寒期湖岸曲墻凍脹規(guī)律解析

孫洪偉，張　華，沙　勇

(長春工程學院土木工程學院，長春130012)

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寒期湖岸曲墻凍脹規(guī)律解析

孫洪偉，張華，沙勇

(長春工程學院土木工程學院，長春130012)

摘要：湖岸曲線形擋土墻為“曲墻”。據(jù)原位觀測采集的長春雕塑公園中心湖岸曲墻的水平凍脹位移數(shù)據(jù)，繪制了位移曲線，分析了不同凸曲形狀曲墻水平凍脹位移規(guī)律和“凍害”程度。

關(guān)鍵詞：曲墻；凍脹水平位移；凍縮水平位移；“凍害”程度

0前言

基于兩個寒期原位觀測采集的長春雕塑公園中心湖岸曲墻的水平凍脹位移數(shù)據(jù)，建立凍脹位移與時間和寒期溫度二者間的關(guān)系，繪出曲墻的水平凍脹位移曲線。分析位移狀態(tài)，揭示曲墻凸曲方向不同所發(fā)生的不同凍脹位移規(guī)律。發(fā)現(xiàn)向湖內(nèi)凸曲的曲墻發(fā)生“正位移”，即出現(xiàn)凍脹水平位移，且位移增大快，曲墻“凍害”較重；

向湖外凸曲的曲墻產(chǎn)生“負

位移”，即出現(xiàn)“凍縮”水平位移，曲墻“凍害”輕微[1]。

1湖岸曲墻的凍脹(縮)水平位移數(shù)據(jù)

長春雕塑公園中心湖環(huán)湖曲墻總長2 km。曲墻依湖岸自然地勢修建。其凍脹位移的觀測選用鋼尺精密量距法[1]，據(jù)測量時氣溫，已對尺量數(shù)據(jù)溫度修正，保證推算的凍脹水平位移數(shù)據(jù)真實、可靠。原位測量采集并修正后的凍脹水平位移數(shù)據(jù)見表1～2。

表1　雕塑公園湖岸曲墻實測凍脹、凍縮水平位移值　mm

表2　雕塑公園湖岸曲墻實測凍脹、凍縮水平位移值　mm

注： 1)“Li”代表在曲墻上設置的凍脹水平位移觀測點的編號；每一編號右側(cè)的水平欄內(nèi)是曲墻上某觀測點在寒期的不同觀測日測得的水平凍脹位移。 2)表中為實測曲墻水平凍脹位移數(shù)據(jù)。其中正值位移是曲墻產(chǎn)生向湖內(nèi)方向的凍脹水平位移，負值位移是和凍脹水平位移方向相反，是向岸邊方向的凍縮水平位移。3)5月16日位移測量數(shù)據(jù)與5月5日測量數(shù)據(jù)相同，故未例。

2湖岸曲墻凍脹水平位移規(guī)律研究

2.1湖岸曲墻“凍脹”水平位移特征曲線

據(jù)表1～2數(shù)據(jù)繪制的長春雕塑公園中心湖岸曲墻2寒期的“凍脹”水平位移特征曲線、同期的氣溫變化曲線如圖1～2所示。

(a)曲墻水平凍脹位移曲線

(b)同期氣溫曲線

(a)曲墻水平凍脹位移曲線

(b)同期氣溫曲線

注：同期氣溫變化曲線是根據(jù)長春氣象臺天氣預報的日最高氣溫和最低氣溫繪制的，單位為°C。

2.2湖岸曲墻凍脹水平位移規(guī)律分析

觀察曲墻的凍脹位移曲線：顯現(xiàn)凍脹土推動湖岸曲墻產(chǎn)生了“正位移”和“負位移”。如圖1～2所示。研究發(fā)現(xiàn)：圖中的“正位移”是內(nèi)凸曲墻(如圖3所示的向湖內(nèi)凸曲的曲墻[1])產(chǎn)生的向湖內(nèi)的凍脹水平位移；“負位移”是外凸曲墻(如圖4所示的向湖外凸曲的曲墻)發(fā)生的凍縮水平位移，即外凸曲墻產(chǎn)生了向湖岸方向的位移,和凍脹水平位移方向相反。凍脹位移曲線反映出在寒期不同溫度時段，內(nèi)、外凸曲墻的位移大小和狀態(tài)是不同的。

圖3　內(nèi)凸曲墻　　　　　　　　　　　　　　　　 圖4　外凸曲墻

注：σ1：墻背凍土層產(chǎn)生的水平凍脹應力；σ2：冰凍結(jié)對曲墻產(chǎn)生的水平凍脹應力。

2.2.1內(nèi)凸曲墻凍脹位移規(guī)律分析

第2寒期圖2(a)中的上曲線組為內(nèi)凸曲墻凍脹水平位移曲線組，總體呈“駝峰型”變化，顯現(xiàn)隨氣溫升降多時段的變化規(guī)律。對應寒期的持續(xù)負溫、正負溫波動、正溫波動各時段，內(nèi)凸曲墻的凍脹水平位移相應經(jīng)歷了增大—減小—基本恒定的3時段變化。

