劉永健 ，宋建勛，梁津華

（1.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2. 沈陽(yáng)建筑大學(xué) 建筑學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110168）

在我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)，由于四季氣溫變化范圍較大，季節(jié)溫差對(duì)處于本地區(qū)的建筑或構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響較為普遍，其中凍脹溫度應(yīng)力危害較大。凍脹溫度應(yīng)力危害主要表現(xiàn)在對(duì)建筑或構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)外觀、使用功能、結(jié)構(gòu)安全均造成很大的破壞，解決好凍脹溫度應(yīng)力對(duì)建筑或構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的不利影響，已成為本地區(qū)必須重視的問(wèn)題。本文針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)幾種典型的由于凍脹溫度應(yīng)力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)通病情況，從設(shè)計(jì)、施工等方面分析破壞產(chǎn)生的原因，并提出防治措施。

1 凍脹溫度應(yīng)力的產(chǎn)生與危害

膨脹土是一種特殊的由粘粒的親水性礦物成分組成的一種高塑性粘土，具有凍土的物理特性。由于夏季雨水較多，水分貯存在土顆粒里面，在大氣壓的影響下，水分向上遷移并在冬季凍結(jié)成鋒面，聚集成冰夾層。隨著冰晶體的逐漸擴(kuò)大，土體凍脹層體積膨脹而產(chǎn)生凍脹變形，土體的凍脹變形會(huì)對(duì)與之連接的建筑或構(gòu)筑結(jié)構(gòu)施加一個(gè)與凍脹變形同方向的凍脹力，產(chǎn)生凍漲溫度應(yīng)力。

在嚴(yán)寒地區(qū)，膨脹土的凍結(jié)更加嚴(yán)重，凍脹溫度應(yīng)力對(duì)與凍結(jié)膨脹土連接的建筑或構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的不利影響也更加顯著，將使位于土體凍脹層內(nèi)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力、局部変形或整體位移，造成結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生剪切變形或彎曲變形，當(dāng)凍脹溫度應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗彎、抗剪承載能力時(shí)，就會(huì)造成結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞。同時(shí)，凍脹效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致凍結(jié)膨脹土上部的建筑或構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)在應(yīng)力集中或結(jié)構(gòu)薄弱處產(chǎn)生開(kāi)裂，進(jìn)而引發(fā)上部結(jié)構(gòu)的破壞。

2 凍脹溫度應(yīng)力結(jié)構(gòu)通病及成因分析

由凍脹溫度應(yīng)力引起的建筑或構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)破壞涉及的范圍較大，本文主要針對(duì)接地部位進(jìn)行研究分析。實(shí)踐表明，建筑或構(gòu)筑物接地部位的凍脹溫度應(yīng)力破壞，既有設(shè)計(jì)方面原因，也有施工方面的原因，或者二者兼而有之。本文歸納了以下六類(lèi)常見(jiàn)凍脹溫度應(yīng)力引起的接地部位結(jié)構(gòu)通病情況，并加以分析。

2.1 擋土墻破壞

造成擋土墻產(chǎn)生裂縫或破壞的原因有很多方面，其中由于溫度引起的凍脹裂縫是一個(gè)重要原因。受基土凍脹溫度應(yīng)力影響，擋土墻產(chǎn)生破壞的情形與原因主要有以下幾方面：

圖1 擋土墻出現(xiàn)裂縫

圖2 擋土墻出現(xiàn)裂

①當(dāng)擋土墻基礎(chǔ)埋深不足時(shí)，沿?fù)跬翂Φ拈L(zhǎng)度方向可能會(huì)產(chǎn)生地基不均勻凍脹，造成墻體產(chǎn)生斜向剪切裂縫，如圖1、圖2所示；②在擋土墻的水平拐角處，會(huì)形成水平方向凍脹力的應(yīng)力集中，造成擋土墻在拐角處開(kāi)裂進(jìn)而破壞； ③冬季基土受凍脹影響，擋土墻主要受到土體凍脹產(chǎn)生的凍脹力的彎剪作用，水平凍脹力會(huì)對(duì)擋土墻基底產(chǎn)生彎矩，嚴(yán)重時(shí)使墻體外傾，如圖3所示；豎向凍脹力會(huì)對(duì)擋墻內(nèi)側(cè)造成剪切作用，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生剪切破壞。

