季节冻土区渠系建筑物冻害破坏及防治措施

2018-02-14郑美玉赵小宇孔凡丹

江西建材 2018年12期

郑美玉,赵小宇,彭博,孔凡丹,李凯

(1.绥化学院农业与水利工程学院,黑龙江绥化 152061；2.绥化学院食品与制药工程学院,黑龙江绥化 152061)

我国冻土分布面积极为广阔,黑龙江地处我国最北端,是我国重要的粮食生产基地,该地区冬季气温长期处于零摄氏度以下,渠系建筑物极易受到冻害的影响而破坏。在冻土区渠系工程的安全稳定地运作是满足农业生产水源灌溉的关键。然而从实际情况来看,由于存在温度、土壤等多方面因素,部分渠道护坡衬砌体会因此而出现隆起或是胀裂这些情况,如果任之发展那么将会导致衬砌结构失稳破坏,甚至是诱发渠系工程失效现象!由此可见,在冬季尤其是北方冻土区域渠道护坡冻胀损坏的情况不仅会对渠系安全运行构成威胁,同时更会对该地区农业生产带来不小影响。因此,研究季节性冻土地区渠道护坡工程破坏是十分必要的。

1 渠道冻害破坏类型

按照破坏类型的区别以及冻害破坏的形式能够将渠道衬砌体冻害破坏分为两种类型：由渠道内水体结冰造成的冰冻破坏与由渠基土体冻融产生的破坏。

渠基土在地下水和其他来水补给的情况下含水量不断升高,在冬季低气温作用下水冻结成冰。在水转变为冰后体积增大的基础上,就会造成渠基及坡面土体膨胀,进而产生冻胀力。

冰冻破坏一般是由于渠道在冬季输水或有未排出的存水,在冬季低温环境下将发生冻结。冻结形成的冰将对渠道边坡产生冰压力作用,进而导致衬砌体的破坏。

2 冻害成因

季节冻土区渠系建筑物冻害的成因通常分成外部因素与内部因素两种类型。其中外部因素主要包括了管理力度不足、设计不科学、施工技术不到位等因素；内部因素主要包括了长期冻融循环、地基冰冻、融沉与冻胀等方面。

2.1 冻害内因

渠道的衬砌破坏主要与衬砌构造、温度、水份以及土质具有一定关联。第一,温度条件。渠床顶部的冻结深度超过渠坡底部与渠底冻结深度,这往往是因为土体含水量和渠坡顶部为双向冻结小过渠底与渠坡底部导致的。除此之外,渠道走向同样会对冻胀产生影响,通常情况下渠道走向为东西时,阴坡深度往往比阳坡要大。第二,水分条件。水份条件在很大程度上决定了渠床各点冻胀的不均匀性、冻胀率沿深度的分布与渠床土冻胀性的大小等内容,所以,渠道衬砌冻害破坏一个关键影响因素在于渠床的水分条件。根据水份条件可以将渠道衬砌的冻害破坏为两种类型。其一为由地下水不急条件,导致渠床出现冻胀,导致衬砌受到破坏；其二为衬砌或地面渗水增加了渠床含水量,所以出现冻胀而导致衬砌破坏。第三,土质条件。如若渠床土质条件为粗粒土时,如砾石、粗砂,通常其冻胀量不会太大。如若渠床土质条件是细粒土时,尤其是粉土时,当渠床土质含水量较多,同时具有地下水补给时,就会有较多冻胀量出现。如若将适应变形能力小的刚性衬砌,如浆砌石或混凝土等运用到渠床上,就容易出现冻害破坏。

2.2 冻害外因

第一,在设计过程中具体设计与季节冻土区具体情况不相符,并未将冻胀力的作用综合考虑在内,同时也并未采用冻胀破坏的的有效防治对策,所以,受到地基土影响下,容易导致整体建筑稳定性下降而产生破坏。第二,不正确的施工技术造成建筑物冻胀破破坏如填土压实度不够、换填材料质量不合格、排水设施失效、保温材料铺设不严密、膜料材料及铺设不符合要求；混凝土参数不达标及施工缝设计不合理等,导致工程受地基土冻胀作用而破坏。

