寒期湖岸曲墙冻胀规律解析

孙洪伟，张　华，沙　勇

(长春工程学院土木工程学院，长春130012)



寒期湖岸曲墙冻胀规律解析

孙洪伟，张华，沙勇

(长春工程学院土木工程学院，长春130012)

摘要：湖岸曲线形挡土墙为“曲墙”。据原位观测采集的长春雕塑公园中心湖岸曲墙的水平冻胀位移数据，绘制了位移曲线，分析了不同凸曲形状曲墙水平冻胀位移规律和“冻害”程度。

关键词：曲墙；冻胀水平位移；冻缩水平位移；“冻害”程度

0前言

基于两个寒期原位观测采集的长春雕塑公园中心湖岸曲墙的水平冻胀位移数据，建立冻胀位移与时间和寒期温度二者间的关系，绘出曲墙的水平冻胀位移曲线。分析位移状态，揭示曲墙凸曲方向不同所发生的不同冻胀位移规律。发现向湖内凸曲的曲墙发生“正位移”，即出现冻胀水平位移，且位移增大快，曲墙“冻害”较重；

向湖外凸曲的曲墙产生“负

位移”，即出现“冻缩”水平位移，曲墙“冻害”轻微[1]。

1湖岸曲墙的冻胀(缩)水平位移数据

长春雕塑公园中心湖环湖曲墙总长2 km。曲墙依湖岸自然地势修建。其冻胀位移的观测选用钢尺精密量距法[1]，据测量时气温，已对尺量数据温度修正，保证推算的冻胀水平位移数据真实、可靠。原位测量采集并修正后的冻胀水平位移数据见表1～2。

表1　雕塑公园湖岸曲墙实测冻胀、冻缩水平位移值　mm

表2　雕塑公园湖岸曲墙实测冻胀、冻缩水平位移值　mm

注： 1)“Li”代表在曲墙上设置的冻胀水平位移观测点的编号；每一编号右侧的水平栏内是曲墙上某观测点在寒期的不同观测日测得的水平冻胀位移。 2)表中为实测曲墙水平冻胀位移数据。其中正值位移是曲墙产生向湖内方向的冻胀水平位移，负值位移是和冻胀水平位移方向相反，是向岸边方向的冻缩水平位移。3)5月16日位移测量数据与5月5日测量数据相同，故未例。

2湖岸曲墙冻胀水平位移规律研究

2.1湖岸曲墙“冻胀”水平位移特征曲线

据表1～2数据绘制的长春雕塑公园中心湖岸曲墙2寒期的“冻胀”水平位移特征曲线、同期的气温变化曲线如图1～2所示。

(a)曲墙水平冻胀位移曲线

(b)同期气温曲线

(a)曲墙水平冻胀位移曲线

(b)同期气温曲线

注：同期气温变化曲线是根据长春气象台天气预报的日最高气温和最低气温绘制的，单位为°C。

2.2湖岸曲墙冻胀水平位移规律分析

观察曲墙的冻胀位移曲线：显现冻胀土推动湖岸曲墙产生了“正位移”和“负位移”。如图1～2所示。研究发现：图中的“正位移”是内凸曲墙(如图3所示的向湖内凸曲的曲墙[1])产生的向湖内的冻胀水平位移；“负位移”是外凸曲墙(如图4所示的向湖外凸曲的曲墙)发生的冻缩水平位移，即外凸曲墙产生了向湖岸方向的位移,和冻胀水平位移方向相反。冻胀位移曲线反映出在寒期不同温度时段，内、外凸曲墙的位移大小和状态是不同的。

图3　内凸曲墙　　　　　　　　　　　　　　　　 图4　外凸曲墙

注：σ1：墙背冻土层产生的水平冻胀应力；σ2：冰冻结对曲墙产生的水平冻胀应力。

2.2.1内凸曲墙冻胀位移规律分析

第2寒期图2(a)中的上曲线组为内凸曲墙冻胀水平位移曲线组，总体呈“驼峰型”变化，显现随气温升降多时段的变化规律。对应寒期的持续负温、正负温波动、正温波动各时段，内凸曲墙的冻胀水平位移相应经历了增大—减小—基本恒定的3时段变化。

