寒期湖岸曲墻凍脹規律解析

孫洪偉，張　華，沙　勇

(長春工程學院土木工程學院，長春130012)

?

寒期湖岸曲墻凍脹規律解析

孫洪偉，張華，沙勇

(長春工程學院土木工程學院，長春130012)

摘要：湖岸曲線形擋土墻為“曲墻”。據原位觀測采集的長春雕塑公園中心湖岸曲墻的水平凍脹位移數據，繪制了位移曲線，分析了不同凸曲形狀曲墻水平凍脹位移規律和“凍害”程度。

關鍵詞：曲墻；凍脹水平位移；凍縮水平位移；“凍害”程度

0前言

基于兩個寒期原位觀測采集的長春雕塑公園中心湖岸曲墻的水平凍脹位移數據，建立凍脹位移與時間和寒期溫度二者間的關系，繪出曲墻的水平凍脹位移曲線。分析位移狀態，揭示曲墻凸曲方向不同所發生的不同凍脹位移規律。發現向湖內凸曲的曲墻發生“正位移”，即出現凍脹水平位移，且位移增大快，曲墻“凍害”較重；

向湖外凸曲的曲墻產生“負

位移”，即出現“凍縮”水平位移，曲墻“凍害”輕微[1]。

1湖岸曲墻的凍脹(縮)水平位移數據

長春雕塑公園中心湖環湖曲墻總長2 km。曲墻依湖岸自然地勢修建。其凍脹位移的觀測選用鋼尺精密量距法[1]，據測量時氣溫，已對尺量數據溫度修正，保證推算的凍脹水平位移數據真實、可靠。原位測量采集并修正后的凍脹水平位移數據見表1～2。

表1　雕塑公園湖岸曲墻實測凍脹、凍縮水平位移值　mm

表2　雕塑公園湖岸曲墻實測凍脹、凍縮水平位移值　mm

注： 1)“Li”代表在曲墻上設置的凍脹水平位移觀測點的編號；每一編號右側的水平欄內是曲墻上某觀測點在寒期的不同觀測日測得的水平凍脹位移。 2)表中為實測曲墻水平凍脹位移數據。其中正值位移是曲墻產生向湖內方向的凍脹水平位移，負值位移是和凍脹水平位移方向相反，是向岸邊方向的凍縮水平位移。3)5月16日位移測量數據與5月5日測量數據相同，故未例。

2湖岸曲墻凍脹水平位移規律研究

2.1湖岸曲墻“凍脹”水平位移特征曲線

據表1～2數據繪制的長春雕塑公園中心湖岸曲墻2寒期的“凍脹”水平位移特征曲線、同期的氣溫變化曲線如圖1～2所示。

(a)曲墻水平凍脹位移曲線

(b)同期氣溫曲線

(a)曲墻水平凍脹位移曲線

(b)同期氣溫曲線

注：同期氣溫變化曲線是根據長春氣象臺天氣預報的日最高氣溫和最低氣溫繪制的，單位為°C。

2.2湖岸曲墻凍脹水平位移規律分析

觀察曲墻的凍脹位移曲線：顯現凍脹土推動湖岸曲墻產生了“正位移”和“負位移”。如圖1～2所示。研究發現：圖中的“正位移”是內凸曲墻(如圖3所示的向湖內凸曲的曲墻[1])產生的向湖內的凍脹水平位移；“負位移”是外凸曲墻(如圖4所示的向湖外凸曲的曲墻)發生的凍縮水平位移，即外凸曲墻產生了向湖岸方向的位移,和凍脹水平位移方向相反。凍脹位移曲線反映出在寒期不同溫度時段，內、外凸曲墻的位移大小和狀態是不同的。

圖3　內凸曲墻　　　　　　　　　　　　　　　　 圖4　外凸曲墻

注：σ1：墻背凍土層產生的水平凍脹應力；σ2：冰凍結對曲墻產生的水平凍脹應力。

2.2.1內凸曲墻凍脹位移規律分析

第2寒期圖2(a)中的上曲線組為內凸曲墻凍脹水平位移曲線組，總體呈“駝峰型”變化，顯現隨氣溫升降多時段的變化規律。對應寒期的持續負溫、正負溫波動、正溫波動各時段，內凸曲墻的凍脹水平位移相應經歷了增大—減小—基本恒定的3時段變化。

