力的破壞作用;②改變地基土的土、水、溫狀態(tài)，改變其凍脹性，以減少或消除各種凍脹力對(duì)建筑物的作用。

3.1 結(jié)構(gòu)措施

1）倒置盒形及箱格形基礎(chǔ)板，一般作用于淺基礎(chǔ)板上的法向凍脹力很大，為增加底板抗變形能力，增加剛度，做成倒置盒型基礎(chǔ)，并在其底部換砂礫石，右圖為長(zhǎng)富電站基礎(chǔ)板的結(jié)構(gòu)形式，用漿砌石制作的底板中間換砂，經(jīng)過30多年的運(yùn)用，經(jīng)檢查沒有發(fā)生凍脹破壞。如在底部用瀝清或塑料膜隔水，效果會(huì)更好。詳見圖3。

圖3 倒置盒形及箱格形基礎(chǔ)板示意圖

2）與爆破樁相結(jié)合的板型基礎(chǔ)。此法是用樁或柱的擴(kuò)大基礎(chǔ)來減小基底法向凍脹力。

3）深基礎(chǔ)法。此法需將基礎(chǔ)每處都置于最大凍深以下，基礎(chǔ)厚度幾乎等于最大凍深，此法不經(jīng)濟(jì)，造價(jià)高。

4）柱結(jié)構(gòu)采用擴(kuò)底樁法或擴(kuò)大式基礎(chǔ)，甚至可以采用錨固底梁法，但都要在凍深以下。

3.2 變地基土的土、水、溫度狀態(tài)

1）換填砂礫（卵石）料，包括基礎(chǔ)換砂和回填砂礫料，必須有排水設(shè)施能夠排走砂礫料中的水。也可改用瀝青砂卵石，并夯實(shí)。

2）排水設(shè)施：無論凍脹性強(qiáng)的黏土還是凍脹性弱的砂礫料，設(shè)置排水后均會(huì)顯著降低凍脹力。

3）保溫措施：保溫措施是通過減輕寒冷因素的辦法削減凍脹力。

以上是自己在工作實(shí)踐中的一點(diǎn)體會(huì)，有不當(dāng)之處請(qǐng)予以指正。