季節(jié)性凍土的凍脹力及水工建筑物防凍害措施

齊方業(yè)，杜彩霞

（鐵力市水務局，黑龍江鐵力 152500）

黑龍江省在一些季節(jié)性凍土區(qū)修建了不少水工建筑物，它們均程度不同地受到地基土的凍脹作用。盡管設計中對建筑物采取了一些防治措施和有些建筑物還是遭受不同程度的破壞，文章闡述了季節(jié)性凍土的凍脹力以及對水工建筑物的破壞和防治措施，通過改變地基土質，水分遷移等條件和設計合理的基礎形式，用以消除或削弱凍脹力，適應地基土的凍脹性，以達到減少基礎工程造價和免除凍害的目的。

隨著水利建設事業(yè)的發(fā)展，我省在季節(jié)性凍土區(qū)修建了大量的水工建筑物，它們均程度不同地受到地基土的凍脹作用，為防止凍脹破壞，建筑物的基礎埋深要超過凍深，因此基礎厚度要達到1.5～2.0 m，甚至有的達到2.5 m以上，基礎工程的工程量占整個工程量的1/3～1/2，工程越小相對比重越大，有的甚至達到60%以上，這樣大的工程量不僅給施工帶來許多困難，而且使季節(jié)凍土地區(qū)的水工建筑物的投資較大。盡管如此，由于建筑物沒能采取適宜的防治措施和正確的設計方案還是使建筑物遭受不同程度的破壞，因此本文初步討論季節(jié)性凍土的凍脹力以及對水工建筑物的破壞和防治措施，通過改變地基土質，水分遷移等條件和設計合理的基礎形式，用以消除或削弱凍脹力，適應地基土的凍脹性，以達到減少基礎工程造價和免除凍害的目的。

1 凍脹力的形成

影響土的凍脹因素很多，主要是水、土、溫、壓因素。其中水、土是主要因素。土的凍脹是由于土體中含水量超過起始凍脹含水量，在負溫下孔隙水部分凍結，對土骨架將產生擠壓力。如果未凍水沒有向外排泄條件，土開始凍脹。但如果能將其余未凍水擠走，以上體積增量將由孔隙中剩余空間所容納，土體也不會產生凍脹。如果凍脹過程中有外水補給發(fā)生了強烈的水分遷移，生成大量的冰夾層，將產生強烈的凍脹。經觀測：冰夾層的厚度大致等于凍脹量。沿凍深分步的冰夾層基本上代表了凍脹量沿凍深的分步情況。上層土的凍夾層厚而稀，而下層土的冰夾層薄而密。凍土層結構示意見圖1。

圖1 凍土層結構示意圖

土壤粒徑、級配及溫度變化，外水補給，外荷載的大小等都直接影響凍脹的程度。當土粒的粒徑為0.05-0.002 mm，土中水分遷移劇烈，土的凍脹量比較大，這種土的吸引水分能力強。土體中水分的遷移是靠結晶力、吸附力、毛細力、溫度差和表面能差產生薄膜水移動，其中冰結晶力、毛細力和表面能差是水分遷移的主要動力。

土體凍結時，凍結面附著土顆粒的水膜被冰晶體吸薄，為了維持顆粒表面能的平衡，其他土顆粒的水膜向較薄的顆粒表面移動，為達能量的平衡，不斷的移動，不斷的凍結，放出潛熱結晶成冰。

季節(jié)性凍土地區(qū)經過多次凍融循環(huán)，土的孔隙比是比較大的，凍結期土經過不均勻的凍脹，凍結面是一個凹凸不平的曲面，在凍層由于凍脹而上抬的過程中凹面處形成孔縫，造成負壓區(qū)，遷移的水聚集到此而結晶成冰夾層。這種冰夾層體積膨脹9%，產生了內壓力，這種對基礎擠壓和抬起的能力稱之謂凍脹力。

封閉式和開敞式凍脹的區(qū)別：

封閉式凍脹在沒有外水補給的條件下，土體中原駐水引起的凍脹為封閉式凍脹，當土體中原駐水小于起始凍脹含水量（黏土W0=13.0）凍結時不但沒有凍脹，反而產生凍縮。表現(xiàn)地面出現(xiàn)下降，體積縮小。當土體中原駐水大于起始凍脹含水量W0時，在沒有外水補給的條件下，雖然產生凍脹，但凍脹量不大。

開敞式凍脹是除土體中有原駐水外，更主要是有外水補給，源源不斷地遷移來的水聚集在凍結面處，放出潛熱結晶成冰夾層，經觀測冰夾層厚度約1～3 cm。產生凍脹力，嚴重的破壞水工建筑物。

這里應該指出：粗顆粒土（中粗砂、礫石）含粉量（土粒徑d＜0.05 mm）小于12%時，即使處于飽和水狀態(tài)，但由于表面能小，土的顆粒導熱系數(shù)大于水，在凍結過程中先形成冰晶體、孔隙冰，不發(fā)生水份遷移，凍脹量很小。且有切斷地下水轉移的效果，這就是在實踐上采用基礎換砂礫石防凍害的依據(jù)，但必須有排水出路。

地下水位的高低是土凍脹強弱的重要因素，凍前地下水位高，水分向凍結面遷移的距離短，水份遷移的快，凍脹量就大。地下水位低，水分向凍結面遷移的距離長，水分遷移的慢，凍脹量就小，經實踐證明，地下水位在凍結前根據(jù)不同土質低于凍結鋒面的最小距離時，土體有輕微的凍脹或不凍脹見表1。根據(jù)這個依據(jù)，設計水工建筑物基礎前要先對地下水位進行測量，確定基礎埋深。