1)持續負溫時段——氣溫在負溫下的持續波動階段，為長春地區每年的11月至次年的2月中下旬或更晚一些。此時段中內凸曲墻的凍脹水平位移增大快，位移曲線陡峭上升，平均位移速度在0.38～0.55 mm/d之間，位移的平均值在35～55 mm之間，最大凍脹水平位移發生在該時段的末期，即次年的2月下旬左右，最大凍脹水平位移可達69～71 mm。

該時段內，內凸曲墻背土凍深不斷加厚，不斷加大的水平凍脹應力持續推動曲墻，使墻體水平位移繼續加大。持續負溫的末期，氣溫不再下降，凍土層增厚緩慢并接近終止，凍脹水平位移接近最大值后不再增大。最大凍脹水平位移發生在持續負溫時段向正負溫波動時段的過渡期，即每年的2月下旬左右，如圖1和圖2中的(a)圖所示。

另一因素是在持續負溫的末期，負溫下的氣溫波動頻繁，引起凍土層熱脹冷縮，頻繁熱脹發生的凍脹力推動墻體也額外增大了凍脹水平位移。

研究發現，此時段內凸曲墻的凍脹水平位移及引起“凍害”[2]破壞程度遠超過其他墻型，與外凸曲墻相比，產生的凍脹水平位移是后者凍縮位移的2.4倍，比后者大130%，凍脹水平位移引起的傾斜、裂縫甚至局部坍塌等“凍害”破壞相對嚴重。原因是內凸曲墻背土凍結產生的水平凍脹應力σ1作用于曲墻的內拱一側，處于最不利的“拱內受壓”[3]狀態，承載力低，在凍土大凍脹應力的推動下[4]，必然會產生向湖內一側較大的水平位移，并發展較快。位移曲線陡峭上升也證實了這一點。另外，墻前湖冰層產生的凍脹應力σ2的反方向作用，將加劇內凸曲墻的傾斜和扭轉，嚴重時出現裂縫及坍塌等“凍害”破壞。

2)正負溫波動時段——是從持續負溫時段末期至正溫時段初的氣溫區間，即長春地區的2月下旬至3月下旬之間。該時段內氣溫在正負溫間波動，且中后期白天出現正溫的頻率增多。如圖1～2顯示，正負溫波動時段，內凸曲墻的凍脹水平位移曲線逐漸下降，凍脹水平位移逐漸減小。

此時段位移減小的因素有兩方面[1-2]：其一，氣溫的正負溫波動使內凸曲墻背的凍土層產生頻繁的熱脹冷縮而開裂，另外，空氣干燥也促使凍土層產生干縮裂縫，裂縫的產生在一定程度上消減了作用在內凸曲墻上的凍脹應力，使得墻體回彈，凍脹水平位移減小；其二，正負溫波動時段的中后期，頻繁的正溫出現，內凸曲墻后凍土層由淺入深逐漸融化，凍土對墻體的凍脹力逐漸減弱，墻體在自身的整體彈性作用下逐漸產生彈性恢復，這也會使凍脹水平位移逐漸減小。內凸曲墻的凍脹水平位移減小是以上兩種因素同時作用的結果，減小的速度在0.33～0.66 mm/d之間。

3)正溫波動時段——該時段氣溫在正溫內波動，即長春地區每年的3月下旬至5月中下旬，時段內氣溫在正溫內持續波動上升。對應此時段的位移曲線呈接近直線平緩下降，下降幅度很小，說明該時段內凸曲墻背凍土層在正溫下融化接近完成，土的凍脹應力消失，墻體的彈性回復也接近終止，表現出凍脹水平位移減小的速度減緩。如：此時段的位移減小的速度為0.116～0.315 mm/d，僅為正低溫波動時段的1/3～1/2。剩余的位移為內凸曲墻經歷一個寒期的水平凍脹位移的殘余量，為最終凍脹水平位移值。內凸曲墻過大的凍脹水平位移是引起墻體傾斜、裂縫、坍塌等“凍害”破壞的根源。

