水工建筑物凍害應(yīng)對技術(shù)分析

任兵

摘 要：塔里木河流域的巴音郭楞地區(qū)位于新疆東南部，地形復(fù)雜，冬季寒冷，為多年凍土地區(qū)。在水利工程實施之前需要分析凍土質(zhì)地，保護(hù)凍土，同時還要預(yù)防凍害可能會對建筑物造成的不利影響。本文以巴音郭楞地區(qū)為例，簡述高寒地區(qū)水工建筑物在防治凍害的過程中所采取的措施。本文首先對導(dǎo)致凍害的原因作出簡述，其次分析建筑物的設(shè)計環(huán)節(jié)與施工環(huán)節(jié)中可以采取的防凍措施，提升水工建筑物的工程質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：水工建筑;凍害預(yù)防;措施

中圖分類號：TV698.2+6 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1006—7973（2021）02-0145-03

水工建筑物的凍害現(xiàn)象又被稱為凍脹破壞，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的時候，將會在不同程度上對建筑物產(chǎn)生損害，造成建筑物質(zhì)量水平下降，甚至埋下安全隱患。凍害的產(chǎn)生大多與氣候條件、水分、土質(zhì)以及外載負(fù)荷等外部環(huán)境因素有關(guān)。在建筑物結(jié)構(gòu)中的混凝土和細(xì)粒土空隙中留有水分，當(dāng)溫度下降到0℃以下之后，就會導(dǎo)致建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)靜冰壓力和凍脹現(xiàn)象。就塔里木河流域巴音郭楞地區(qū)而言，該地區(qū)冬季寒冷，容易形成凍土，所以深入研究該地區(qū)的水工建筑物凍害情況尤為重要。

1形成水工建筑物凍害的原因

1.1土體凍脹

隨著氣溫的降低，土體之中的水遇冷以后會凍結(jié)成冰，從而產(chǎn)生膠結(jié)力，進(jìn)而使得建筑物與凍土兩者之間相互粘合。當(dāng)土體之中的水被凍結(jié)成冰以后，其體積將會膨脹，當(dāng)這些膨脹導(dǎo)致土體發(fā)生顆粒位移的時候，又會造成土體體積膨脹。水工建筑物基礎(chǔ)不僅是承載體，而且一定程度上會約束土體凍脹，使得凍封不會對土體基礎(chǔ)形成凍脹力[1]。水工建筑物在受到過大的凍脹力作用的時候，將會因為超出位移量和變形量而出現(xiàn)穩(wěn)定性喪失的情況。

1.2冰荷載作用

在冬季氣溫較低的時候，地表水將會出現(xiàn)不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象，冰層的厚度因為溫度的不同而存在差異。當(dāng)封凍和解凍的時候，水工建筑物將會受到動冰壓力和靜冰壓力的影響，產(chǎn)生一定的損壞，特別是對河流護(hù)岸工程以及水庫護(hù)坡產(chǎn)生嚴(yán)重影響[2]。

1.3地基土融沉

在凍脹地基的凍結(jié)過程中，會形成冰增值層和冰晶體，使原有的地基土結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。隨著氣溫逐漸回升，地基受到荷載的影響而出現(xiàn)沉降。在地基凍脹的時候，其內(nèi)部的含水量將會大幅度提升，在融化的過程中這些多余的水分將會降低地基承載能力，使得地基的應(yīng)變關(guān)系和應(yīng)力等，都悄然發(fā)生變化[3]。所以，地基土融沉將會使得水工建筑物的某些地方出現(xiàn)不均勻的沉降現(xiàn)象。倘若沉降量超出水工建筑物所能夠承受的變形量時，就會破壞建筑物。

2確定抗凍脹設(shè)計基本參數(shù)

2.1 確定凍深的方法

在計算水工建筑物施工地點位置的標(biāo)準(zhǔn)凍深時，所依據(jù)的公式如下：

（1）

式中：α所表示的含義為系數(shù)，文中α的取值為2.74+0.00074I0。I0所表示的含義為凍結(jié)指數(shù)的多年平均值，其單位為（°Cd）。I0沒有系列資料的時候，可以參照以下公式完成對該值的確定：

