水工建筑物凍害應對技術分析

任兵

摘 要：塔里木河流域的巴音郭楞地區位于新疆東南部，地形復雜，冬季寒冷，為多年凍土地區。在水利工程實施之前需要分析凍土質地，保護凍土，同時還要預防凍害可能會對建筑物造成的不利影響。本文以巴音郭楞地區為例，簡述高寒地區水工建筑物在防治凍害的過程中所采取的措施。本文首先對導致凍害的原因作出簡述，其次分析建筑物的設計環節與施工環節中可以采取的防凍措施，提升水工建筑物的工程質量。

關鍵詞：水工建筑;凍害預防;措施

中圖分類號：TV698.2+6 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006—7973（2021）02-0145-03

水工建筑物的凍害現象又被稱為凍脹破壞，這種現象出現的時候，將會在不同程度上對建筑物產生損害，造成建筑物質量水平下降，甚至埋下安全隱患。凍害的產生大多與氣候條件、水分、土質以及外載負荷等外部環境因素有關。在建筑物結構中的混凝土和細粒土空隙中留有水分，當溫度下降到0℃以下之后，就會導致建筑物結構內部出現靜冰壓力和凍脹現象。就塔里木河流域巴音郭楞地區而言，該地區冬季寒冷，容易形成凍土，所以深入研究該地區的水工建筑物凍害情況尤為重要。

1形成水工建筑物凍害的原因

1.1土體凍脹

隨著氣溫的降低，土體之中的水遇冷以后會凍結成冰，從而產生膠結力，進而使得建筑物與凍土兩者之間相互粘合。當土體之中的水被凍結成冰以后，其體積將會膨脹，當這些膨脹導致土體發生顆粒位移的時候，又會造成土體體積膨脹。水工建筑物基礎不僅是承載體，而且一定程度上會約束土體凍脹，使得凍封不會對土體基礎形成凍脹力[1]。水工建筑物在受到過大的凍脹力作用的時候，將會因為超出位移量和變形量而出現穩定性喪失的情況。

1.2冰荷載作用

在冬季氣溫較低的時候，地表水將會出現不同程度的結冰現象，冰層的厚度因為溫度的不同而存在差異。當封凍和解凍的時候，水工建筑物將會受到動冰壓力和靜冰壓力的影響，產生一定的損壞，特別是對河流護岸工程以及水庫護坡產生嚴重影響[2]。

1.3地基土融沉

在凍脹地基的凍結過程中，會形成冰增值層和冰晶體，使原有的地基土結構發生改變。隨著氣溫逐漸回升，地基受到荷載的影響而出現沉降。在地基凍脹的時候，其內部的含水量將會大幅度提升，在融化的過程中這些多余的水分將會降低地基承載能力，使得地基的應變關系和應力等，都悄然發生變化[3]。所以，地基土融沉將會使得水工建筑物的某些地方出現不均勻的沉降現象。倘若沉降量超出水工建筑物所能夠承受的變形量時，就會破壞建筑物。

2確定抗凍脹設計基本參數

2.1 確定凍深的方法

在計算水工建筑物施工地點位置的標準凍深時，所依據的公式如下：

（1）

式中：α所表示的含義為系數，文中α的取值為2.74+0.00074I0。I0所表示的含義為凍結指數的多年平均值，其單位為（°Cd）。I0沒有系列資料的時候，可以參照以下公式完成對該值的確定：

（2）

在公式（2）中，D為計算地點北緯度值。

在對水工建筑物施工地點位置的設計凍深Hd進行計算的時候，可以按照以下公式進行：

（3）

在公式（3）中，kp所表示的含義為頻率模比系數，所面對的對象是三級以及以下等級的建筑物。當H0不低于100cm的時候，此時頻率模比系數為1.15。kz所表示的含義為地下水修正系數，kd所表示的含義為日照和遮陰修正系數，其取值范圍為0.65到1.5。

砂土地基的地下水修正系數取值為1.0，在明確粘土地基值時，按照以下公式進行：

（4）

在公式（4）中，z所表示的含義為動前地下水位，在進行計算的時候，需要按照穩定凍結期開始之前的10天平均值或者是多年時間內的平均值實施計算。倘若是z≯0的時候，此時z的取值0。

在計算建筑物基礎之下的凍深H'd，需要按照以下公式展開：

（5）

在公式（5）中，所表示的含義為地基與基礎的導熱系數，就混凝土基礎的取值而言，max=0.7。d所表示的含義為建筑工程的基礎厚度，單位表示為cm。

2.2 地基土的凍脹性工程分類與凍脹力取值

3 預防水工建筑物凍害策略

在設計防凍害工程的時候，首先要確保設計的結果可以達到設計的要求，其次是要對施工建筑物在凍土環境之下的穩定性情況進行計算和檢驗，并且要充分明確建筑物的結構強度和基礎位移量，從而選擇合理的防凍技術。在設計防凍害工程之前，還需要對工程地域的地下水情況和土質情況展開深層次的分析與研究，對塔里木河流域巴音郭楞地區的氣溫變化幅度、降雪情況、凍脹情況等作出勘測與分析，確保基礎埋置深度的合理性，盡可能地將結構的平面尺寸降低，從而保證結構與結構之間能夠形成緊密的聯系。選擇大剛度的材料，可以與不均勻的凍脹能力強大的結構進行抵抗[4]。除了在設計的時候選擇使用一般的方法之外，還需要保證建筑物的強度、剛度、防滲以及穩定性等能夠達到標準參數要求。除此之外，還應當檢驗作為外荷載的各種凍脹力，完成校對核證，提升建筑物的穩定性、強度以及變形能力。倘若無法滿足上述要求，那么應對其抗凍能力展開綜合考量。

