水工擋土墻防凍害設(shè)計(jì)方法分析

龔偉福 寧夏寧西供水有限公司

在寒冷的氣候中，墻壁固定物后面的部分或全部填充物在冬天會(huì)凍結(jié)，而凍結(jié)的土壤會(huì)在墻壁上產(chǎn)生一種霜凍力，通常稱為水平凍脹力。因?yàn)楣潭ǖ孛鎱^(qū)域的擋土墻設(shè)計(jì)主要基于非固定地面理論，因此計(jì)算出的地面壓力與凍結(jié)期間的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)不符。凍結(jié)損壞會(huì)損壞在地面凍結(jié)區(qū)域中維護(hù)的墻壁。凍結(jié)破壞可分為一般穩(wěn)定性破壞和局部強(qiáng)度破壞。

一、擋土墻產(chǎn)生凍害的原因

（一）溫度的原因

北部的冬季溫度通常較低，通常低于冰點(diǎn)。某些地區(qū)的最低溫度范圍為零下30℃至零下45℃。在冬季，土壤很容易結(jié)冰，第二年春季所有土壤都融化。這種類型的土壤層每年會(huì)在冷凍和解凍之間交替進(jìn)行，稱為定期冷凍土壤。以東北地區(qū)為例。其年度凍結(jié)天數(shù)約為120至150天，凍結(jié)土地深度約為1.10m至1.85m。這是陸地上常見的季節(jié)性冰凍地區(qū)。溫度因素及其影響在這一領(lǐng)域尤為重要。

（二）水分的原因

在冬季，寒冷導(dǎo)致溫度下降，擋土墻后的地下水位升高，或者地下水幾乎不蒸發(fā)，并且地下水在下方形成冰晶，從而擴(kuò)大了土壤的體積并凍結(jié)了土壤。引起冬季負(fù)溫度條件。

（三）土地質(zhì)量的原因

影響霜凍隆起的主要因素是土壤質(zhì)量，由霜凍隆起引起的破壞程度與顆粒成分中淤泥和粘土的含量具有恒定的相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了中等粗砂、卵石和礫石等基本上不產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。在建造水工建筑物之前的過程中，當(dāng)?shù)氐耐寥罈l件導(dǎo)致土墻維護(hù)后的大部分回填土壤為易凍脹性土，很少換填非凍脹性土，導(dǎo)致墻壁維護(hù)中發(fā)生凍脹損壞。

二、擋土墻在水平凍脹力作用下的裂縫類型

（一）水平裂紋

在水平霜凍力的作用下，如果墻面維護(hù)的原始設(shè)計(jì)部分不滿足強(qiáng)度要求，則剪切力會(huì)沿墻長引起水平裂縫。

（二）長壁的垂直裂縫

在寒冷的氣候中，較長的支撐墻和有限的末端經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致墻中央出現(xiàn)垂直裂縫。這是因?yàn)楸诘谋３制髟诳v向的中心具有較大的自由度，并且由于水平凍結(jié)力的作用而增加了向前的傾斜度和在水平方向上的位移，因此縱向的中心的彎曲率也較大，并且彎曲在最大彎矩處形成垂直裂紋。

（三）斜裂紋

將擋土墻基礎(chǔ)放置在固定層上通常會(huì)由于冰層的上升和基礎(chǔ)的融化而導(dǎo)致垂直方向的固位，從而導(dǎo)致斜裂縫。

（四）拐角處裂縫

支撐壁在拐角處沿三個(gè)方向凍結(jié)。也就是說，冷空氣從填充表面和兩壁滲入壁后的土壤，深深地凍結(jié)了角落處的地面。這比其他部分要大，所以有兩個(gè)主要方向。角壁的水平霜凍力被水平凍結(jié)力抑制，使得水平凍結(jié)力增加。此外，由于應(yīng)力趨向于集中在拐角處，因此在拐角的壁上容易出現(xiàn)裂紋。

三、擋土墻防凍害設(shè)計(jì)的原則

（1）在通常情況下，沒有必要僅使用結(jié)構(gòu)性措施來防止經(jīng)濟(jì)上不合理的霜凍損害。目前，國內(nèi)外關(guān)于水平霜凍力的研究資料不足，難以準(zhǔn)確計(jì)算凍脹力。

