凍脹性破壞對水工建筑的影響

【摘要】 凍脹性破壞的會減少水工建筑物及構筑物的使用壽命，使其面臨極大的安全隱患，因此需要對水工建筑的凍脹破壞性進行綜合的治理。本文首先對凍脹土進行闡述，然后分析了凍脹土對建筑及構筑物的影響，最后根據多年施工經驗，提出了預防水工建筑產生凍脹性破壞的有效措施

【關鍵詞】 凍脹性破壞；水工構筑物； 土層凍脹性

一、產生凍脹土的機理及影響因素

1.1 產生凍脹土的機理

在寒冷地區，當溫度等于或低于0℃時，含在土壤空隙中的水會結成冰，使土體積產生膨脹；當氣溫升高，冰融化后體積縮小而下沉，由于融化、凍脹深淺不一，導致水工建筑物及構筑物不均勻下沉，從而出現裂縫、傾斜甚至倒塌的現象。對于經常發生季節性凍脹的土地來說，該地區已經經過了多次的凍融循環，因此當地的土孔隙比相對來說是比較大的，而土層在凍結期面臨的一個主要問題就是不均勻的凍脹，所以在凍結期的土層表面形成的是一種凹凸不平的曲面，這種曲面的存在，使得部分位置因凹凸不平而形成了孔縫，因此形成了凍土的負壓區。由于負壓區的存在，使得更多的水分遷移到該部位，這些水分結冰之后形成了冰夾層，非凍結地區的水分會隨著這些力量向已經發生凍結的地區進行遷移，因而使得凍結土層的含水量越來越多，土地凍結的面積也越來越大，并且冰夾層的存在使得該部位的體積增大并膨脹了9%，進而出現了凍土層的內壓力，這種對基礎擠壓和抬起的能力就是人們常說的凍脹力。嚴重凍脹，會使地表出現凍脹丘、隆崗和冰凍裂縫等。

1.2 產生凍脹土的影響因素

土在凍結狀態時，有較高的承載力和較小的壓縮性，甚至無壓縮性，但凍融后承載力大大減弱，壓縮性增高，產生大量融沉，對地基的穩定性影響很大，常造成建筑物裂縫、傾斜、倒塌。凍脹性破壞出現的原因不僅與當地的土質類型有關，還與當地的水質和溫度有關，影響土凍脹的主要因素包括：

1.2.1 水的因素

土層在發生季節性凍脹的過程中，土層中的含水量和是否有外部水源補給都會影響其產生凍脹的程度，因此，在研究水工構筑物的凍脹性破壞時，還要注意研究當地土層的含水量及地質情況。

1.2.2 土體的類型

在嚴寒季節，不同的土體類型的凍脹程度是不同的，土顆粒愈粗，含水量愈小，凍脹融沉就愈?。ㄈ缟邦愅粱静粌雒洠?，反之就愈大如粉砂粘性土）。一般來說，細粒土的脹程度是比較嚴重的，粘土、粉質亞粘土、粉質亞砂土以及含較多細顆粒的土體，由于自身的特點，使得凍脹時吸收的水分更加多，結果導致這幾類土體的凍脹量是最大的。

1.2.3 環境溫度

如果當地的負溫總量大，那么對土層的凍結深度就會越來越大，進而導致土層的凍脹總量也隨之增加，這就是環境對土層凍脹性的影響。

二、凍脹性破壞對水工建筑及構筑物的影響

水工建筑物的基礎形式及基礎在凍土中的位置不同，所受到的凍脹力也往往不同，基礎建筑物及構造物受到的凍脹力可能是單一的，也可能是綜合的。水工建筑發生凍脹性破壞最直接受到影響的就是水工混凝土，造成水工建筑出現安全隱患，凍脹性對水工建筑的影響主要表現在以下幾個方面：

2.1 對混凝土的影響

水泥中不同礦物成份和水泥的品種對混凝土的耐久性都有較大的影響，所以土層的凍脹性會對水泥中的成分產生影響，那么就會對混凝土造成一定的影響；

2.2 對外加劑的影響

在水工混凝土中加入適當的外加劑，以改善凍脹性破壞對建筑物及構筑物的影響，即在混凝土施工中摻加減水劑或引氣劑可以對混凝土的內部結構產生改變，進而對混凝土凍脹的作用產生改變，這種一般都用來提高混凝土的抗凍性，以便大大降低混凝土的凍脹應力；