（2）

在公式（2）中，D為計算地點北緯度值。

在對水工建筑物施工地點位置的設(shè)計凍深Hd進(jìn)行計算的時候，可以按照以下公式進(jìn)行：

（3）

在公式（3）中，kp所表示的含義為頻率模比系數(shù)，所面對的對象是三級以及以下等級的建筑物。當(dāng)H0不低于100cm的時候，此時頻率模比系數(shù)為1.15。kz所表示的含義為地下水修正系數(shù)，kd所表示的含義為日照和遮陰修正系數(shù)，其取值范圍為0.65到1.5。

砂土地基的地下水修正系數(shù)取值為1.0，在明確粘土地基值時，按照以下公式進(jìn)行：

（4）

在公式（4）中，z所表示的含義為動前地下水位，在進(jìn)行計算的時候，需要按照穩(wěn)定凍結(jié)期開始之前的10天平均值或者是多年時間內(nèi)的平均值實施計算。倘若是z≯0的時候，此時z的取值0。

在計算建筑物基礎(chǔ)之下的凍深H'd，需要按照以下公式展開：

（5）

在公式（5）中，所表示的含義為地基與基礎(chǔ)的導(dǎo)熱系數(shù)，就混凝土基礎(chǔ)的取值而言，max=0.7。d所表示的含義為建筑工程的基礎(chǔ)厚度，單位表示為cm。

2.2 地基土的凍脹性工程分類與凍脹力取值

3 預(yù)防水工建筑物凍害策略

在設(shè)計防凍害工程的時候，首先要確保設(shè)計的結(jié)果可以達(dá)到設(shè)計的要求，其次是要對施工建筑物在凍土環(huán)境之下的穩(wěn)定性情況進(jìn)行計算和檢驗，并且要充分明確建筑物的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和基礎(chǔ)位移量，從而選擇合理的防凍技術(shù)。在設(shè)計防凍害工程之前，還需要對工程地域的地下水情況和土質(zhì)情況展開深層次的分析與研究，對塔里木河流域巴音郭楞地區(qū)的氣溫變化幅度、降雪情況、凍脹情況等作出勘測與分析，確保基礎(chǔ)埋置深度的合理性，盡可能地將結(jié)構(gòu)的平面尺寸降低，從而保證結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間能夠形成緊密的聯(lián)系。選擇大剛度的材料，可以與不均勻的凍脹能力強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抵抗[4]。除了在設(shè)計的時候選擇使用一般的方法之外，還需要保證建筑物的強(qiáng)度、剛度、防滲以及穩(wěn)定性等能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)要求。除此之外，還應(yīng)當(dāng)檢驗作為外荷載的各種凍脹力，完成校對核證，提升建筑物的穩(wěn)定性、強(qiáng)度以及變形能力。倘若無法滿足上述要求，那么應(yīng)對其抗凍能力展開綜合考量。

3.1 擋土墻的抗凍害設(shè)計

對不能滿足抵抗凍脹要求的擋土墻而言，無論是在單獨使用或者是綜合使用的過程當(dāng)中，都要對其進(jìn)行全面提升。在應(yīng)用當(dāng)中提升擋土墻的抗凍脹能力，首先要選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，以保證擋土墻能夠適應(yīng)凍脹環(huán)境，提升變形能力。可以優(yōu)先選擇懸臂式擋土墻，盡可能地使用擴(kuò)大式條形基礎(chǔ)作為擋土墻的基礎(chǔ)設(shè)施。在埋深墻體底板的時候，必須要與設(shè)計的凍深相符合[5]。其次，要將擋土墻后的土體凍脹進(jìn)行削減和消除，將排水孔安裝設(shè)計在擋土墻的位置，保證擋土墻迎土面的光滑平整，在達(dá)到滲徑要求的前提之下，在擋土墻的后部位置完成回填土施工。施工時所使用的方法可以為非凍脹性土置換，也可以選擇使用聚苯乙烯泡沫板或者是取水措施進(jìn)行保溫。