2.2 路邊石外傾

路邊石是生活中常見(jiàn)的構(gòu)筑物，其受凍脹溫度應(yīng)力影響破壞的情況非常普遍。冬季基土受低溫的影響，體積膨脹隆起，土體的膨脹是向四周展開(kāi)的，其產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也是向四周擴(kuò)散的。路邊石主要受到水平方向溫度應(yīng)力的剪切作用，造成其產(chǎn)生水平方向位移或傾斜，而氣溫回升，凍脹現(xiàn)象消失后，由于土體與路邊石間進(jìn)入異物，路邊石產(chǎn)生的傾斜情況無(wú)法恢復(fù)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，路邊石的傾斜會(huì)越來(lái)越大，造成外觀與使用功能的破壞，如圖4所示。

圖4 路邊石外傾

圖3 擋土墻外傾

圖5 柱子根部破壞

圖6 墻體底部飾面破壞

2.3柱或墻體根部破壞

對(duì)柱或墻體來(lái)說(shuō)，當(dāng)凍脹發(fā)生時(shí)，其周邊土體會(huì)整體向上隆起，凍脹結(jié)束后會(huì)整體回落，如果柱或墻體與周邊土體相連部位沒(méi)有采取結(jié)構(gòu)隔離構(gòu)造措施，就會(huì)產(chǎn)生相互作用，嚴(yán)重時(shí)造成結(jié)構(gòu)破壞。在周邊基土凍脹層內(nèi)由凍脹土產(chǎn)生的溫度應(yīng)力影響，可劃分為水平與豎向兩類(lèi)。對(duì)于無(wú)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的柱或墻體，由于其周?chē)馏w對(duì)稱(chēng)，水平方向溫度應(yīng)力可相互抵消；對(duì)于有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的柱或墻體，當(dāng)其基礎(chǔ)埋深在凍土層以下時(shí)，一般也可抵抗水平方向溫度應(yīng)力影響。實(shí)踐表明，此類(lèi)結(jié)構(gòu)破壞更多表現(xiàn)為豎向應(yīng)力對(duì)相連部位的剪切影響。一方面，當(dāng)剪切應(yīng)力超過(guò)柱或墻體的材料強(qiáng)度時(shí)，會(huì)使柱或墻體表面產(chǎn)生開(kāi)裂、剝離、柱腳破碎等情況，當(dāng)其表面粘貼或干掛裝飾面層時(shí)，也會(huì)造成飾面層開(kāi)裂或脫落，如圖5、圖6所示。另一方面，如相連部位土體上部有硬覆蓋物，由于剪切應(yīng)力的影響，更易造成硬覆蓋物的結(jié)構(gòu)破壞，如圖7所示。

圖7 柱根部地面破壞

圖8 臺(tái)階破壞

2.4 室外臺(tái)階或承臺(tái)類(lèi)結(jié)構(gòu)破壞

一般室外臺(tái)階或承臺(tái)類(lèi)構(gòu)筑物主要由混凝土或磚、石砌筑，其基礎(chǔ)埋深一般均在凍土層以下，其結(jié)構(gòu)不會(huì)在冬季產(chǎn)生較大豎向變形。而與此類(lèi)結(jié)構(gòu)相連的部位為土體或普通硬覆蓋時(shí)，在冬季相連部位基土就會(huì)凍脹向上隆起。如不采取有效隔離措施，土體隆起會(huì)對(duì)臺(tái)階或承臺(tái)類(lèi)構(gòu)筑物根部直接造成剪切影響，造成構(gòu)筑物表面開(kāi)裂或裝飾層脫落、開(kāi)裂，影響了美觀與使用功能，如圖8所示。