2.3 對混凝土施工過程的影響

配合比、硬化條件等都會與凍脹性的影響產生關系，要注意施工工藝的選擇與土層凍脹性的關系，進而注意對水工建筑物的影響。

2.4 對水工建筑材料的影響

最直接的就是要注意在水工建筑的施工中要盡量選擇耐凍的建筑材料，盡可能的弱化季節性凍脹破壞對水工建筑物及構筑物的影響。

三、預防水工建筑凍脹性破壞的措施

3.1 排水措施

地基宜選在干燥較平綏的高階地上，或地下水位低、土凍脹性較小的建筑場地上。盡量避開地下水發育地段（如有地面水流、地形低、易積水處）?；A宜深埋于季節影響層以下的永凍土或不凍脹土層上。水是凍脹禍根，又是融化熱源，在施工和使用期間應做好建筑物及構筑物的散水、排水、截水設施，防止雨水、地表水、生產廢水和生活污水侵入基礎。在周圍設置暗溝，以排走地表水和潛水流，避免基礎堵水而造成凍結。

3.2 保溫措施

保溫措施是利用保溫材料或利用水層改變負氣溫與土體的熱交換條件，減少土的凍結深度或改變基土或回填土溫度場的形狀，從而達到削減或消除土體凍脹的方法。近年來，在季節性凍土區開始大量應用聚苯乙烯硬質泡沫板做的保溫材料，造價低節省排水費用，施工簡便、安凈可靠，防凍效果好。在基礎底板面鋪一層硬質泡沫塑料，當土層凍深為1.5米時，在地表鋪上一層10厘米厚的泡沫，可保證其下部土層不發生凍結。

3.3 防止水工建筑物及構筑物混凝土凍脹性的破壞

對于混凝土的凍脹性防護要做到事先預防、事中治理。所以在混凝土施工過程中必須根據情況的不同，選擇含有礦物成份不同與性能不同的外加劑、骨料、水泥，從材料方面來保證混凝土耐久性能，打好混凝土凍脹性破壞的預防工作。之后如果發生了混凝土的凍脹性破壞也要做好處理的準備，即利用水泥砂漿的修補方式可以用于混凝土的輕微表層破壞的修補；利用預縮砂漿修補的方式處理高速水流區混凝土表面的損壞；而對于混凝土冰凍破壞化較為嚴重的部位可以采用噴漿的方法進行最大程度的修補。

3.4 凍脹性地基改良措施

地基土質是決定地基凍脹敏感性的內部因素，而水分溫度和壓力條件則是決定地基凍脹敏感程度的外部因素。影響凍脹敏感性土質條件主要包括地基土的物理化學成分、土的顆粒組成和土的密度。當地或附近有較豐富和適宜的非凍脹性土時，可采用換填措施，將凍層內凍脹土的部分或全部置換成非凍脹士，其置換比應視土質和地下水埋深而定。土質為砂壤土、壤土、輕黏土、地水深大于凍深加臨界深度時，應置換凍深的40%～70%，地下水埋深小于凍深加上臨界深度時，應置換凍深的50%～80%，甚至全部置換材料下應鋪一層防滲膜料，將含水量小的土壓實并包裹起來，使之與外部水隔開，阻止上部水向凍結鋒面遷移，防止地基地凍脹。

3.4 其他措施

對冬期開挖的工程，要隨挖、隨砌，隨回填土，冬季地基不能交付正常使用的工程，應對地基采取相應的過冬保溫措施。

四、結語

總之，對于水工建筑物及構筑物凍脹性破壞的防護要根據水工建筑所處的不同環境、不同位置以及凍脹性破壞的不同程度來選擇合適的治理方法與防治措施，要進行有效的防治，綜合治理，防患于未然。應根據工程地點的氣象資料、工程地質和凍土基本資料，并結合建筑規模、建筑材料及同類建筑抗冰凍經驗，靈活運用抗冰凍機理，選擇一種或幾種抗冰凍措施，即保證水工建筑物及構筑物在冰凍環境下安全運行，又要經濟合理。只有這樣，才能在最大程度上解決水工建筑的凍脹性危害。

參考文獻

[1]魏劍波.水工建筑物的凍脹破壞和防治措施[J].黑龍江科技信息，2007，11：206.

[2]魏希寶.水工建筑物抗冰凍的有效措施[J].黑龍江水利科技，2012，03：395-396.

作者介紹：姚震，1987年10月，男，大學本科，助理工程師，從事市政工程施工技術方向