1)持续负温时段——气温在负温下的持续波动阶段，为长春地区每年的11月至次年的2月中下旬或更晚一些。此时段中内凸曲墙的冻胀水平位移增大快，位移曲线陡峭上升，平均位移速度在0.38～0.55 mm/d之间，位移的平均值在35～55 mm之间，最大冻胀水平位移发生在该时段的末期，即次年的2月下旬左右，最大冻胀水平位移可达69～71 mm。

该时段内，内凸曲墙背土冻深不断加厚，不断加大的水平冻胀应力持续推动曲墙，使墙体水平位移继续加大。持续负温的末期，气温不再下降，冻土层增厚缓慢并接近终止，冻胀水平位移接近最大值后不再增大。最大冻胀水平位移发生在持续负温时段向正负温波动时段的过渡期，即每年的2月下旬左右，如图1和图2中的(a)图所示。

另一因素是在持续负温的末期，负温下的气温波动频繁，引起冻土层热胀冷缩，频繁热胀发生的冻胀力推动墙体也额外增大了冻胀水平位移。

研究发现，此时段内凸曲墙的冻胀水平位移及引起“冻害”[2]破坏程度远超过其他墙型，与外凸曲墙相比，产生的冻胀水平位移是后者冻缩位移的2.4倍，比后者大130%，冻胀水平位移引起的倾斜、裂缝甚至局部坍塌等“冻害”破坏相对严重。原因是内凸曲墙背土冻结产生的水平冻胀应力σ1作用于曲墙的内拱一侧，处于最不利的“拱内受压”[3]状态，承载力低，在冻土大冻胀应力的推动下[4]，必然会产生向湖内一侧较大的水平位移，并发展较快。位移曲线陡峭上升也证实了这一点。另外，墙前湖冰层产生的冻胀应力σ2的反方向作用，将加剧内凸曲墙的倾斜和扭转，严重时出现裂缝及坍塌等“冻害”破坏。

2)正负温波动时段——是从持续负温时段末期至正温时段初的气温区间，即长春地区的2月下旬至3月下旬之间。该时段内气温在正负温间波动，且中后期白天出现正温的频率增多。如图1～2显示，正负温波动时段，内凸曲墙的冻胀水平位移曲线逐渐下降，冻胀水平位移逐渐减小。

此时段位移减小的因素有两方面[1-2]：其一，气温的正负温波动使内凸曲墙背的冻土层产生频繁的热胀冷缩而开裂，另外，空气干燥也促使冻土层产生干缩裂缝，裂缝的产生在一定程度上消减了作用在内凸曲墙上的冻胀应力，使得墙体回弹，冻胀水平位移减小；其二，正负温波动时段的中后期，频繁的正温出现，内凸曲墙后冻土层由浅入深逐渐融化，冻土对墙体的冻胀力逐渐减弱，墙体在自身的整体弹性作用下逐渐产生弹性恢复，这也会使冻胀水平位移逐渐减小。内凸曲墙的冻胀水平位移减小是以上两种因素同时作用的结果，减小的速度在0.33～0.66 mm/d之间。

3)正温波动时段——该时段气温在正温内波动，即长春地区每年的3月下旬至5月中下旬，时段内气温在正温内持续波动上升。对应此时段的位移曲线呈接近直线平缓下降，下降幅度很小，说明该时段内凸曲墙背冻土层在正温下融化接近完成，土的冻胀应力消失，墙体的弹性回复也接近终止，表现出冻胀水平位移减小的速度减缓。如：此时段的位移减小的速度为0.116～0.315 mm/d，仅为正低温波动时段的1/3～1/2。剩余的位移为内凸曲墙经历一个寒期的水平冻胀位移的残余量，为最终冻胀水平位移值。内凸曲墙过大的冻胀水平位移是引起墙体倾斜、裂缝、坍塌等“冻害”破坏的根源。