2.5 散水破壞

散水受凍脹應(yīng)力破壞與散水下部土體狀況、散水及與其接觸結(jié)構(gòu)間的構(gòu)造措施等有較大關(guān)系，散水受溫度應(yīng)力破壞大致有以下幾種情形：

①回填土回填施工質(zhì)量不合格，回填時(shí)基底未清理干凈或者沒(méi)有分層夯實(shí)或者夯實(shí)次數(shù)較少，使土體不均勻；回填土土質(zhì)不符合要求。

②散水與主體結(jié)構(gòu)間未設(shè)置沉降縫，散水下部土體凍脹發(fā)生時(shí)，其與主體結(jié)構(gòu)間變形不同，相互作用造成散水或主體結(jié)構(gòu)表面破壞。

③伸縮縫沒(méi)有填充或者填充材料選擇不當(dāng)。會(huì)造成雨水的下滲，使散水下部土體含水率過(guò)高，造成冬季凍脹溫度應(yīng)力過(guò)大，散水被土體向上拱起，當(dāng)變形不均勻時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生散水開(kāi)裂、錯(cuò)層等現(xiàn)象，如圖 9所示。

圖9 散水破壞

圖10 橋梁接頭破壞

2.6 橋梁與路面接頭部位破壞

冬季路面下部的膨脹土受凍膨脹，路面會(huì)向上拱起，由于橋梁基礎(chǔ)埋在凍層以下，故不會(huì)因氣溫變化產(chǎn)生明顯沉降情況，此時(shí)橋梁與路面的接觸部位就會(huì)出現(xiàn)高差，如果此處未設(shè)置結(jié)構(gòu)沉降變形縫，將會(huì)造成破壞，此類(lèi)破壞在嚴(yán)寒地區(qū)比較普遍，如圖10所示。

3 凍脹溫度應(yīng)力結(jié)構(gòu)通病的防治

上述集中接地部位的凍脹溫度應(yīng)力破壞形式，在嚴(yán)寒地區(qū)是非常普遍的，對(duì)建筑或構(gòu)筑物的外觀及使用功能影響較大。對(duì)這些破壞的防治，應(yīng)堅(jiān)持以防為主，要從設(shè)計(jì)與施工兩個(gè)方面進(jìn)行預(yù)防，從根本上消除問(wèn)題產(chǎn)生的根源

3.1 路邊石外傾的防治

針對(duì)路邊石的破壞，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可采用在路邊石內(nèi)側(cè)與基土接觸部位填充深與路邊石高度相同、寬100mm的粗砂帶的方法予以解決。此方法主要基于粗砂屬可壓縮變形的材料，能通過(guò)自身變形化解膨脹土產(chǎn)生的變形，化解其膨脹變形對(duì)路邊石造成的水平推力。

3.2 擋土墻破壞的防治

在設(shè)計(jì)與施工時(shí)，應(yīng)考慮如何減少水平及豎向凍脹應(yīng)力的不利影響。當(dāng)擋土墻抵抗水平方向變形能力較弱時(shí)，可采取在擋土墻土體一側(cè)的一定范圍內(nèi)（應(yīng)根據(jù)土體體積、土體含水率等情況綜合考慮確定），選擇透水性較好的材料（如粗砂、爐渣）進(jìn)行回填，化解土體水平方向凍脹變形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；當(dāng)擋土墻抵抗水平方向變形能力較強(qiáng)時(shí)，可在靠擋土墻內(nèi)側(cè)、在凍土層深度內(nèi)，采用敷設(shè)擠塑板方式，減少豎向土體凍脹應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響。

3.3 柱或墻體根部破壞的防治

對(duì)于柱或墻體根部的飾面層，施工時(shí)裝飾層底邊應(yīng)距地面抬高20～30mm，并用耐候膠填縫，防止土體隆起撞擊飾面層，對(duì)飾面層造成剪切破壞。