3.2 板型基礎(chǔ)抗凍害設(shè)計

當(dāng)板型基礎(chǔ)已經(jīng)不能夠與抗凍脹要求相符合時，可以選擇使用抗凍脹結(jié)構(gòu)措施或者是相關(guān)的工程措施。在設(shè)計抗凍脹工程的時候，應(yīng)該首先對其結(jié)構(gòu)措施展開考慮，例如錨固底板、枕梁橋、一次閘、反拱底板、篩網(wǎng)消能工等。只有在條件不能夠達(dá)到要求或者是選擇的結(jié)構(gòu)措施缺乏經(jīng)濟(jì)性和合理性的時候，才可以選擇使用抗凍脹工程措施。其工程措施主要有以下幾種，第一種是置換法。通過使用非凍脹性土完成地基土的置換。第二種是隔層封閉法。通過使用土工模將地基土進(jìn)行分層包裹并將其封閉。第三種是強(qiáng)夯法或者壓實法，對地基進(jìn)行壓密處理。第四種可以選擇使用保溫措施。第五種是排水法。需要對工程設(shè)置排水措施，例如反濾、暗管和盲井等等[6]。

3.3 設(shè)計樁墩等基礎(chǔ)設(shè)施

倘若樁墩類的基礎(chǔ)設(shè)施不能夠與凍脹力作用之下的抗凍拔要求相符合，那么此時則可以選擇使用抗凍結(jié)構(gòu)措施以及抗凍工程措施。防止樁基凍拔的結(jié)構(gòu)措施主要有提升裝機(jī)埋入土層的深度以及增加錨固基礎(chǔ)兩種。提升裝機(jī)埋入土層深度的措施通過利用融土的摩阻力得以實現(xiàn)。增加錨固基礎(chǔ)是指通過使用凍脹返力，克服切向凍脹力，從而切實保證樁墩的穩(wěn)定性[7]。擴(kuò)大式樁基形式擁有很多種，常見的有錨固環(huán)式基礎(chǔ)、爆擴(kuò)樁基礎(chǔ)以及錨固底梁基礎(chǔ)。在施工的過程當(dāng)中，因為受到施工條件和地基條件的限制，當(dāng)承載力條件達(dá)到要求的時候，擴(kuò)大錨板直徑和增加基礎(chǔ)深埋時存在困難，這時可以選擇使用削減切向凍脹力工程措施解決。例如在深層范圍之內(nèi)的基礎(chǔ)表面位置進(jìn)行涂層處理、雙層油套管處理以及外包薄膜處理等等。

4結(jié)語

本文以塔里木河流域巴音郭楞地區(qū)為例，展開對于水工建筑物凍害應(yīng)對技術(shù)的分析。首先總結(jié)了導(dǎo)致水工建筑物發(fā)生凍害的原因，從土體凍脹、受冰害作用影響以及地基土融沉三個角度進(jìn)行了分析。其次，闡釋了在設(shè)計水工建筑物時要確定的基本參數(shù)，保證建筑物本身有一定抗凍害能力。最后探究了預(yù)防水工建筑物凍害的工程措施，從擋土墻設(shè)計、板型基礎(chǔ)設(shè)計以及樁端基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計三個角度展開。通過運(yùn)用已有的條件和措施，靈活性地強(qiáng)化水工建筑物對抗凍害的能力，最終達(dá)到理想的防凍害效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 呂長霖.一維凍結(jié)條件下土體凍脹與基礎(chǔ)水平凍脹力試驗研究[D].2018.

[2] 林賜權(quán).護(hù)岸形式選擇在中小河流整治工程中的探討[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2018（22）：4624.

[3] 尹利強(qiáng)，王元戰(zhàn).考慮固結(jié)過程的軟土地基承載力數(shù)值分析[J].水道港口，2018（04）：477-482.

[4] 張家濱，唐催，王磊，等.基于頻率變化率的結(jié)構(gòu)剛度非均勻退化識別[J].振動，測試與診斷， 2018（03）：92-93.

[5] 曹明，馬曉明.懸臂式排樁擋土墻在某市政道路中的應(yīng)用[J].黑龍江交通科技，2020（04）：6-7.

[6] 石鋒.研究水工建筑工程的施工排水方法[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2020（10）：79-80.

[7] 肖旻，王正中，劉銓鴻，等.考慮凍土雙向凍脹與襯砌板凍縮的大型渠道凍脹力學(xué)模型[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018（08）：108-116.