寒區(qū)湖岸工程“凍害”治理技術(shù)研發(fā)

主要研究土木工程施工技術(shù)及教學(xué)。

孫洪偉，竇立軍，張利，沙勇

(長(zhǎng)春工程學(xué)院木工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012)

摘要：設(shè)計(jì)各類(lèi)湖岸工程“凍害”治理技術(shù)，結(jié)合各技術(shù)的防凍構(gòu)造解析防凍機(jī)理。提出“隔斷”和“疏導(dǎo)”凍脹應(yīng)力的“凍害”治理理念。

關(guān)鍵詞：技術(shù)設(shè)計(jì)；隔斷；疏導(dǎo)；治理凍害

0引言

多年對(duì)湖岸擋土墻、船臺(tái)等典型湖岸工程凍態(tài)的研究試驗(yàn)表明：寒期冰土循環(huán)凍脹作用使湖岸工程呈現(xiàn)特有的凍脹變形(位移)規(guī)律[1]。變形到一定度，會(huì)產(chǎn)生輕重不同的凍害[2-3]。如：湖岸擋土墻在背部?jī)鐾镣苿?dòng)下產(chǎn)生水平位移，導(dǎo)致墻體產(chǎn)生傾斜、裂縫乃至坍塌破壞；近水船臺(tái)基礎(chǔ)樁受樁側(cè)冰凍土產(chǎn)生的向上的切向凍脹應(yīng)力托舉而產(chǎn)生“凍拔”位移，位移過(guò)大或各樁位移不同步時(shí)即會(huì)產(chǎn)生“臺(tái)岸錯(cuò)動(dòng)”和“臺(tái)板拉裂”等變形破壞。究其原因，均屬水土凍脹引起的“凍害”。據(jù)調(diào)查：僅長(zhǎng)春地區(qū)的公園湖岸工程在壽命期內(nèi)處理凍害的費(fèi)用損失就超過(guò)1 000萬(wàn)元；東北、華北等寒區(qū)同類(lèi)損失近30億元。足見(jiàn)，研發(fā)有效的治理技術(shù)，延長(zhǎng)湖岸工程使用壽命，預(yù)防或消除“凍害”，是現(xiàn)實(shí)而緊迫的。

1湖岸擋土墻“凍害”治理技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1“隔離層”技術(shù)設(shè)計(jì)

隔離層技術(shù)如圖1所示。技術(shù)原理是在湖岸擋土墻背加一定厚度的柔性材料，隔絕墻背凍土層水平凍脹應(yīng)力對(duì)墻背的直接推動(dòng)作用，土的凍脹位移由隔離層的柔性收縮變形緩解吸收?！案綦x層”技術(shù)適用于已建石砌體擋土墻的凍害治理，項(xiàng)目組在長(zhǎng)春雕塑公園湖岸擋土墻凍害治理試驗(yàn)效果表明[2]：加設(shè)隔離層的擋土墻因隔離層受壓后的柔性收縮，吸收了土凍脹應(yīng)力產(chǎn)生的凍脹位移，隔斷土水平凍脹應(yīng)力[4]σ1對(duì)擋土墻的直接作用，觀(guān)測(cè)得到的水平凍脹位移比未加設(shè)隔離層的擋土墻減小51%，傾斜、裂縫等凍害破壞不再繼續(xù)發(fā)展，墻體外觀(guān)質(zhì)量完好。而未加設(shè)隔離層的擋土墻凍害發(fā)展嚴(yán)重?？梢?jiàn)，隔離層為凍土水平凍脹應(yīng)力的直接受力體，隔斷了凍土對(duì)擋土墻的凍脹作用，實(shí)現(xiàn)了“隔”的設(shè)計(jì)理念，抑制“凍害”效果明顯。另外，滲排水管構(gòu)造設(shè)計(jì)及時(shí)將墻背土層多余水分排出，降低了土的含水率，使土的凍脹性降低，減小了土原生水平凍脹應(yīng)力，降低了土對(duì)隔離層的凍脹作用。體現(xiàn)了“疏導(dǎo)”的設(shè)計(jì)理念。

圖1　擋土墻“隔離層”凍害治理技術(shù)

1.2“平衡墻”技術(shù)設(shè)計(jì)

