中小型水工建筑物凍害成因及其防治措施

常崢

摘要：水工建筑物出現(xiàn)凍害是因?yàn)榛A(chǔ)土質(zhì)低溫凍結(jié)后出現(xiàn)凍脹而對(duì)建筑物造成的傷害，簡(jiǎn)稱凍害。外荷載、土質(zhì)、氣溫等因素都是導(dǎo)致凍害的外部因素。混凝土與細(xì)粒土間孔隙中存在的水份以及中小型水庫水面結(jié)冰，都會(huì)產(chǎn)生靜冰壓力和凍脹，嚴(yán)重威脅水庫建筑物的壽命與安全性。分析中小型水工建筑物凍害產(chǎn)生的原因，并具有針對(duì)性的提出防治策略與措施，對(duì)水工建筑物的建設(shè)與維護(hù)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：水工建筑物；凍害成因；防治

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：16723198（2015）17021201

寒冷地區(qū)建設(shè)的水工建筑存在特別普遍的凍害現(xiàn)象，就黑龍江省而言，很多灌區(qū)特別是澇區(qū)，因?yàn)榈鼗链蟛糠质呛谏忘S色的粉質(zhì)土壤，其具有較高的地下水位，土壤凍前飽含水分，一旦受凍的膨脹性較大，所以大部分中小型水工建筑存在凍害情況。無論是磚木結(jié)構(gòu)，還是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；無論是現(xiàn)澆式，還是預(yù)制式的閘、涵、橋等建筑都會(huì)出現(xiàn)凍害。因?yàn)閮龊ζ茐?，為工程建設(shè)、工程管理、工程效益、工程維修等環(huán)節(jié)造成嚴(yán)重危害。

1水工建筑物出現(xiàn)凍害的原因

1.1凍脹力

混凝土或者地基土受低溫影響而凍結(jié)時(shí)，其含有的水份凝結(jié)成冰，冰將沒有結(jié)凍的水份在凍結(jié)鋒面上聚集起來形成冰晶體，其體積不斷增加而產(chǎn)生的作用力就是凍脹力，此力對(duì)建筑物有不同的作用方向，通常包括豎向、水平方向和切向的凍脹力。凍脹力損害水工建設(shè)物，讓混凝土和基礎(chǔ)土的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，削弱建筑物強(qiáng)度。

第一，豎向凍脹力?；炷羶雒涍^程中會(huì)受到地基的制約而產(chǎn)生作用于混凝土底面的垂直向上的力。當(dāng)基礎(chǔ)土屬于凍脹性土壤或者基礎(chǔ)埋置深度較設(shè)計(jì)凍深少時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生豎向凍脹力。第二，水平方向凍脹力。中小型水工建筑物基礎(chǔ)側(cè)面或者擋土墻后的土凍脹，在基礎(chǔ)側(cè)面或墻上就會(huì)出現(xiàn)水平作用的力，其力度大小與墻后填土凍脹的數(shù)值呈現(xiàn)出正比例關(guān)系。第三，切向凍脹力。中小型水工建筑物橋墩、物樁基礎(chǔ)周圍出現(xiàn)土壤凍脹情況時(shí)，因?yàn)槭艿交A(chǔ)約束而產(chǎn)生作用于基礎(chǔ)側(cè)面的向上力?；僚c基礎(chǔ)之間存在的冰結(jié)力是傳逆、形成凍脹力的有效平臺(tái)。

1.2冰壓力

中小型水工建筑所具有的冰壓力，基本分為靜冰壓力與動(dòng)冰壓力兩種。動(dòng)冰壓力就是水工建筑遭受流冰沖擊，會(huì)導(dǎo)致建筑物受到剪切、擠押等破壞。靜冰壓力是冰層溫生膨脹出現(xiàn)的壓力，冰層受到溫度上升的影響而產(chǎn)生強(qiáng)烈爬坡，混凝土板被凝結(jié)于一處，由于冰蓋上爬而長高，導(dǎo)致混凝土彎曲、斷裂等損害。