2.2.2湖岸外凸曲墻凍縮水平位移規律分析

第2寒期圖2(a)中的下曲線組為外凸曲墻凍縮位移曲線組，曲線總體呈下凹小幅度“負增長”趨勢，并接近線性發展，并顯現凍縮位移對氣溫變化不太敏感。原因是外凸曲墻合理的受力特性限制了凍脹位移的發生。如圖4所示，外凸曲墻在平面上相當于“拱”，且拱外側承受土層水平凍脹應力σ1的壓力作用，即外凸曲墻類似“正拱受力”[3]狀態。“正拱受力”具有承載力大的特點，自然對凍土水平凍脹應力的抵抗作用大。正拱與凍土水平凍脹應力相持階段，有蠕變特性的凍土會產生應力重分而對正拱的壓力減弱，而寒期溫度波動引起的正拱(外凸曲墻)熱脹推動壓力減弱的凍土產生了向岸邊的位移——即以上提及的外凸曲墻的凍縮位移。隨正拱熱脹對凍土的壓應力的持續增大，凍土逐漸被壓實，耐壓能力增強，正拱(外凸曲墻)熱脹受阻使得凍縮位移速度逐漸減小直至終止。表現出外凸曲墻產生的向岸邊的凍縮位移發展到一定程度后終止。綜上，外凸曲墻非但沒有產生向湖內的位移，卻產生了向岸邊的位移，由于岸邊土層的支撐，墻體產生傾斜破壞等“凍害”的隱患降低。觀測證實：實際外凸曲墻遠比內凸曲墻產生的“凍害”輕微。這是外凸曲墻“正拱受力”特征決定的。

3結語

湖岸曲墻的凍脹規律和機理綜述：

1)對應寒期的持續負溫時段、正負溫波動時段、正溫波動時段內凸曲墻的凍脹水平位移呈3時段變化規律。持續負溫時段是內凸曲墻的凍脹水平位移的“增長期”。持續負溫使墻背土層不斷凍結增厚，水平凍脹應力持續增長，推動內凸曲墻使凍脹水平位移快速加大，凍脹水平位移曲線陡峭上升印證了這一點；正負溫波動時段是內凸曲墻的凍脹水平位移“回落期”。正負溫波動引起墻背凍土層熱脹冷縮和空氣干燥引起的土層開裂，使得凍脹力得到部分消減，內凸曲墻回彈凍脹水平位移減小。表現為此時段的凍脹水平位移曲線下降；正溫波動時段，凍土層接近完全融化，作用于內凸曲墻背的凍脹應力消失，凍脹水平位移趨于恒定。

內凸曲墻產生的傾斜、裂縫、坍塌等“凍害”嚴重[1-2]，原因是其“拱內受力”產生的凍脹水平位移過大所致，應盡量避免建造此種墻型。

2)外凸曲墻的凍縮水平位移與寒期氣溫的相關性不強，是因其墻體“正拱受力”有較大的抗力而限制了位移的發展。表現其位移曲線趨于線性平緩下降，凍縮位移不大。此類墻型的“凍害”輕微，是較理想的抗凍墻型。

參考文獻

[1] 孫洪偉，王德軍，曲祖光，等.人工湖岸擋土墻“凍害”與防治措施研究[J].長春工程學院學報：自然科學版,2009(1)：7-13.

[2] 孫洪偉.寒區湖岸工程“凍害”治理技術研發[J].長春工程學院學報：自然科學版，2015(2)：8-10.

[3] 包士華.結構力學(上冊)[M].武漢：武漢大學出版社,2000：51-58.

[4] 陳尚柏，王雅清.土的凍結作用與地基[M].北京：科學出版社，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

文獻標志碼：A

文章編號：1009-8984(2016)01-0005-05

中圖分類號：TU445

作者簡介：孫洪偉(1963-)，男(漢)，吉林永吉，高級工程師，副教授

基金項目：吉林省教育廳資助項目(吉教科合字第227號)

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術及教學。