2.2.2湖岸外凸曲墙冻缩水平位移规律分析

第2寒期图2(a)中的下曲线组为外凸曲墙冻缩位移曲线组，曲线总体呈下凹小幅度“负增长”趋势，并接近线性发展，并显现冻缩位移对气温变化不太敏感。原因是外凸曲墙合理的受力特性限制了冻胀位移的发生。如图4所示，外凸曲墙在平面上相当于“拱”，且拱外侧承受土层水平冻胀应力σ1的压力作用，即外凸曲墙类似“正拱受力”[3]状态。“正拱受力”具有承载力大的特点，自然对冻土水平冻胀应力的抵抗作用大。正拱与冻土水平冻胀应力相持阶段，有蠕变特性的冻土会产生应力重分而对正拱的压力减弱，而寒期温度波动引起的正拱(外凸曲墙)热胀推动压力减弱的冻土产生了向岸边的位移——即以上提及的外凸曲墙的冻缩位移。随正拱热胀对冻土的压应力的持续增大，冻土逐渐被压实，耐压能力增强，正拱(外凸曲墙)热胀受阻使得冻缩位移速度逐渐减小直至终止。表现出外凸曲墙产生的向岸边的冻缩位移发展到一定程度后终止。综上，外凸曲墙非但没有产生向湖内的位移，却产生了向岸边的位移，由于岸边土层的支撑，墙体产生倾斜破坏等“冻害”的隐患降低。观测证实：实际外凸曲墙远比内凸曲墙产生的“冻害”轻微。这是外凸曲墙“正拱受力”特征决定的。

3结语

湖岸曲墙的冻胀规律和机理综述：

1)对应寒期的持续负温时段、正负温波动时段、正温波动时段内凸曲墙的冻胀水平位移呈3时段变化规律。持续负温时段是内凸曲墙的冻胀水平位移的“增长期”。持续负温使墙背土层不断冻结增厚，水平冻胀应力持续增长，推动内凸曲墙使冻胀水平位移快速加大，冻胀水平位移曲线陡峭上升印证了这一点；正负温波动时段是内凸曲墙的冻胀水平位移“回落期”。正负温波动引起墙背冻土层热胀冷缩和空气干燥引起的土层开裂，使得冻胀力得到部分消减，内凸曲墙回弹冻胀水平位移减小。表现为此时段的冻胀水平位移曲线下降；正温波动时段，冻土层接近完全融化，作用于内凸曲墙背的冻胀应力消失，冻胀水平位移趋于恒定。

内凸曲墙产生的倾斜、裂缝、坍塌等“冻害”严重[1-2]，原因是其“拱内受力”产生的冻胀水平位移过大所致，应尽量避免建造此种墙型。

2)外凸曲墙的冻缩水平位移与寒期气温的相关性不强，是因其墙体“正拱受力”有较大的抗力而限制了位移的发展。表现其位移曲线趋于线性平缓下降，冻缩位移不大。此类墙型的“冻害”轻微，是较理想的抗冻墙型。

参考文献

[1] 孙洪伟，王德军，曲祖光，等.人工湖岸挡土墙“冻害”与防治措施研究[J].长春工程学院学报：自然科学版,2009(1)：7-13.

[2] 孙洪伟.寒区湖岸工程“冻害”治理技术研发[J].长春工程学院学报：自然科学版，2015(2)：8-10.

[3] 包士华.结构力学(上册)[M].武汉：武汉大学出版社,2000：51-58.

[4] 陈尚柏，王雅清.土的冻结作用与地基[M].北京：科学出版社，2006：442-456.

The Analysis of Frost-Heaving Laws on Lakeshore Curved Wall in Cold Season

SUN Hong-wei,etc.

(SchoolofCivilEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：Lakeshore curved retaining wall is called as “curved wall”.According to the frost-heaving horizontal displacement data collected from the center lakeshore cured wall in Changchun Sculpture Park by situ-observation，the displacement curve has been drew in this article. The frost-heaving horizontal displacement laws and “freezing” degrees to different curved walls with different curved shapes have also been analyzed.

Key words：curvedwall;frost-heaving horizontal displacement; frost-condensation horizontal displacement;“freezing” degree

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2016)01-0005-05

中图分类号：TU445

作者简介：孙洪伟(1963-)，男(汉)，吉林永吉，高级工程师，副教授

基金项目：吉林省教育厅资助项目(吉教科合字第227号)

收稿日期：2016-01-30

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.002

主要研究土木工程施工技术及教学。