所謂的“平衡墻”技術(shù)的設(shè)計(jì)創(chuàng)意是：將湖岸地坪設(shè)計(jì)成緩坡，擋土墻做成外露矮墻。墻埋深穿越地區(qū)年凍土深度，即穿越凍土層，如圖2所示。其防凍脹設(shè)計(jì)原理是平衡抗力的力學(xué)原理，即利用墻前后的緩坡地坪面下的凍土層厚接近相等，在墻的兩側(cè)產(chǎn)生接近相等的水平凍脹應(yīng)力，即σ=σ′，墻體在兩側(cè)大小相等、方向相反的水平凍脹應(yīng)力的作用下保持平衡直立，換言之，即利用了相反方向凍土的等值水平凍脹應(yīng)力的相持，使墻體平衡。顯見(jiàn)，墻體處于雙側(cè)受壓狀態(tài)。這就要求墻體材料具有持久的高耐壓強(qiáng)度，具有長(zhǎng)期抗凍性，也要具有抵御寒暑周期溫度變形的性能。本設(shè)計(jì)墻體選用高耐壓抗凍C30級(jí)防凍混凝土材料，內(nèi)配鋼筋網(wǎng)抵抗溫度變形[5]。延墻長(zhǎng)向每隔9 m設(shè)伸縮縫，增強(qiáng)墻體溫度變形性能。采用穿墻向湖內(nèi)傾斜的滲排水管排出墻背土層中的自由水，降低墻背土層含水率，減弱土的凍脹性。

概言之，“平衡墻”技術(shù)的著眼點(diǎn)是在不破壞湖區(qū)整體環(huán)境的前提下，將湖邊地勢(shì)設(shè)計(jì)成緩坡面，建造耐壓矮墻創(chuàng)造平衡力條件。在墻體材料的抗凍和抗壓性能長(zhǎng)效耐久的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)凍害的預(yù)防。

“平衡墻”防凍設(shè)計(jì)技術(shù)在長(zhǎng)春雕塑公園中心湖擋土墻改造中應(yīng)用，經(jīng)歷了5個(gè)寒期，監(jiān)測(cè)未發(fā)生混凝土墻體傾斜、裂縫等凍害破壞。另外，矮墻上應(yīng)加裝護(hù)欄保障游人安全。

圖2　“平衡墻”凍害治理技術(shù)

1.3綜合治理技術(shù)設(shè)計(jì)

綜合治理技術(shù)處于技術(shù)設(shè)計(jì)階段，如圖2所示。應(yīng)用方向著眼于湖岸高石砌體擋土墻。設(shè)計(jì)意圖是在湖岸擋土墻后地面和墻背進(jìn)行保溫絕熱設(shè)計(jì)，保護(hù)墻背土層在寒期長(zhǎng)期不受凍，不產(chǎn)生凍脹應(yīng)力，以從根本上消除凍害。地坪下水平保溫層鋪設(shè)寬度為1.2倍的地區(qū)年凍土深度，墻背垂直保溫層鋪設(shè)高度應(yīng)穿越地區(qū)凍土深度，沿墻全高鋪設(shè)，保溫材料擬設(shè)苯板，如圖3所示。苯板各面封閉包貼卷材防水層保護(hù)苯板不吸水，以長(zhǎng)期穩(wěn)定苯板的保溫絕熱效能。墻前接觸湖水一側(cè)同樣設(shè)置有包貼防水層的苯板隔離層，用無(wú)公害膠粘劑粘貼于墻面，以緩解寒期湖冰凍層產(chǎn)生的水平凍脹應(yīng)力[4]σ2對(duì)擋土墻的直接作用。隔離層靠湖水一側(cè)堆砂石支撐固化，以防夏季水流沖擊引起墻前隔離層脫落而失去作用。同前，在擋土墻背土層設(shè)置滲排水管，排除墻背土層中的自由水，保持土層低含水率以降低土層的凍脹性。

可見(jiàn)，綜合治理技術(shù)的設(shè)計(jì)路線(xiàn)突出在長(zhǎng)效保溫防凍、緩解凍脹、排水降低土凍脹性等幾個(gè)方面采取有針對(duì)性的綜合技術(shù)措施，從各引起擋土墻凍害的因素著手解決凍害，探索隔斷、疏導(dǎo)、減緩凍脹應(yīng)力的辦法。

