嚴寒地區(qū)接地部位凍脹溫度應力質量通病與防治

劉永健 ，宋建勛，梁津華

（1.沈陽建筑大學 土木工程學院，遼寧 沈陽 110168；2. 沈陽建筑大學 建筑學院，遼寧 沈陽110168）

在我國嚴寒地區(qū)，由于四季氣溫變化范圍較大，季節(jié)溫差對處于本地區(qū)的建筑或構筑物結構產生的不利影響較為普遍，其中凍脹溫度應力危害較大。凍脹溫度應力危害主要表現(xiàn)在對建筑或構筑物結構外觀、使用功能、結構安全均造成很大的破壞，解決好凍脹溫度應力對建筑或構筑物結構的不利影響，已成為本地區(qū)必須重視的問題。本文針對嚴寒地區(qū)幾種典型的由于凍脹溫度應力產生的結構通病情況，從設計、施工等方面分析破壞產生的原因，并提出防治措施。

1 凍脹溫度應力的產生與危害

膨脹土是一種特殊的由粘粒的親水性礦物成分組成的一種高塑性粘土，具有凍土的物理特性。由于夏季雨水較多，水分貯存在土顆粒里面，在大氣壓的影響下，水分向上遷移并在冬季凍結成鋒面，聚集成冰夾層。隨著冰晶體的逐漸擴大，土體凍脹層體積膨脹而產生凍脹變形，土體的凍脹變形會對與之連接的建筑或構筑結構施加一個與凍脹變形同方向的凍脹力，產生凍漲溫度應力。

在嚴寒地區(qū)，膨脹土的凍結更加嚴重，凍脹溫度應力對與凍結膨脹土連接的建筑或構筑物結構的不利影響也更加顯著，將使位于土體凍脹層內的結構產生內力、局部変形或整體位移，造成結構或構件產生剪切變形或彎曲變形，當凍脹溫度應力大于結構或構件的抗彎、抗剪承載能力時，就會造成結構或構件破壞。同時，凍脹效應也會導致凍結膨脹土上部的建筑或構筑物結構在應力集中或結構薄弱處產生開裂，進而引發(fā)上部結構的破壞。

2 凍脹溫度應力結構通病及成因分析

由凍脹溫度應力引起的建筑或構筑物結構破壞涉及的范圍較大，本文主要針對接地部位進行研究分析。實踐表明，建筑或構筑物接地部位的凍脹溫度應力破壞，既有設計方面原因，也有施工方面的原因，或者二者兼而有之。本文歸納了以下六類常見凍脹溫度應力引起的接地部位結構通病情況，并加以分析。

2.1 擋土墻破壞

造成擋土墻產生裂縫或破壞的原因有很多方面，其中由于溫度引起的凍脹裂縫是一個重要原因。受基土凍脹溫度應力影響，擋土墻產生破壞的情形與原因主要有以下幾方面：

圖1 擋土墻出現(xiàn)裂縫

圖2 擋土墻出現(xiàn)裂

①當擋土墻基礎埋深不足時，沿擋土墻的長度方向可能會產生地基不均勻凍脹，造成墻體產生斜向剪切裂縫，如圖1、圖2所示；②在擋土墻的水平拐角處，會形成水平方向凍脹力的應力集中，造成擋土墻在拐角處開裂進而破壞； ③冬季基土受凍脹影響，擋土墻主要受到土體凍脹產生的凍脹力的彎剪作用，水平凍脹力會對擋土墻基底產生彎矩，嚴重時使墻體外傾，如圖3所示；豎向凍脹力會對擋墻內側造成剪切作用，嚴重時發(fā)生剪切破壞。

2.2 路邊石外傾

路邊石是生活中常見的構筑物，其受凍脹溫度應力影響破壞的情況非常普遍。冬季基土受低溫的影響，體積膨脹隆起，土體的膨脹是向四周展開的，其產生的溫度應力也是向四周擴散的。路邊石主要受到水平方向溫度應力的剪切作用，造成其產生水平方向位移或傾斜，而氣溫回升，凍脹現(xiàn)象消失后，由于土體與路邊石間進入異物，路邊石產生的傾斜情況無法恢復，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，路邊石的傾斜會越來越大，造成外觀與使用功能的破壞，如圖4所示。

