土凍脹對擋土墻的凍害與防治

閆 玲，岳希艷

(1.牡丹江市水利勘測設(shè)計研究院，黑龍江牡丹江157000;2.寧安市水務(wù)局，黑龍江寧安157400)

1 土凍脹的基本概念

土中含水才會產(chǎn)生凍脹，不含水的土不會凍脹。土凍脹的原因是水凍成冰使體積膨脹，其膨脹率約為9%，同時土在凍結(jié)過程中，非凍結(jié)區(qū)的水分會向凍結(jié)區(qū)遷移，使凍結(jié)土層的含水量顯著增加，這就造成某些土層在凍結(jié)后常產(chǎn)生很大的凍膨脹量。

2 凍土對擋土墻的破壞

季節(jié)性凍土對擋土墻的破壞一般有兩種型式。第一種為地基凍脹和融沉作用的破壞。地基土凍脹時，由于擋土墻側(cè)面的接觸壓力不均勻，凍土的凍脹變形也不同，造成擋土墻的整體上抬(拔)傾斜和位移等穩(wěn)定性破壞:凍土在融化時又使工程的結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫變形和傾斜。這種破壞的主要原因是土經(jīng)過凍融之后發(fā)生了很大的不均勻變形，如一般黏性土凍融后，含水量可增加12% ～22%，孔隙比增大10% ～16%，壓縮系數(shù)增大21% ～22%，土得強度顯著降低，承載力有時降低50%。第二種是凍脹對擋土墻結(jié)構(gòu)的破壞。擋土墻受地基土凍脹負載作用，可引起擋土墻各部位結(jié)構(gòu)的破壞，如伸縮縫的擴寬或混凝土被擠碎、止水拉斷等現(xiàn)象。

擋土墻受到破壞的部位與形式如下:

2.1 擋土墻基礎(chǔ)的凍害

原因主要是基礎(chǔ)凍土融化后，土的含水量增大，導(dǎo)致承載能力顯著降低，使擋土墻前趾處的地基壓力超過地基承載力，擋土墻產(chǎn)生前傾，而前傾后其重心也前移，更加大了前趾的地基壓力。經(jīng)過數(shù)年冬凍春融的循環(huán)，最后使擋土墻傾斜甚至傾倒，但土墻的地基因凍土融化而降低了其抗剪強度，如墻身的抗滑穩(wěn)定性降低，使擋土墻產(chǎn)生位移。

2.2 水平凍脹力對擋土墻的破壞

當(dāng)擋土墻后填土的含水量較大，地下水位較高時冬凍使墻后土體膨脹，產(chǎn)生較大的水平凍脹力，使墻身前傾，甚至傾倒。

墻后凍土水平凍脹力與墻前靜水壓力的聯(lián)合作用，使墻身受水平剪力而產(chǎn)生裂縫。

3 擋土墻凍害的防治

3.1 深埋基礎(chǔ)擋土墻

將基礎(chǔ)底面深埋于凍層以下25 cm，以消除基底法向凍脹力的作用，這是一種常用的簡單且防凍效果較好的措施，特別適合我省凍深在1.8 m以內(nèi)的地區(qū)。深埋基礎(chǔ)雖然消除了基底法向凍脹力，但墻背的法向凍脹力依然存在，所以一般采用重力或半重力式擋土墻。

3.2 換基擋土墻

對于深埋基礎(chǔ)工程量大，可采用非凍脹性土換除凍脹性土等換基措施。如:①采用隔水封閉法，即將含水量低于朔限的土夯實后，采用朔料薄膜包裹封閉，體內(nèi)充填純砂，隔斷外來水分補給，置換原來土體;②在墻基礎(chǔ)底板處可以采用鋪1層或2層泡沫朔料或聚苯乙稀泡沫保溫板。換基可以提高基底與地基的承載力和摩擦系數(shù)，增加抗滑穩(wěn)定性;同時也可以通過換基切斷地下水，防凍害。由于凍融的影響主要位于擋土墻的前趾，在換基時前趾應(yīng)大于凍深，后趾可略高于凍深。

3.3 自錨樁基礎(chǔ)擋土墻

在凍層深度較大地區(qū)，當(dāng)?shù)鼗鶠轲ば酝習(xí)r，采用自錨樁基礎(chǔ)比較適宜，但爆孔要求嚴格，一般用于地下水位低，黏土層較厚的地基。對于地下水位高且黏土層較薄或卵石層以及淤泥地基，能否采用爆擴需要樁需要現(xiàn)場實驗決定。

3.4 減小墻后水平凍脹力的措施

擋土墻后的回填土如屬于黏性土，擋土墻易受水平凍脹力的作用而破壞。在保證側(cè)向滲徑長度的前提下，回填非黏性土或采用鋪一層泡沫朔料或聚苯乙稀泡沫保溫板，可以消除或減小水平凍脹力。在擋土墻內(nèi)設(shè)排水孔排除墻后填土的水分也是一種有效的防凍害措施。

4 擋土墻凍害設(shè)計實列

2008年牡丹江市水利勘測設(shè)計院在寧安市北石崗子土地復(fù)墾項目設(shè)計中對通過蓮花河上的渠道擋土墻基礎(chǔ)采用了聚苯乙稀泡沫保溫板抗凍技術(shù)。該項目引水干渠為矩型漿砌石擋墻，渠道全長3.5 km在玄武巖臺地上客土30 cm，擴大響水米種植面積200 hm2。在渠道樁號0+500－0+562處，渠道基礎(chǔ)為淤泥加亂插石，深度為7.5m。為解決擋土墻凍脹和工程造價的矛盾，我院提出了多個工程技術(shù)方案，如打鋼筋混凝土樁方案、大開挖方案、渠道改線方案、換填方案等，經(jīng)工程造價、施工難易、技術(shù)可行等多方案比選，最后采用了在擋土墻基礎(chǔ)下面鋪設(shè)二層厚度為8 cm聚苯乙稀泡沫保溫板抗凍技術(shù)方案。經(jīng)過2008年和2009年兩個冬季運行看，既沒有產(chǎn)生凍脹破壞，又節(jié)約了工程造價。

5 結(jié)語

根據(jù)以上分析，勘測設(shè)計人員在建筑物工程抗凍設(shè)計上，應(yīng)結(jié)合工程所在地的實際情況，綜合分析當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、地質(zhì)狀況、擋墻的結(jié)構(gòu)型式、施工條件、采用的新材料、新技術(shù)、新方法的可行性等，才能設(shè)計出既安全經(jīng)濟有可行的擋土墻。

［1］水利部東北勘測設(shè)計研究院.水工建筑物抗凍設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2006.

［2］江蘇省水利勘測設(shè)計研究院.SL379－2007水工擋土墻設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2007.

［3］牡丹江市水利勘測設(shè)計研究院.寧安市北石崗子土地復(fù)墾項目規(guī)劃設(shè)計［R］.牡丹江:牡丹江市水利勘測設(shè)計研究院，2008.