圖3　擋土墻“綜合”凍害治理技術(shù)

2湖岸船臺(tái)“凍害”治理技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1剛性“套筒”隔離技術(shù)設(shè)計(jì)

船臺(tái)基礎(chǔ)樁凍拔引起臺(tái)岸錯(cuò)動(dòng)影響使用功能。若同一船臺(tái)的各基礎(chǔ)樁凍拔位移不同會(huì)引起船臺(tái)板變形破壞[6]。以上形態(tài)的破壞是湖岸水邊船臺(tái)的常見(jiàn)凍害破壞形式。其原因是寒期樁側(cè)冰、土凍脹產(chǎn)生的向上的切向凍脹應(yīng)力τ、τ′直接作用于基礎(chǔ)樁產(chǎn)生向上的推力，使船臺(tái)和基礎(chǔ)樁整體發(fā)生向上的位移而表現(xiàn)出上拔，即“凍拔”[6]。如圖4所示，剛性“套筒”防凍拔技術(shù)的設(shè)計(jì)構(gòu)造是：在船臺(tái)基礎(chǔ)樁側(cè)加設(shè)鋼筋混凝土預(yù)制圓形套筒護(hù)住基礎(chǔ)樁，套筒長(zhǎng)度應(yīng)穿過(guò)地區(qū)年凍土層，上部高出湖水面。防凍原理是套筒隔開(kāi)冰層和凍土層對(duì)基礎(chǔ)樁直接作用，使冰層和凍土層產(chǎn)生向上的切向凍脹應(yīng)力τ、τ′作用到剛性套筒上，即切向凍脹應(yīng)力對(duì)基礎(chǔ)樁的作用被套筒“隔斷”，作用到樁上的切向凍脹應(yīng)力被“消除”。剛性套筒底部需做防水處理，在套筒內(nèi)填干砂石等弱凍脹材料。實(shí)驗(yàn)研究表明：套筒內(nèi)的砂石即使含一定量的水，寒期凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生的向上的切向凍脹應(yīng)力也是很微弱的，不足以向上推動(dòng)基礎(chǔ)樁發(fā)生凍拔位移。因?yàn)樘淄矁?nèi)有限空間的砂石凍脹水平較低。

剛性套筒隔離技術(shù)在長(zhǎng)春南湖公園的船臺(tái)樁基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。3個(gè)寒期的現(xiàn)場(chǎng)原位觀(guān)測(cè)證實(shí)，加設(shè)剛性套筒的船臺(tái)基礎(chǔ)樁產(chǎn)生的凍拔位移極小，且在正位移和負(fù)位移之間波動(dòng)，位移測(cè)量值在-1～3 mm之間。說(shuō)明船臺(tái)幾乎無(wú)凍拔，微小的正負(fù)位移是鋼筋混凝土船臺(tái)板隨寒期氣溫變化熱脹冷縮產(chǎn)生的[3]。經(jīng)觀(guān)察得到，船臺(tái)無(wú)錯(cuò)臺(tái)和船臺(tái)板裂縫等凍害產(chǎn)生，凍害得到有效控制。相反，沒(méi)加設(shè)套筒的同類(lèi)船臺(tái)產(chǎn)生的凍拔位移較大，實(shí)測(cè)值在5～30 mm之間，產(chǎn)生了臺(tái)岸錯(cuò)動(dòng)和船臺(tái)板裂縫等凍害。實(shí)驗(yàn)對(duì)比印證了剛性套筒隔離技術(shù)對(duì)防治凍拔引發(fā)的凍害是有效的。套筒技術(shù)實(shí)現(xiàn)了隔斷和疏導(dǎo)切向凍脹應(yīng)力的作用。船臺(tái)基礎(chǔ)樁不受冰和凍土的凍脹應(yīng)力作用，自然就不會(huì)產(chǎn)生凍拔危害。

圖4　船臺(tái)基礎(chǔ)樁“剛性套筒”凍害治理技術(shù)

2.2柔性“套筒”隔離技術(shù)設(shè)計(jì)