為減少柱或墻體表面及與之接觸的土體或硬覆蓋之間因凍脹應(yīng)力引起的相互作用，可在地平面以下延伸到凍土層深度，在柱周邊或墻體外表面采用粘貼擠塑板（或木板條）的方式，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的分離，此方式將大大減輕相互作用，有效防止破壞發(fā)生。

3.4 臺(tái)階或承臺(tái)類(lèi)結(jié)構(gòu)破壞的防治

從設(shè)計(jì)方面，依照規(guī)范規(guī)定對(duì)未配筋的混凝土構(gòu)件，應(yīng)設(shè)變形縫，間距不宜超過(guò)10m，最好4～6m,為避免凍脹應(yīng)力產(chǎn)生，應(yīng)盡可能使基礎(chǔ)埋深超過(guò)凍土層深度。

臺(tái)階或承臺(tái)類(lèi)結(jié)構(gòu)，其周邊與土體接觸部位，宜在凍土層深度范圍內(nèi)設(shè)置擠塑板（或木板條）進(jìn)行結(jié)構(gòu)分割；如該類(lèi)結(jié)構(gòu)內(nèi)部需進(jìn)行回填，應(yīng)采用粗砂或者爐渣灰，防止用凍脹土或者含泥量較高的砂子進(jìn)行回填。

對(duì)粘貼石材或瓷磚進(jìn)行飾面的臺(tái)階或承臺(tái)類(lèi)結(jié)構(gòu)，飾面層底邊應(yīng)自周邊土層上表面向上抬高20～30mm，并用耐候膠填縫，防止土體隆起撞擊飾面層造成破壞。

3.5 關(guān)于散水破壞的防治

施工時(shí)散水下部回填土應(yīng)分層夯實(shí)，要根據(jù)土質(zhì)情況確定每層具體鋪設(shè)厚度，夯實(shí)后土體密實(shí)度不能小于0.9；回填土上表面的雜物要清理干凈，要對(duì)散水基層上表面進(jìn)行平整化處理；在施工過(guò)程中要安排好施工順序，應(yīng)先做墻體勒腳、后做散水，散水和建筑物墻體之間要設(shè)置沉降縫，沉降縫應(yīng)采用柔性防水材料填充。

在沿散水長(zhǎng)度方向和拐角處，應(yīng)設(shè)置伸縮縫，伸縮縫間距不能超過(guò)10m，縫寬20mm，伸縮縫可采用木條或擠塑板預(yù)留，上表面采用瀝青、耐候膠等柔性防水材料封堵。

3.6 關(guān)于橋梁與路面接頭部位破壞

設(shè)計(jì)時(shí)，在接頭部位應(yīng)設(shè)置結(jié)構(gòu)沉降變形縫，既要考慮水平方向溫度應(yīng)力產(chǎn)生的變形影響，也應(yīng)考慮由于凍脹引起的豎向方向的沉降變形影響，其變形縫處一般可采用橡膠類(lèi)材料填充，路面層結(jié)構(gòu)不得粘連；也可設(shè)置專(zhuān)用防溫度應(yīng)力變形的裝置，要通過(guò)構(gòu)造措施消除凍脹溫度應(yīng)力造成的破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

嚴(yán)寒地區(qū)由于凍脹引起的溫度應(yīng)力對(duì)建筑或構(gòu)筑物接地部位的影響范圍是非常廣泛的，其危害是不容忽視的。只有做到設(shè)計(jì)方面注重細(xì)節(jié)、構(gòu)造措施合理，施工方面措施得當(dāng)、流程合理，施工質(zhì)量可靠，才會(huì)從根本上避免凍脹溫度應(yīng)力造成的不利影響，實(shí)現(xiàn)建筑或構(gòu)筑物外觀以及結(jié)構(gòu)安全，滿(mǎn)足使用安全性及耐久性要求。