1.3蠕動(dòng)變形

水工建筑的地基土在氣溫到達(dá)零下時(shí)，凍土冰體會(huì)出現(xiàn)變形情況，其體積逐步減少，所出現(xiàn)的壓力會(huì)導(dǎo)致冰點(diǎn)的下降，進(jìn)而凍土?xí)霈F(xiàn)融化流動(dòng)的情況。

1.4凍融

負(fù)溫下結(jié)凍而升溫后融化就稱之為“凍融”。凍融的反復(fù)循環(huán)，能破壞水工建筑物，尤其是位于水位變化區(qū)域內(nèi)的混凝土表面，當(dāng)凍結(jié)時(shí)其體積會(huì)膨脹，而融化時(shí)冰變成液體流到混凝土外，原來的形態(tài)則難以恢復(fù)，降低了混凝土應(yīng)有的彈性，造成鋼筋的容蝕與外露現(xiàn)象，進(jìn)而提高凍脹的損傷，并導(dǎo)致惡性循環(huán)。

2水工建筑物防治凍害的策略

2.1勘探環(huán)節(jié)防控凍害的措施

中小型水工建筑物既要進(jìn)行常規(guī)勘測(cè)，要全面認(rèn)識(shí)工程處于地下埋深以及排泄與補(bǔ)給的相關(guān)條件，包括：（1）土壤的系數(shù)、導(dǎo)熱性、含水量、粒徑、種類等；（2）日均溫度、年均溫度、最冷月份溫度等；（3）凍土情況、冰情資料等具有抗冰凍功能的材料。上述數(shù)據(jù)為建設(shè)與維護(hù)水工建筑物設(shè)計(jì)實(shí)施抗水凍策略提供基礎(chǔ)性依據(jù)。

2.2設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)防控凍害的措施

第一，換回填土。按照遮陰水平、日照條件、建設(shè)級(jí)別等條件計(jì)算并確定土壤凍脹量、基礎(chǔ)凍深、設(shè)計(jì)深度。設(shè)計(jì)過程中，要考慮到回填土、基礎(chǔ)換土對(duì)凍脹力和基礎(chǔ)深度的降低因素。I級(jí)到V級(jí)置換凍脹地基時(shí)，要選擇非凍脹性土壤，就是不超過0.05mm顆粒含量根據(jù)質(zhì)量比一定要低于質(zhì)量總數(shù)的6%，原狀土壤與置換材料間要安放過濾層，并設(shè)計(jì)出性能優(yōu)秀的排水條件。如將置換物投影輪廓線向外移動(dòng)0.5m，其凍脹力就可以降低80%到85%，置換深度通常達(dá)到凍深的70%到80%。

第二，排水。當(dāng)水工建筑物土壤含水量高于凍脹起始含水量時(shí)，應(yīng)該排出多余水份，并運(yùn)用恰當(dāng)方法控制地下水或地表水滲入土壤中，如擋土墻在符合滲徑要求的基本條件下，要在相應(yīng)位置設(shè)計(jì)出排水孔。渠道線路要設(shè)計(jì)成高線以避免地下水帶來的損傷，要在溝渠旁邊栽植楊樹、柳樹，以發(fā)揮出生物排水的功效。

第三，保溫策略。水保溫方式：在物質(zhì)中水具有最強(qiáng)大的熱容量，水結(jié)冰時(shí)釋放出的潛熱能可以降低凍深。據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，2米的冰土相當(dāng)于1米的冰層。農(nóng)業(yè)庫堤河水工施工項(xiàng)目要求建設(shè)43米長的倒虹吸混凝土方涵，其上為了避免凍結(jié)鋒面直到底部設(shè)計(jì)出1.4米的回填土層，回填中要選擇填水性良好的砂粒，讓溝道水和回填層間設(shè)計(jì)的虹吸管中間隔一定距離的水層，進(jìn)而降低載吸管中水面結(jié)冰的厚度。運(yùn)用稻草添堵進(jìn)出水，確保虹吸管在第二年春季可以順利過水。另外要鋪設(shè)保溫材料，中小型水工建筑物應(yīng)該選擇泡沫珍珠巖或者聚乙烯塑料板為保溫材料，當(dāng)凍脹性土

