水工建筑物的冻胀破坏和防治措施

1、中国高新技术企业H i-TECH水工建筑物的冻胀破坏和防治措施文/饶忠民【摘要】本文分析了水工建筑物冻胀现象和冻害产生的原因以及破坏特征,提出了相应的防治措施,供大家参考。【关键词】冻胀破坏防治水工建筑物1前言所谓冻胀,系指土的冻结过程中,土中的水份冻结成冰,并形成冰层,水透镜体,多晶体冰晶等的冰入侵引起土颗粒之间相对位移,因而使土体产生不同程度的膨胀现象。严重冻胀,会使地表出现冻胀丘、隆岗和冰冻裂缝等。2水工建筑物冻胀现象分析水工建筑物的基础形式及基础在冻土中的位置不同,所受到的冻胀力也往往不同,基础构造物受到的冻胀力可能是单一的,也可能是综合的。下面就水工建筑物常见的冻胀破坏现象及防治措施

2、做如下分析。水工建筑物冻胀破坏现象的原因:(1小型水闸闸室冻胀后向上抬升,灌区小型水闸底板厚度不大,一般基础都没有伸入冻结深度以下,特别是基础下边粘性土的地方,冬季基础冻后,闸室向上抬升位移,由于冻胀不均匀性,有时导致底板裂缝,或闸体倾斜。(2大面积现浇砼板产生冻胀裂缝,或板缝错动。如:多浪水库新放水闸,闸后海漫段右侧砼护坡,砼板下土壤属亚砂性土,砼板厚30cm,由于冻胀不均匀性,两块板之问沿分离缝上下错动45cm,消冻后不能复位。上游水库砼防浪护坡板,为现浇砼薄板,板下铺一层塑膜,板厚12cm,长宽各215、236cm,基础系原来水库防浪土缓坡,以人工杂细的砂土、亚砂土为主,部分有亚粘土,冬

3、季在水位变动区,发生大范围冻胀现象,砼板沿中隔墙水平缝隆起,一般35cm,最大13cm,部分板出现水平裂缝。由于冻胀的不均匀性,亦有错动,高并15cm 不等。(3水工建筑物边坡隔墙冻胀上抬或上部裂缝。(4挡土墙冻胀后折断或前倾:多发生在薄的重力式挡土墙,小型水闸的无筋直立翼墙和砖、石浆砌挡土墙,冬季冻结后,挡土墙顶端受到比较大的水平冻胀力,导致挡土墙(或翼墙前倾或折断。(5混凝土预制板衬砌的渠道,边坡(或渠底冻胀后。不规则地隆起,甚至错位下滑。(6涵管进出口端墙顶部裂缝:因为涵管进出口直接同外界进行热交换,冬季冻结时进出口部位的冻结速度和作用于底部的法向冻胀力。大于涵洞洞身中部,同时涵管进出口

4、往往又是堤的坡脚部位,填土薄,上部荷载比涵洞洞身中间小,端墙两头伸入渠坡内受到较大的约束力,两端墙中部的约束力最小,容易产生裂缝,这是涵管进出口冻胀上抬造成的。(7水闸上下游扭坡冻胀产生纵横向裂缝:扭坡直墙端一般系由重力式挡土墙结构,渐变到成为板式护坡,扭坡前半截结构尺寸较大,而其所承受的冻胀力(以水平冻胀力为主比较小。扭坡后半截板较薄,所承受的冻胀力比较大(以法向冻胀力和水平冻胀力为主。前后两者之间,由于结构尺寸,冻胀力的大小和方向,都存在很大的差异,因此往往在扭坡的后半段容易出现水平和横向的冻胀裂缝。(8常见的公路路面冻结后,也有出现带状隆起或者形成冻胀丘柏油路面裂缝,行车道凹凸不平春季翻

5、浆,路面破坏。由于冻胀的不均匀性.冬季路基冻结后,路面不均匀的隆起,柏油路面出现裂缝,开春回暖,雨水沿裂缝入渗,增加了路基的含水量,上层冻土首先融化,下层未融化的冻土便形成暂时的隔水层,消冻后的路基表层土,含水量较高,在往来车辆频繁的碾压和震动下,发生皮软和液化现象,造成道路翻浆,路面破坏。3冻害产生的原因和破坏特征水工建筑物发生冻害的原因是地基上冻结界面处产生的冻胀应力。冻胀力分为:作用于基础底面的法向冻胀力、作用于基础侧表面的切向冻胀力和侧向水平冻胀力等。(一桩基础桥的冻害破坏在切向冻胀力的作用下,桥桩基础常常被不均匀地拔起来。通常沟渠较深、夏季过水部分处的桩上拔量越大,沟渠两侧的桩上拔量

6、越小,边桩一般不产生冻拔现象。这样就会使桥面沿纵向呈“锣锅”形,桩基础一旦产生冻拔则不易制止住。桩发生冻拔后很难恢复原位,而且桩的冻拔量将逐年累积。由于埋入土中部分不断减少,冻拔则逐年加剧。(二板形基础建筑物的冻害破坏水工建筑物中的水闸底板、闸前铺盖、闸后护坦均属于板形基础。板形基础冻害破坏原因是法向冻胀力和切向冻胀力对板形基础发生作用。在实际工程中的大面积板形基础埋深多小于冻深。即使埋深等于冻深,其下部,当板形基础较厚时,基础侧面上还将受较大切向冻胀力的作用。因此,板形基础建筑物常常被冻胀力抬起来,或使形建筑物产生各种形式的破坏。另外,板形基础的冻胀和融沉不均匀,使板形基础本身及其上部结构受