圖4 路邊石外傾

圖3 擋土墻外傾

圖5 柱子根部破壞

圖6 墻體底部飾面破壞

2.3柱或墻體根部破壞

對柱或墻體來說，當凍脹發(fā)生時，其周邊土體會整體向上隆起，凍脹結束后會整體回落，如果柱或墻體與周邊土體相連部位沒有采取結構隔離構造措施，就會產生相互作用，嚴重時造成結構破壞。在周邊基土凍脹層內由凍脹土產生的溫度應力影響，可劃分為水平與豎向兩類。對于無圍護結構的柱或墻體，由于其周圍土體對稱，水平方向溫度應力可相互抵消；對于有圍護結構的柱或墻體，當其基礎埋深在凍土層以下時，一般也可抵抗水平方向溫度應力影響。實踐表明，此類結構破壞更多表現(xiàn)為豎向應力對相連部位的剪切影響。一方面，當剪切應力超過柱或墻體的材料強度時，會使柱或墻體表面產生開裂、剝離、柱腳破碎等情況，當其表面粘貼或干掛裝飾面層時，也會造成飾面層開裂或脫落，如圖5、圖6所示。另一方面，如相連部位土體上部有硬覆蓋物，由于剪切應力的影響，更易造成硬覆蓋物的結構破壞，如圖7所示。

圖7 柱根部地面破壞

圖8 臺階破壞

2.4 室外臺階或承臺類結構破壞

一般室外臺階或承臺類構筑物主要由混凝土或磚、石砌筑，其基礎埋深一般均在凍土層以下，其結構不會在冬季產生較大豎向變形。而與此類結構相連的部位為土體或普通硬覆蓋時，在冬季相連部位基土就會凍脹向上隆起。如不采取有效隔離措施，土體隆起會對臺階或承臺類構筑物根部直接造成剪切影響，造成構筑物表面開裂或裝飾層脫落、開裂，影響了美觀與使用功能，如圖8所示。

2.5 散水破壞

散水受凍脹應力破壞與散水下部土體狀況、散水及與其接觸結構間的構造措施等有較大關系，散水受溫度應力破壞大致有以下幾種情形：

①回填土回填施工質量不合格，回填時基底未清理干凈或者沒有分層夯實或者夯實次數(shù)較少，使土體不均勻；回填土土質不符合要求。

②散水與主體結構間未設置沉降縫，散水下部土體凍脹發(fā)生時，其與主體結構間變形不同，相互作用造成散水或主體結構表面破壞。

③伸縮縫沒有填充或者填充材料選擇不當。會造成雨水的下滲，使散水下部土體含水率過高，造成冬季凍脹溫度應力過大，散水被土體向上拱起，當變形不均勻時，就會產生散水開裂、錯層等現(xiàn)象，如圖 9所示。

圖9 散水破壞

圖10 橋梁接頭破壞

2.6 橋梁與路面接頭部位破壞

冬季路面下部的膨脹土受凍膨脹，路面會向上拱起，由于橋梁基礎埋在凍層以下，故不會因氣溫變化產生明顯沉降情況，此時橋梁與路面的接觸部位就會出現(xiàn)高差，如果此處未設置結構沉降變形縫，將會造成破壞，此類破壞在嚴寒地區(qū)比較普遍，如圖10所示。

3 凍脹溫度應力結構通病的防治

上述集中接地部位的凍脹溫度應力破壞形式，在嚴寒地區(qū)是非常普遍的，對建筑或構筑物的外觀及使用功能影響較大。對這些破壞的防治，應堅持以防為主，要從設計與施工兩個方面進行預防，從根本上消除問題產生的根源