柔性“套筒”隔離技術(shù)目前處于技術(shù)設(shè)計(jì)階段。如圖5所示，該技術(shù)的做法是在船臺(tái)基礎(chǔ)樁穿越冰和凍土層的樁段上纏繞柔性防水卷材，形成柔性卷材“套筒”。柔性卷材“套筒”隔開(kāi)冰和凍土與基礎(chǔ)樁之間的直接接觸。卷材的低部和基礎(chǔ)樁間用無(wú)害黏接材料可靠黏接。上部卷材和基礎(chǔ)樁表面不黏接，使卷材可沿樁豎向自由伸展。首選耐久性強(qiáng)、耐凍性好、延伸率大的防水卷材。其防凍機(jī)理是：冰土產(chǎn)生的向上的切向凍脹應(yīng)力直接作用到卷材套筒上，推動(dòng)卷材向上自由拉伸，卷材阻隔樁不受力，就不會(huì)產(chǎn)生凍拔。同剛性套筒技術(shù)原理類(lèi)似，柔性套筒技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了“隔斷”和“疏導(dǎo)”切向凍脹應(yīng)力的作用。

3結(jié)語(yǔ)

在寒冷地區(qū)，露天的湖岸工程諸如擋土墻和船臺(tái)處于寒冷的低溫環(huán)境，更要承受寒暑交替的凍融變化。不同時(shí)期的水環(huán)境和變化的氣溫環(huán)境使這些湖岸工程在不同的季節(jié)處于迥異的應(yīng)力場(chǎng)[1-3]，特別突出的是冰和凍土的凍脹應(yīng)力作用只在寒期出現(xiàn)，類(lèi)似可變應(yīng)力具有繼陣周期性，且作用強(qiáng)度巨大。而這些湖岸工程為實(shí)現(xiàn)擋土或支撐的維護(hù)功能，處于原始的不對(duì)稱(chēng)受力狀態(tài)。如：湖岸擋土墻要長(zhǎng)期承受墻背變化的主動(dòng)土壓力的作用，較大埋深的船臺(tái)基礎(chǔ)樁要長(zhǎng)期承載荷重相對(duì)較小的船臺(tái)。這種原始的受力狀態(tài)在變化的外荷載，如冰和土的凍脹應(yīng)力的不利作用下，會(huì)加劇結(jié)構(gòu)性破壞，即出現(xiàn)凍害破壞。筆者多年研究思考治理此類(lèi)凍害的解決辦法，把最終研發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵放在隔離、疏導(dǎo)凍脹應(yīng)力方面。文中所述的采取柔性隔離層“隔斷”水平凍脹應(yīng)力對(duì)擋土墻背的直接作用，是使柔性隔離層直接吸收冰和凍土的凍脹應(yīng)力和產(chǎn)生的凍脹變形(位移)，成為主要的受力載體和媒介，即原作用在擋土墻上的凍脹應(yīng)力被“疏導(dǎo)”給隔離層，使凍脹應(yīng)力對(duì)擋土墻的影響降到最低，以遏制“凍害”。船臺(tái)基礎(chǔ)樁的剛?cè)嵝蕴淄驳姆纼鲈O(shè)計(jì)原理亦如此。以上的防凍害技術(shù)經(jīng)部分工程實(shí)驗(yàn)已顯現(xiàn)出有效性。

圖5　船臺(tái)基礎(chǔ)樁“柔性套筒”凍害治理技術(shù)

參考文獻(xiàn)

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doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.02.003

收稿日期：2015-06-10

基金項(xiàng)目：吉林省教育廳資助項(xiàng)目(吉教科合字第227號(hào))

作者簡(jiǎn)介：孫洪偉(1963-)，男(漢)，吉林永吉，副教授，高級(jí)工程師

中圖分類(lèi)號(hào)：P642.14

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-8984(2015)02-0008-03

The research and development on “Freezing Injury”
treatment technology to lakeshore engineering in cold regions

SUN Hong-wei，et al.

(SchoolofCivilEngineering，ChangchunInstituteofTechnolog，Changchun130012，China)

Abstract：In this article，all kinds of designs related to “freezing injury” treatment technology to lakeshore engineering have been indicated，combing with each kind of antifreeze construction analysis and antifreeze mechanism.It puts forward a “freezing injury” treatment technology by “partition” and “diversion” frost heavy stress.

Key words：technology design；partition；diversion；freeze injury treatment