1)持續(xù)負溫時段——氣溫在負溫下的持續(xù)波動階段，為長春地區(qū)每年的11月至次年的2月中下旬或更晚一些。此時段中內(nèi)凸曲墻的凍脹水平位移增大快，位移曲線陡峭上升，平均位移速度在0.38～0.55 mm/d之間，位移的平均值在35～55 mm之間，最大凍脹水平位移發(fā)生在該時段的末期，即次年的2月下旬左右，最大凍脹水平位移可達69～71 mm。

該時段內(nèi)，內(nèi)凸曲墻背土凍深不斷加厚，不斷加大的水平凍脹應力持續(xù)推動曲墻，使墻體水平位移繼續(xù)加大。持續(xù)負溫的末期，氣溫不再下降，凍土層增厚緩慢并接近終止，凍脹水平位移接近最大值后不再增大。最大凍脹水平位移發(fā)生在持續(xù)負溫時段向正負溫波動時段的過渡期，即每年的2月下旬左右，如圖1和圖2中的(a)圖所示。

另一因素是在持續(xù)負溫的末期，負溫下的氣溫波動頻繁，引起凍土層熱脹冷縮，頻繁熱脹發(fā)生的凍脹力推動墻體也額外增大了凍脹水平位移。

研究發(fā)現(xiàn)，此時段內(nèi)凸曲墻的凍脹水平位移及引起“凍害”[2]破壞程度遠超過其他墻型，與外凸曲墻相比，產(chǎn)生的凍脹水平位移是后者凍縮位移的2.4倍，比后者大130%，凍脹水平位移引起的傾斜、裂縫甚至局部坍塌等“凍害”破壞相對嚴重。原因是內(nèi)凸曲墻背土凍結(jié)產(chǎn)生的水平凍脹應力σ1作用于曲墻的內(nèi)拱一側(cè)，處于最不利的“拱內(nèi)受壓”[3]狀態(tài)，承載力低，在凍土大凍脹應力的推動下[4]，必然會產(chǎn)生向湖內(nèi)一側(cè)較大的水平位移，并發(fā)展較快。位移曲線陡峭上升也證實了這一點。另外，墻前湖冰層產(chǎn)生的凍脹應力σ2的反方向作用，將加劇內(nèi)凸曲墻的傾斜和扭轉(zhuǎn)，嚴重時出現(xiàn)裂縫及坍塌等“凍害”破壞。

2)正負溫波動時段——是從持續(xù)負溫時段末期至正溫時段初的氣溫區(qū)間，即長春地區(qū)的2月下旬至3月下旬之間。該時段內(nèi)氣溫在正負溫間波動，且中后期白天出現(xiàn)正溫的頻率增多。如圖1～2顯示，正負溫波動時段，內(nèi)凸曲墻的凍脹水平位移曲線逐漸下降，凍脹水平位移逐漸減小。

此時段位移減小的因素有兩方面[1-2]：其一，氣溫的正負溫波動使內(nèi)凸曲墻背的凍土層產(chǎn)生頻繁的熱脹冷縮而開裂，另外，空氣干燥也促使凍土層產(chǎn)生干縮裂縫，裂縫的產(chǎn)生在一定程度上消減了作用在內(nèi)凸曲墻上的凍脹應力，使得墻體回彈，凍脹水平位移減??；其二，正負溫波動時段的中后期，頻繁的正溫出現(xiàn)，內(nèi)凸曲墻后凍土層由淺入深逐漸融化，凍土對墻體的凍脹力逐漸減弱，墻體在自身的整體彈性作用下逐漸產(chǎn)生彈性恢復，這也會使凍脹水平位移逐漸減小。內(nèi)凸曲墻的凍脹水平位移減小是以上兩種因素同時作用的結(jié)果，減小的速度在0.33～0.66 mm/d之間。

3)正溫波動時段——該時段氣溫在正溫內(nèi)波動，即長春地區(qū)每年的3月下旬至5月中下旬，時段內(nèi)氣溫在正溫內(nèi)持續(xù)波動上升。對應此時段的位移曲線呈接近直線平緩下降，下降幅度很小，說明該時段內(nèi)凸曲墻背凍土層在正溫下融化接近完成，土的凍脹應力消失，墻體的彈性回復也接近終止，表現(xiàn)出凍脹水平位移減小的速度減緩。如：此時段的位移減小的速度為0.116～0.315 mm/d，僅為正低溫波動時段的1/3～1/2。剩余的位移為內(nèi)凸曲墻經(jīng)歷一個寒期的水平凍脹位移的殘余量，為最終凍脹水平位移值。內(nèi)凸曲墻過大的凍脹水平位移是引起墻體傾斜、裂縫、坍塌等“凍害”破壞的根源。

