水工擋土墻防凍害設計方法分析

龔偉福 寧夏寧西供水有限公司

在寒冷的氣候中，墻壁固定物后面的部分或全部填充物在冬天會凍結，而凍結的土壤會在墻壁上產生一種霜凍力，通常稱為水平凍脹力。因為固定地面區域的擋土墻設計主要基于非固定地面理論，因此計算出的地面壓力與凍結期間的實際應力狀態不符。凍結損壞會損壞在地面凍結區域中維護的墻壁。凍結破壞可分為一般穩定性破壞和局部強度破壞。

一、擋土墻產生凍害的原因

（一）溫度的原因

北部的冬季溫度通常較低，通常低于冰點。某些地區的最低溫度范圍為零下30℃至零下45℃。在冬季，土壤很容易結冰，第二年春季所有土壤都融化。這種類型的土壤層每年會在冷凍和解凍之間交替進行，稱為定期冷凍土壤。以東北地區為例。其年度凍結天數約為120至150天，凍結土地深度約為1.10m至1.85m。這是陸地上常見的季節性冰凍地區。溫度因素及其影響在這一領域尤為重要。

（二）水分的原因

在冬季，寒冷導致溫度下降，擋土墻后的地下水位升高，或者地下水幾乎不蒸發，并且地下水在下方形成冰晶，從而擴大了土壤的體積并凍結了土壤。引起冬季負溫度條件。

（三）土地質量的原因

影響霜凍隆起的主要因素是土壤質量，由霜凍隆起引起的破壞程度與顆粒成分中淤泥和粘土的含量具有恒定的相關性。實驗發現了中等粗砂、卵石和礫石等基本上不產生凍脹現象。在建造水工建筑物之前的過程中，當地的土壤條件導致土墻維護后的大部分回填土壤為易凍脹性土，很少換填非凍脹性土，導致墻壁維護中發生凍脹損壞。

二、擋土墻在水平凍脹力作用下的裂縫類型

（一）水平裂紋

在水平霜凍力的作用下，如果墻面維護的原始設計部分不滿足強度要求，則剪切力會沿墻長引起水平裂縫。

（二）長壁的垂直裂縫

在寒冷的氣候中，較長的支撐墻和有限的末端經常會導致墻中央出現垂直裂縫。這是因為壁的保持器在縱向的中心具有較大的自由度，并且由于水平凍結力的作用而增加了向前的傾斜度和在水平方向上的位移，因此縱向的中心的彎曲率也較大，并且彎曲在最大彎矩處形成垂直裂紋。

（三）斜裂紋

將擋土墻基礎放置在固定層上通常會由于冰層的上升和基礎的融化而導致垂直方向的固位，從而導致斜裂縫。

（四）拐角處裂縫

支撐壁在拐角處沿三個方向凍結。也就是說，冷空氣從填充表面和兩壁滲入壁后的土壤，深深地凍結了角落處的地面。這比其他部分要大，所以有兩個主要方向。角壁的水平霜凍力被水平凍結力抑制，使得水平凍結力增加。此外，由于應力趨向于集中在拐角處，因此在拐角的壁上容易出現裂紋。

三、擋土墻防凍害設計的原則

（1）在通常情況下，沒有必要僅使用結構性措施來防止經濟上不合理的霜凍損害。目前，國內外關于水平霜凍力的研究資料不足，難以準確計算凍脹力。

（2）擋土墻維護的設計方法要在技術上可靠，便于施工，并通過比較不同的設計方法來確定。

（3）擋土墻的防凍設計應結合工程等級、工程結構、高度和擋土墻的局部回填價格，綜合采用兩種以上的防凍設計方法。

四、擋土墻防凍害的途徑

有兩種主要方法可以防止壁損壞凍結。

（1）弱化和消除霜凍破壞的原因，以達到防止霜凍破壞的目的。

（2）增加壁截面，以在水平冰凍力下達到安全和強度要求。

（一）消除因凍結造成的霜凍損害

（1）墻后回填非凍脹性土

在墻壁后的土壤中回填粗砂、礫石、卵石和巖石。如果細顆粒的含量小于14%，則可以認為是非凍脹土。在墻后的不同類型土壤上回填可以減少或消除水平凍結力的擴展。

（2）保溫法

保溫法可以削弱或去除支撐壁。通常，泡沫保溫板通常水平放置在墻的背面，因為墻頂部的固位物在兩個方向上都被凍結。對于重力式擋土墻，其后壁的總傾斜比為0.4到0.7。由頂部填充物凍結引起的水平凍結力接近于小壁后面的垂直懸臂式擋土墻，因此后壁可能被單向保溫材料覆蓋[1]。

（3）隔水排水法

這種方法可減少后墻填充物的含水量和墻后的地下水位。這是防止霜凍損壞擋土墻的最有效方法之一。在水力建筑中，墻面維護后的排水裝置必須滿足側面后方的要求。假定它們滿足并排防護的要求，則應盡可能設置墻后排水。隔水排水法是在維護墻壁時防止霜凍損壞的經濟有效方法。該方法可以與回填結合使用。該措施防止了密封土壤的水含量上升，并防止了外部水的補充，從而防止了凍脹作用的產生。

（二）將水平凍脹力作為一種荷載

在設計擋土墻時，水平霜凍力被視為外部載荷，并且在計算過程中會與其他載荷結合，因此擋土墻設計部分如下所示：不同的載荷組合可以滿足穩定性和強度要求[2]。

（1）選擇水平凍脹力的標準值

由于復雜的影響因素和廣泛的變化，需要在不同的邊界條件下進行大量實驗。

（2）水平凍脹力分布的標準形式

凍脹的水平力不應采用單一的分布形式。它受后壁填充物的含水量、壁厚以及冷凍土壤的深度和壁高的影響。根據測試得知，需要至少指定兩種常見的典型分布形式。

（3）霜凍深度與壁高之比對水平霜凍力的大小和分布的影響

由于霜凍深度與壁高的比是影響水平霜凍力的大小和分布的主要因素，因此各種霜凍深度和壁高比例應根據實驗進一步研究。

（三）綜合法

以消除凍因法為主，而增強結構的方法是補充方法。用除霜因子法很難完全消除水平除霜力，而使用簡單的結構步驟通常會導致過多的水平力凍結，造成大量浪費。當前，我們建議使用非凍脹土回填或者聚乙烯泡沫保溫法，以在一定程度上減小凍脹力，進而設計擋土墻的結構[3]。

五、結束語

當前，還沒有完整的理論來解決計算冬季擋土墻后面的水平霜凍力的問題。因為固定地面區域的擋土墻設計主要基于非凍土理論，所以計算出的地面壓力與凍結過程中的實際應力狀態不符。這是凍土地區擋土墻凍損的主要原因。