級(jí)不超過Ⅱ級(jí)時(shí)，可以采取雙向鋪設(shè)的方法，其厚度要

達(dá)到凍深的6.6%到10%。

第四，隔離措施。中小型水工建筑物外壁，在凍深范圍的設(shè)計(jì)時(shí)，隔水層是2mm的瀝青憎水材料，擋土墻背后要集中保持光滑，運(yùn)用水泥砂漿將擋土墻背側(cè)抹平，盡量降低基礎(chǔ)外壁和地基土間的凍結(jié)力，就算地基出現(xiàn)凍脹情況也能夠維持建筑物的穩(wěn)定性。

第五，合理的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)水工建筑物所體現(xiàn)出的受力特點(diǎn)，選擇降低凍土和建筑物接觸面積、以及基礎(chǔ)單元?jiǎng)偠鹊炔季趾徒Y(jié)構(gòu)。易沖建筑物擁有的樁基礎(chǔ)部分：水工項(xiàng)目區(qū)內(nèi)橋梁、渡槽結(jié)構(gòu)選擇鋼筋混凝土來制作樁基礎(chǔ)，此基礎(chǔ)降低坑土挖掘的數(shù)量，提高施工效率，同時(shí)也不會(huì)由于基礎(chǔ)凍脹而破壞建筑物的穩(wěn)定性。擴(kuò)大式墻基礎(chǔ)：此基礎(chǔ)通常應(yīng)用于田間橋梁及節(jié)制閘出水口墻，其結(jié)構(gòu)是鋼筋混凝土板，能夠妥善運(yùn)用凍脹作用力，將切身凍脹力予以抵消，進(jìn)而降低或避免凍脹變形。一字水閘結(jié)構(gòu)：此結(jié)構(gòu)出口和進(jìn)口的翼墻和段底板選擇他隔離式，不但能夠減少基礎(chǔ)性土方的挖掘數(shù)量，也能降低凍脹而提高建筑物壽命。

第六，施工環(huán)節(jié)防控凍害的措施。

當(dāng)晝夜室外平均溫度在3℃以下時(shí)，要停止重要工程的混凝土，即使實(shí)施也要采取相應(yīng)的保溫技術(shù)；對(duì)于具有抗磨抗沖要求或者受凍嚴(yán)重的部位，處于嚴(yán)寒地區(qū)的水工建筑要嚴(yán)格根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范進(jìn)行鋼筋漿保護(hù)的施工；如果在雨季進(jìn)行土方工程的施工，要對(duì)土料的含水量進(jìn)行科學(xué)控制；選擇非凍脹材料填充地基時(shí)，其粒徑要低于0.06毫米，其質(zhì)量不得高于總質(zhì)量的6%，并對(duì)回填填料的密度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

2.3運(yùn)行管理環(huán)節(jié)防控凍害的措施

中小型水工建筑物運(yùn)行時(shí)，要重視對(duì)其進(jìn)行管理，定期作系統(tǒng)檢查，分析并掌握交融規(guī)律，對(duì)可能產(chǎn)生的凍害進(jìn)行預(yù)測(cè)，運(yùn)用防控、補(bǔ)救措施來消除、降低出現(xiàn)隱患的可能性，提高工程壽命和安全性。

3結(jié)束語

中小型水工建筑物出現(xiàn)地基土凍脹的因素包括水分、土質(zhì)和負(fù)溫。當(dāng)水工建筑物出現(xiàn)凍害而產(chǎn)生的膨脹會(huì)破壞建筑物，影響其使用壽命與使用質(zhì)量。所以細(xì)致分析出現(xiàn)凍害的原因，并具有針對(duì)性的制定防治凍害的策略是特別重要的。本文分析中小型水工建筑物出現(xiàn)凍害的原因包括凍脹力、凍融、蠕動(dòng)變形、冰壓力等，需要在勘察環(huán)節(jié)、設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、施工環(huán)節(jié)以及運(yùn)行管理環(huán)節(jié)來解決問題，使其更好的防治凍害，以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)水工建筑物質(zhì)量和壽命的目標(biāo)。

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