2.2.2湖岸外凸曲墻凍縮水平位移規(guī)律分析

第2寒期圖2(a)中的下曲線組為外凸曲墻凍縮位移曲線組，曲線總體呈下凹小幅度“負增長”趨勢，并接近線性發(fā)展，并顯現(xiàn)凍縮位移對氣溫變化不太敏感。原因是外凸曲墻合理的受力特性限制了凍脹位移的發(fā)生。如圖4所示，外凸曲墻在平面上相當于“拱”，且拱外側(cè)承受土層水平凍脹應力σ1的壓力作用，即外凸曲墻類似“正拱受力”[3]狀態(tài)?！罢笆芰Α本哂谐休d力大的特點，自然對凍土水平凍脹應力的抵抗作用大。正拱與凍土水平凍脹應力相持階段，有蠕變特性的凍土會產(chǎn)生應力重分而對正拱的壓力減弱，而寒期溫度波動引起的正拱(外凸曲墻)熱脹推動壓力減弱的凍土產(chǎn)生了向岸邊的位移——即以上提及的外凸曲墻的凍縮位移。隨正拱熱脹對凍土的壓應力的持續(xù)增大，凍土逐漸被壓實，耐壓能力增強，正拱(外凸曲墻)熱脹受阻使得凍縮位移速度逐漸減小直至終止。表現(xiàn)出外凸曲墻產(chǎn)生的向岸邊的凍縮位移發(fā)展到一定程度后終止。綜上，外凸曲墻非但沒有產(chǎn)生向湖內(nèi)的位移，卻產(chǎn)生了向岸邊的位移，由于岸邊土層的支撐，墻體產(chǎn)生傾斜破壞等“凍害”的隱患降低。觀測證實：實際外凸曲墻遠比內(nèi)凸曲墻產(chǎn)生的“凍害”輕微。這是外凸曲墻“正拱受力”特征決定的。

3結(jié)語

湖岸曲墻的凍脹規(guī)律和機理綜述：

1)對應寒期的持續(xù)負溫時段、正負溫波動時段、正溫波動時段內(nèi)凸曲墻的凍脹水平位移呈3時段變化規(guī)律。持續(xù)負溫時段是內(nèi)凸曲墻的凍脹水平位移的“增長期”。持續(xù)負溫使墻背土層不斷凍結(jié)增厚，水平凍脹應力持續(xù)增長，推動內(nèi)凸曲墻使凍脹水平位移快速加大，凍脹水平位移曲線陡峭上升印證了這一點；正負溫波動時段是內(nèi)凸曲墻的凍脹水平位移“回落期”。正負溫波動引起墻背凍土層熱脹冷縮和空氣干燥引起的土層開裂，使得凍脹力得到部分消減，內(nèi)凸曲墻回彈凍脹水平位移減小。表現(xiàn)為此時段的凍脹水平位移曲線下降；正溫波動時段，凍土層接近完全融化，作用于內(nèi)凸曲墻背的凍脹應力消失，凍脹水平位移趨于恒定。

內(nèi)凸曲墻產(chǎn)生的傾斜、裂縫、坍塌等“凍害”嚴重[1-2]，原因是其“拱內(nèi)受力”產(chǎn)生的凍脹水平位移過大所致，應盡量避免建造此種墻型。

2)外凸曲墻的凍縮水平位移與寒期氣溫的相關(guān)性不強，是因其墻體“正拱受力”有較大的抗力而限制了位移的發(fā)展。表現(xiàn)其位移曲線趨于線性平緩下降，凍縮位移不大。此類墻型的“凍害”輕微，是較理想的抗凍墻型。

參考文獻

[1] 孫洪偉，王德軍，曲祖光，等.人工湖岸擋土墻“凍害”與防治措施研究[J].長春工程學院學報：自然科學版,2009(1)：7-13.

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[3] 包士華.結(jié)構(gòu)力學(上冊)[M].武漢：武漢大學出版社,2000：51-58.

[4] 陳尚柏，王雅清.土的凍結(jié)作用與地基[M].北京：科學出版社，2006：442-456.

The Analysis of Frost-Heaving Laws on Lakeshore Curved Wall in Cold Season

SUN Hong-wei,etc.

(SchoolofCivilEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：Lakeshore curved retaining wall is called as “curved wall”.According to the frost-heaving horizontal displacement data collected from the center lakeshore cured wall in Changchun Sculpture Park by situ-observation，the displacement curve has been drew in this article. The frost-heaving horizontal displacement laws and “freezing” degrees to different curved walls with different curved shapes have also been analyzed.

Key words：curvedwall;frost-heaving horizontal displacement; frost-condensation horizontal displacement;“freezing” degree

文獻標志碼：A

文章編號：1009-8984(2016)01-0005-05

中圖分類號：TU445

作者簡介：孫洪偉(1963-)，男(漢)，吉林永吉，高級工程師，副教授

基金項目：吉林省教育廳資助項目(吉教科合字第227號)

收稿日期：2016-01-30

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.002

主要研究土木工程施工技術(shù)及教學。