7、力而产生强度破坏,在实际工程中的板形基础,其冻胀变化多数受到约束,法向冻胀力随约束度的增加而增大,板形基础的约束使作用于板形基础下的法向冻胀力增大。工程实践证明,闸底板的冻胀裂缝多沿纵向分布,且多集中在板形基础纵向的中心线附近。上述冻胀裂缝的产生和分布特征是和板形基础所受到的约束条件密切相关的。(三挡土墙的冻害破坏特征挡土墙墙背的土发生冻结时,挡土墙受力主要是作用于墙背的水平冻胀力,水平冻胀力较之土压力要大几倍甚至十几倍。土压力和水平冻胀力的交替循环作用,导致挡土墙发生墙体裂缝、断裂、倾斜和倒塌等现象。4防冻措施4.1排水防治引水渠线应选在高处并做成填方,尽可能将地下水位降至临界冻深以下。若地

8、下水位不能降至安全深度,可设置隔水层。渠堤顶面应向外倾斜,以利排除雨雪水。4.2挡土墙防冻在墙背面采用塑料薄膜包裹体,包裹体内充填纯砂,封顶的塑料薄膜做成外高里低或里高外低,使地表水及时通过排水沟(桨排走。挡土墙为混凝土或钢筋混凝土不漏水墙体时,也要在墙体一侧用塑料薄膜。这是因为塑料薄膜充填后使墙体与填充体结合得更好。桩(柱防冻,桩基冻胀是季节性冻土地区常见的现象,解决办法是在地工程建设与管理156-中国高新技术企业H i-TECH(上接151页图4受采动影响时最大主应力图5受采动影响时最小主应力(二、破坏范围及分布如图6所示,在巷道的顶板出现拉破坏区,范围约0.5m左右,巷道其它部位产生不同

9、程度压剪破坏区域,其中,上帮约1.6m左右,达到锚固的极限深度;下帮底板基本未产生破坏,下帮破坏范围约1.2m左右,上帮破坏范围约1.5m左右,尚未超过锚杆的加固范围;底板破坏范围约0.6m左右。这说明在受采动影响时,两帮特别是上帮将产生较大片帮现象,应加强超前支护,注意护帮。图6受采动影响破坏范围(三、围岩变形如图7所示,在受采动影响的情况下,上帮中部位移最大,达18.65cm;下帮次之,为15.0cm;顶板为510cm;而底板最小,仅为5cm左右,这与破坏分布规律相一致。图7受采动影响位移场五、主要结论1、在不受采动影响时,两帮的位移变形大于顶底板,但围岩的破坏范围都未超过锚固范围,因此,

10、在不受采动影响时,设计的锚杆支护参数能够保证安全要求。2、在受采动影响时,两帮的位移变形仍然大于顶底板,且上帮的破坏范围接近超过锚固极限深度,下帮围岩的破坏范围也接近锚固范围,因此可能出现片帮,特别是上帮的片帮将不可避免。同时,由于顶板内受拉应力破坏的影响,顶板将产生一定程度的碎裂破坏现象,应注意加强超前支护,以防顶板碎裂局部小冒落和两帮的片帮。3、本顺槽锚杆支护设计的支护参数,可在类似条件下推广应用。(作者单位系太原煤气化龙泉能源发展有限公司下水位以上用砂砾料换填桩(柱的基础,即在桩(柱周围放置包裹体,保证砂砾的洁净,切断周围上体对包裹体的水分补给,增强了防冻拨的效果。塑料薄膜一般采用市面销

11、售的聚乙烯薄膜,厚度为O. 0l50.02毫米。施工中应注意:换填范围大于受约束上体,变形的范围,如直径小于6O厘米的磨擦柱换填范围可取桩径的34倍,换填深度应等于或大干当地最大冻深。应控制砂砾石中的含泥量及粒径,从工程实际换填效果来看,使用干净的中、粗砂的卵石为佳,同时要有排水出路。饱水的砂砾面也有轻微冻胀,换填后有排水出路时,以排除砂砾石中的水,增强防冻效果。4.3聚苯乙烯硬质泡沫板防冻在基础底板面铺一层硬质泡沫塑料,lO厘米厚塑料的隔热效果约等于1.5米厚的土层。当土层冻深为1.5米时,在地表铺上一层lO厘米厚的泡沫,可保证其下部土层不发生冻结。近年来,在季节性冻土区开始大量应用聚苯乙烯硬质泡沫板做涵、渡槽的保温材料,造价低节省排水费用,施工简便、安净可靠,防冻效果好。4.4换填措施将冻层内冻胀土的部分或全部置换成非冻胀士,其置换比应视土质和地下水埋深而定。土质为砂壤土、壤土、轻黏土、地水深大于冻深加临界深度时,应置换冻深的40%70%,地下水埋深小于冻深加上临界深度时,应置换冻深的5O%80%,甚至全部置换材料下应铺一层防渗膜料