3 防冻胀措施

防治建筑物冻害的方法有多种,可归结为两种基本方法：第一,结构结构措施[1],也就是提高建筑物适应与抵抗冻融变形能力的措施；第二,地基处理措施,即将冻因削减或消除的措施。

3.1 防治冻胀的工程措施

(1)换填法。换填法是指将天然地基的冻胀性土采取弱胀性材料,如砾石、粗砂等来替换,用来将地基土的冻胀减弱或消除。将非冻胀土局部或全部置换原有的胀土,实际需要根据地下水埋深与渠基土质来确定实际置换比例。如若土质主要是轻黏土、壤土、砂壤土,且地下水深度超过冻深加临界深度时,则需要置换冻深的40%～70%；如若地下水深度比冻深加土壤临界深度要小的情况下,则需要对50%-80%的冻深进行置换,或是全部置换。同时还需将一层防渗膜料铺设在置换材料下方,且采用含水量较小的土压实且进行包裹,有效隔离其和外部水份,防止下部水迁移至冻结封面,避免地基地冻胀的情况出现。

(2)隔水封闭法。

通常情况下,是因为土中水分和下部补给的迁移水分冻结后,其体积变大而导致土的冻胀情况出现。所以,如若可以对途中含水量进行控制,确保其少过起始冻胀含水量,同时还能避免外来或土在冻结过程中的迁移水分补给,便可以实现对地基土冻胀进行防治的效果。该种方法主要是通过夯实含水量低于塑限的土,随后采取塑料薄膜进行包裹封闭,将外来水份的补给隔断后,对已有地基土进行置换来达到对冻胀进行防治的目的。

(3)保温法。采取具有较大热阻的隔热材料,来讲负气温和地基土的热交换状态进行改变,达到降低土冻结的速度,提升土内温度,将土冻结深度降低,进而实现土体冻胀的防治。在基坑中覆盖上麦草桔料、松散土等材料能够起到保温的作用,进而将冻结深度减小。此外可以运用水冻结成冰过程中有热量发出的原来,可以将涵闸底板高程减小,造成冬季积水结冰的蓄水保温法

(4)压实土法。这种方法是将基坑内的冻胀土挖出,经风干后再重新夯实回填土料以达到抗冻目的。要求夯实土料的密度大于1.6g/cm3,然后在压实土层上修建工程的基础。压实土的回填范围可参照换填土法确定。此项措施可用于涵闸工程地基防治冻胀及土坝不保温越冬处理。

(5)排水法。这种方法是采用排出土中水分、降低地下水位,达到防治土体冻服目的。一般排水法是设置排水沟、盲沟、排水孔等。排水防治引水渠线应选在高处并做成填方,尽可能将地下水位降至临界冻深以下。若地下水位不能降至安全深度,可设置隔水层。渠堤顶面应向外倾斜,以利排除雨雪水。

(6)物理化学方法。物理化学方法防治土体冻胀有多种方法,主要有人工盐渍化法,用憎水物质改良土法,土的电化学处理法。如用于涵闸的水保温方法,用于桩柱的双层油套管和基础侧壁加滑方法,用于挡土墙的柔性加筋墙等方法,还有水工中不常用的热物理方法(如电针加热)、化学方法(掺防冻剂)等防冻胀措施,关键问题是应根据工程的具体条件,如能采用综合性防冻措施收效会更为显著[3]。

3.2 防治冻胀的结构措施

防冻胀破坏设计设计之前,必须查明土质和地下水情况,了解当地气温、冻胀、降雪、冻深等有关情况;确定合理的基础埋置深度；尽量减小平面尺寸,力求结构紧凑；选用刚度大、抵抗不均匀、抗冻胀能力强的结构；除按一般方法设计,使其满足建筑物强度、刚度、稳定及防渗要求外,还需把各种冻胀力作为外荷载,进行强度、稳定性、变形校核,若满足不了上述要求,应考虑综合抗冻措施。

利用建筑物结构的形状、强度和整休刚度等防御冻胀力的破坏作用,从而保持其稳定和正常运行,可分为对抗性结构措施、适应(冻胀变形)性结构措施、减少与地基接触性结构措施等.在工程实践中已有了广泛应用的扩大式桩、墩基础(对抗)、枕梁平板桥(适应)、一字型闸(减少)等均为结构措施的典型型式。