（2）擋土墻維護(hù)的設(shè)計(jì)方法要在技術(shù)上可靠，便于施工，并通過比較不同的設(shè)計(jì)方法來確定。

（3）擋土墻的防凍設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合工程等級(jí)、工程結(jié)構(gòu)、高度和擋土墻的局部回填價(jià)格，綜合采用兩種以上的防凍設(shè)計(jì)方法。

四、擋土墻防凍害的途徑

有兩種主要方法可以防止壁損壞凍結(jié)。

（1）弱化和消除霜凍破壞的原因，以達(dá)到防止霜凍破壞的目的。

（2）增加壁截面，以在水平冰凍力下達(dá)到安全和強(qiáng)度要求。

（一）消除因凍結(jié)造成的霜凍損害

（1）墻后回填非凍脹性土

在墻壁后的土壤中回填粗砂、礫石、卵石和巖石。如果細(xì)顆粒的含量小于14%，則可以認(rèn)為是非凍脹土。在墻后的不同類型土壤上回填可以減少或消除水平凍結(jié)力的擴(kuò)展。

（2）保溫法

保溫法可以削弱或去除支撐壁。通常，泡沫保溫板通常水平放置在墻的背面，因?yàn)閴敳康墓涛晃镌趦蓚€(gè)方向上都被凍結(jié)。對(duì)于重力式擋土墻，其后壁的總傾斜比為0.4到0.7。由頂部填充物凍結(jié)引起的水平凍結(jié)力接近于小壁后面的垂直懸臂式擋土墻，因此后壁可能被單向保溫材料覆蓋[1]。

（3）隔水排水法

這種方法可減少后墻填充物的含水量和墻后的地下水位。這是防止霜凍損壞擋土墻的最有效方法之一。在水力建筑中，墻面維護(hù)后的排水裝置必須滿足側(cè)面后方的要求。假定它們滿足并排防護(hù)的要求，則應(yīng)盡可能設(shè)置墻后排水。隔水排水法是在維護(hù)墻壁時(shí)防止霜凍損壞的經(jīng)濟(jì)有效方法。該方法可以與回填結(jié)合使用。該措施防止了密封土壤的水含量上升，并防止了外部水的補(bǔ)充，從而防止了凍脹作用的產(chǎn)生。

（二）將水平凍脹力作為一種荷載

在設(shè)計(jì)擋土墻時(shí)，水平霜凍力被視為外部載荷，并且在計(jì)算過程中會(huì)與其他載荷結(jié)合，因此擋土墻設(shè)計(jì)部分如下所示：不同的載荷組合可以滿足穩(wěn)定性和強(qiáng)度要求[2]。

（1）選擇水平凍脹力的標(biāo)準(zhǔn)值

由于復(fù)雜的影響因素和廣泛的變化，需要在不同的邊界條件下進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)。

（2）水平凍脹力分布的標(biāo)準(zhǔn)形式

凍脹的水平力不應(yīng)采用單一的分布形式。它受后壁填充物的含水量、壁厚以及冷凍土壤的深度和壁高的影響。根據(jù)測試得知，需要至少指定兩種常見的典型分布形式。

（3）霜凍深度與壁高之比對(duì)水平霜凍力的大小和分布的影響

由于霜凍深度與壁高的比是影響水平霜凍力的大小和分布的主要因素，因此各種霜凍深度和壁高比例應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究。

（三）綜合法

以消除凍因法為主，而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的方法是補(bǔ)充方法。用除霜因子法很難完全消除水平除霜力，而使用簡單的結(jié)構(gòu)步驟通常會(huì)導(dǎo)致過多的水平力凍結(jié)，造成大量浪費(fèi)。當(dāng)前，我們建議使用非凍脹土回填或者聚乙烯泡沫保溫法，以在一定程度上減小凍脹力，進(jìn)而設(shè)計(jì)擋土墻的結(jié)構(gòu)[3]。

五、結(jié)束語

當(dāng)前，還沒有完整的理論來解決計(jì)算冬季擋土墻后面的水平霜凍力的問題。因?yàn)楣潭ǖ孛鎱^(qū)域的擋土墻設(shè)計(jì)主要基于非凍土理論，所以計(jì)算出的地面壓力與凍結(jié)過程中的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)不符。這是凍土地區(qū)擋土墻凍損的主要原因。