表1 不同土質低于凍結鋒面的最小距離一覽表

而不考慮此條件一律深基礎是一個很大的浪費。例如1975年設計的東方紅水庫灌區(qū)一、三支渠進水閘，地下水位低于渠底2.0 m，故采用淺基底板厚0.7 m，下部換1.07 m砂礫石，經運行21 a的觀測沒有發(fā)生凍害。

此外土的級配密度對凍脹性的影響也不可忽視。因密度大小直接影響孔隙水含量，影響水分遷移。當土的密度＞1.6 g/cm3時地基土不會產生顯著凍脹。因此，采用提高土體密度的壓實措施，可以防止地基凍脹。

2 基礎凍脹的受力分析

凍結過程中，產生等溫面，等溫面基本上平行于基礎面如圖2。

圖2 基礎凍脹示意圖

2.1 基底法向凍脹力和對建筑物的破壞型式

基底受凍脹時等溫面基本上平行于基底，而產生的法向凍脹力是垂直于等溫面的，即垂直于基底。在不均勻的法向凍脹力的作用下，外荷載強度小于基底法向凍脹力的強度時，建筑物就會整體上抬?；蛘咴诜ㄏ騼雒浟ψ饔孟?，基礎底板中間產生負彎矩M，當超過極限值時基礎開始裂紋。在春季地基融沉時，由于基礎周圍邊界條件的影響，基礎底板靠自重不能與融化的地基土同步下沉、復位，造成下滲流量大，沖刷地基，危害建筑物的安全，這是某些中小型水閘失事的一個重要原因。為了防止上述破壞，在修長富電站時在設計上采用了倒置盒式的基礎，增大了基底的剛度，下部換砂礫石。據(jù)30 a來的觀測沒有發(fā)生抬起和斷裂，防止了凍脹。

涵洞工程的基底法向凍脹力的分布是進出口兩端大而中間小，因進出口段直接與外界進行熱交換，有較大的凍深。如果不注意這種特點將會造成翼墻斷裂、管節(jié)錯位和脫節(jié)等現(xiàn)象，使工程遭到破壞。例如東方紅水庫灌區(qū)公路涵進出口已經抬高20 cm，嚴重影響過水流量。另外由于負溫入侵洞內，使管壁附近產生冰夾層，特別當左右夯實土不好的情況下，冰夾層尤多，融化時形成空洞，放水后淘空土體而使涵洞破壞。這種破壞為凍融破壞。1976年設計的7512工程和八連等地的幾處涵洞的基礎底板都利用了法向凍脹力分布的特點，進出口段采用深基礎而中間是薄底板，據(jù)30多年來的觀測效果較好。

2.2 基側法向凍脹力及對建筑物破壞型式

基側法向凍脹力是垂直于等溫面的，以擋土墻為例，墻后的土體凍脹屬于雙向凍結，垂直于地面的凍脹力只能抬高墻后土體，對墻無害，但垂直墻的法向凍脹力是直接造成擋土墻斷裂、位移等主要因素。特別是翼墻拐角處，應力集中的原故，破壞更為嚴重。

2.3 凍切力及對建筑物的破壞

基礎的凍切力是作用在基礎側表面的，而平行于側表面，最大凍切力值分布在總凍深的60%以上。當?shù)鼗羶鼋Y時，產生一種膠結力，將土與基礎側表面牢固地膠結在一起，形成凍結力，當土體凍脹產生相對位移沿基礎表面產生一個方向向上的力，即凍拔力。使樁柱基礎逐年上拔，造成橋梁的破壞。

3 水工建筑物的凍害防治措施

由于水工建筑物的地下水位一般都比較高，而設計抗凍強度比較低，型式復雜，工程位置不能任意改變。因此防治比較困難。目前防治基礎凍害有兩類措施：①結構措施，即增強建筑物的強度和剛度以抵抗各種凍脹力的破壞作用;②改變地基土的土、水、溫狀態(tài)，改變其凍脹性，以減少或消除各種凍脹力對建筑物的作用。

3.1 結構措施

1）倒置盒形及箱格形基礎板，一般作用于淺基礎板上的法向凍脹力很大，為增加底板抗變形能力，增加剛度，做成倒置盒型基礎，并在其底部換砂礫石，右圖為長富電站基礎板的結構形式，用漿砌石制作的底板中間換砂，經過30多年的運用，經檢查沒有發(fā)生凍脹破壞。如在底部用瀝清或塑料膜隔水，效果會更好。詳見圖3。

圖3 倒置盒形及箱格形基礎板示意圖

2）與爆破樁相結合的板型基礎。此法是用樁或柱的擴大基礎來減小基底法向凍脹力。

3）深基礎法。此法需將基礎每處都置于最大凍深以下，基礎厚度幾乎等于最大凍深，此法不經濟，造價高。

4）柱結構采用擴底樁法或擴大式基礎，甚至可以采用錨固底梁法，但都要在凍深以下。

3.2 變地基土的土、水、溫度狀態(tài)

1）換填砂礫（卵石）料，包括基礎換砂和回填砂礫料，必須有排水設施能夠排走砂礫料中的水。也可改用瀝青砂卵石，并夯實。

2）排水設施：無論凍脹性強的黏土還是凍脹性弱的砂礫料，設置排水后均會顯著降低凍脹力。

3）保溫措施：保溫措施是通過減輕寒冷因素的辦法削減凍脹力。

以上是自己在工作實踐中的一點體會，有不當之處請予以指正。