3.1 擋土墻的抗凍害設計

對不能滿足抵抗凍脹要求的擋土墻而言，無論是在單獨使用或者是綜合使用的過程當中，都要對其進行全面提升。在應用當中提升擋土墻的抗凍脹能力，首先要選擇合適的結構形式，以保證擋土墻能夠適應凍脹環境，提升變形能力。可以優先選擇懸臂式擋土墻，盡可能地使用擴大式條形基礎作為擋土墻的基礎設施。在埋深墻體底板的時候，必須要與設計的凍深相符合[5]。其次，要將擋土墻后的土體凍脹進行削減和消除，將排水孔安裝設計在擋土墻的位置，保證擋土墻迎土面的光滑平整，在達到滲徑要求的前提之下，在擋土墻的后部位置完成回填土施工。施工時所使用的方法可以為非凍脹性土置換，也可以選擇使用聚苯乙烯泡沫板或者是取水措施進行保溫。

3.2 板型基礎抗凍害設計

當板型基礎已經不能夠與抗凍脹要求相符合時，可以選擇使用抗凍脹結構措施或者是相關的工程措施。在設計抗凍脹工程的時候，應該首先對其結構措施展開考慮，例如錨固底板、枕梁橋、一次閘、反拱底板、篩網消能工等。只有在條件不能夠達到要求或者是選擇的結構措施缺乏經濟性和合理性的時候，才可以選擇使用抗凍脹工程措施。其工程措施主要有以下幾種，第一種是置換法。通過使用非凍脹性土完成地基土的置換。第二種是隔層封閉法。通過使用土工模將地基土進行分層包裹并將其封閉。第三種是強夯法或者壓實法，對地基進行壓密處理。第四種可以選擇使用保溫措施。第五種是排水法。需要對工程設置排水措施，例如反濾、暗管和盲井等等[6]。

3.3 設計樁墩等基礎設施

倘若樁墩類的基礎設施不能夠與凍脹力作用之下的抗凍拔要求相符合，那么此時則可以選擇使用抗凍結構措施以及抗凍工程措施。防止樁基凍拔的結構措施主要有提升裝機埋入土層的深度以及增加錨固基礎兩種。提升裝機埋入土層深度的措施通過利用融土的摩阻力得以實現。增加錨固基礎是指通過使用凍脹返力，克服切向凍脹力，從而切實保證樁墩的穩定性[7]。擴大式樁基形式擁有很多種，常見的有錨固環式基礎、爆擴樁基礎以及錨固底梁基礎。在施工的過程當中，因為受到施工條件和地基條件的限制，當承載力條件達到要求的時候，擴大錨板直徑和增加基礎深埋時存在困難，這時可以選擇使用削減切向凍脹力工程措施解決。例如在深層范圍之內的基礎表面位置進行涂層處理、雙層油套管處理以及外包薄膜處理等等。

4結語

本文以塔里木河流域巴音郭楞地區為例，展開對于水工建筑物凍害應對技術的分析。首先總結了導致水工建筑物發生凍害的原因，從土體凍脹、受冰害作用影響以及地基土融沉三個角度進行了分析。其次，闡釋了在設計水工建筑物時要確定的基本參數，保證建筑物本身有一定抗凍害能力。最后探究了預防水工建筑物凍害的工程措施，從擋土墻設計、板型基礎設計以及樁端基礎設施設計三個角度展開。通過運用已有的條件和措施，靈活性地強化水工建筑物對抗凍害的能力，最終達到理想的防凍害效果。

參考文獻：

[1] 呂長霖.一維凍結條件下土體凍脹與基礎水平凍脹力試驗研究[D].2018.

[2] 林賜權.護岸形式選擇在中小河流整治工程中的探討[J].建筑工程技術與設計，2018（22）：4624.

[3] 尹利強，王元戰.考慮固結過程的軟土地基承載力數值分析[J].水道港口，2018（04）：477-482.

[4] 張家濱，唐催，王磊，等.基于頻率變化率的結構剛度非均勻退化識別[J].振動，測試與診斷， 2018（03）：92-93.

[5] 曹明，馬曉明.懸臂式排樁擋土墻在某市政道路中的應用[J].黑龍江交通科技，2020（04）：6-7.

[6] 石鋒.研究水工建筑工程的施工排水方法[J].中國戰略新興產業，2020（10）：79-80.

[7] 肖旻，王正中，劉銓鴻，等.考慮凍土雙向凍脹與襯砌板凍縮的大型渠道凍脹力學模型[J].農業工程學報，2018（08）：108-116.