3.1 路邊石外傾的防治

針對路邊石的破壞，根據(jù)實踐經驗，可采用在路邊石內側與基土接觸部位填充深與路邊石高度相同、寬100mm的粗砂帶的方法予以解決。此方法主要基于粗砂屬可壓縮變形的材料，能通過自身變形化解膨脹土產生的變形，化解其膨脹變形對路邊石造成的水平推力。

3.2 擋土墻破壞的防治

在設計與施工時，應考慮如何減少水平及豎向凍脹應力的不利影響。當擋土墻抵抗水平方向變形能力較弱時，可采取在擋土墻土體一側的一定范圍內（應根據(jù)土體體積、土體含水率等情況綜合考慮確定），選擇透水性較好的材料（如粗砂、爐渣）進行回填，化解土體水平方向凍脹變形對結構的影響；當擋土墻抵抗水平方向變形能力較強時，可在靠擋土墻內側、在凍土層深度內，采用敷設擠塑板方式，減少豎向土體凍脹應力對結構的不利影響。

3.3 柱或墻體根部破壞的防治

對于柱或墻體根部的飾面層，施工時裝飾層底邊應距地面抬高20～30mm，并用耐候膠填縫，防止土體隆起撞擊飾面層，對飾面層造成剪切破壞。

為減少柱或墻體表面及與之接觸的土體或硬覆蓋之間因凍脹應力引起的相互作用，可在地平面以下延伸到凍土層深度，在柱周邊或墻體外表面采用粘貼擠塑板（或木板條）的方式，實現(xiàn)結構的分離，此方式將大大減輕相互作用，有效防止破壞發(fā)生。

3.4 臺階或承臺類結構破壞的防治

從設計方面，依照規(guī)范規(guī)定對未配筋的混凝土構件，應設變形縫，間距不宜超過10m，最好4～6m,為避免凍脹應力產生，應盡可能使基礎埋深超過凍土層深度。

臺階或承臺類結構，其周邊與土體接觸部位，宜在凍土層深度范圍內設置擠塑板（或木板條）進行結構分割；如該類結構內部需進行回填，應采用粗砂或者爐渣灰，防止用凍脹土或者含泥量較高的砂子進行回填。

對粘貼石材或瓷磚進行飾面的臺階或承臺類結構，飾面層底邊應自周邊土層上表面向上抬高20～30mm，并用耐候膠填縫，防止土體隆起撞擊飾面層造成破壞。

3.5 關于散水破壞的防治

施工時散水下部回填土應分層夯實，要根據(jù)土質情況確定每層具體鋪設厚度，夯實后土體密實度不能小于0.9；回填土上表面的雜物要清理干凈，要對散水基層上表面進行平整化處理；在施工過程中要安排好施工順序，應先做墻體勒腳、后做散水，散水和建筑物墻體之間要設置沉降縫，沉降縫應采用柔性防水材料填充。

在沿散水長度方向和拐角處，應設置伸縮縫，伸縮縫間距不能超過10m，縫寬20mm，伸縮縫可采用木條或擠塑板預留，上表面采用瀝青、耐候膠等柔性防水材料封堵。

3.6 關于橋梁與路面接頭部位破壞

設計時，在接頭部位應設置結構沉降變形縫，既要考慮水平方向溫度應力產生的變形影響，也應考慮由于凍脹引起的豎向方向的沉降變形影響，其變形縫處一般可采用橡膠類材料填充，路面層結構不得粘連；也可設置專用防溫度應力變形的裝置，要通過構造措施消除凍脹溫度應力造成的破壞。

4 結語

嚴寒地區(qū)由于凍脹引起的溫度應力對建筑或構筑物接地部位的影響范圍是非常廣泛的，其危害是不容忽視的。只有做到設計方面注重細節(jié)、構造措施合理，施工方面措施得當、流程合理，施工質量可靠，才會從根本上避免凍脹溫度應力造成的不利影響，實現(xiàn)建筑或構筑物外觀以及結構安全，滿足使用安全性及耐久性要求。