季节性冻土的冻胀力及水工建筑物防冻害措施

齐方业，杜彩霞

（铁力市水务局，黑龙江铁力 152500）

黑龙江省在一些季节性冻土区修建了不少水工建筑物，它们均程度不同地受到地基土的冻胀作用。尽管设计中对建筑物采取了一些防治措施和有些建筑物还是遭受不同程度的破坏，文章阐述了季节性冻土的冻胀力以及对水工建筑物的破坏和防治措施，通过改变地基土质，水分迁移等条件和设计合理的基础形式，用以消除或削弱冻胀力，适应地基土的冻胀性，以达到减少基础工程造价和免除冻害的目的。

随着水利建设事业的发展，我省在季节性冻土区修建了大量的水工建筑物，它们均程度不同地受到地基土的冻胀作用，为防止冻胀破坏，建筑物的基础埋深要超过冻深，因此基础厚度要达到1.5～2.0 m，甚至有的达到2.5 m以上，基础工程的工程量占整个工程量的1/3～1/2，工程越小相对比重越大，有的甚至达到60%以上，这样大的工程量不仅给施工带来许多困难，而且使季节冻土地区的水工建筑物的投资较大。尽管如此，由于建筑物没能采取适宜的防治措施和正确的设计方案还是使建筑物遭受不同程度的破坏，因此本文初步讨论季节性冻土的冻胀力以及对水工建筑物的破坏和防治措施，通过改变地基土质，水分迁移等条件和设计合理的基础形式，用以消除或削弱冻胀力，适应地基土的冻胀性，以达到减少基础工程造价和免除冻害的目的。

1 冻胀力的形成

影响土的冻胀因素很多，主要是水、土、温、压因素。其中水、土是主要因素。土的冻胀是由于土体中含水量超过起始冻胀含水量，在负温下孔隙水部分冻结，对土骨架将产生挤压力。如果未冻水没有向外排泄条件，土开始冻胀。但如果能将其余未冻水挤走，以上体积增量将由孔隙中剩余空间所容纳，土体也不会产生冻胀。如果冻胀过程中有外水补给发生了强烈的水分迁移，生成大量的冰夹层，将产生强烈的冻胀。经观测：冰夹层的厚度大致等于冻胀量。沿冻深分步的冰夹层基本上代表了冻胀量沿冻深的分步情况。上层土的冻夹层厚而稀，而下层土的冰夹层薄而密。冻土层结构示意见图1。

图1 冻土层结构示意图

土壤粒径、级配及温度变化，外水补给，外荷载的大小等都直接影响冻胀的程度。当土粒的粒径为0.05-0.002 mm，土中水分迁移剧烈，土的冻胀量比较大，这种土的吸引水分能力强。土体中水分的迁移是靠结晶力、吸附力、毛细力、温度差和表面能差产生薄膜水移动，其中冰结晶力、毛细力和表面能差是水分迁移的主要动力。

土体冻结时，冻结面附着土颗粒的水膜被冰晶体吸薄，为了维持颗粒表面能的平衡，其他土颗粒的水膜向较薄的颗粒表面移动，为达能量的平衡，不断的移动，不断的冻结，放出潜热结晶成冰。

季节性冻土地区经过多次冻融循环，土的孔隙比是比较大的，冻结期土经过不均匀的冻胀，冻结面是一个凹凸不平的曲面，在冻层由于冻胀而上抬的过程中凹面处形成孔缝，造成负压区，迁移的水聚集到此而结晶成冰夹层。这种冰夹层体积膨胀9%，产生了内压力，这种对基础挤压和抬起的能力称之谓冻胀力。

封闭式和开敞式冻胀的区别：

封闭式冻胀在没有外水补给的条件下，土体中原驻水引起的冻胀为封闭式冻胀，当土体中原驻水小于起始冻胀含水量（黏土W0=13.0）冻结时不但没有冻胀，反而产生冻缩。表现地面出现下降，体积缩小。当土体中原驻水大于起始冻胀含水量W0时，在没有外水补给的条件下，虽然产生冻胀，但冻胀量不大。

开敞式冻胀是除土体中有原驻水外，更主要是有外水补给，源源不断地迁移来的水聚集在冻结面处，放出潜热结晶成冰夹层，经观测冰夹层厚度约1～3 cm。产生冻胀力，严重的破坏水工建筑物。

这里应该指出：粗颗粒土（中粗砂、砾石）含粉量（土粒径d＜0.05 mm）小于12%时，即使处于饱和水状态，但由于表面能小，土的颗粒导热系数大于水，在冻结过程中先形成冰晶体、孔隙冰，不发生水份迁移，冻胀量很小。且有切断地下水转移的效果，这就是在实践上采用基础换砂砾石防冻害的依据，但必须有排水出路。

地下水位的高低是土冻胀强弱的重要因素，冻前地下水位高，水分向冻结面迁移的距离短，水份迁移的快，冻胀量就大。地下水位低，水分向冻结面迁移的距离长，水分迁移的慢，冻胀量就小，经实践证明，地下水位在冻结前根据不同土质低于冻结锋面的最小距离时，土体有轻微的冻胀或不冻胀见表1。根据这个依据，设计水工建筑物基础前要先对地下水位进行测量，确定基础埋深。

表1 不同土质低于冻结锋面的最小距离一览表

而不考虑此条件一律深基础是一个很大的浪费。例如1975年设计的东方红水库灌区一、三支渠进水闸，地下水位低于渠底2.0 m，故采用浅基底板厚0.7 m，下部换1.07 m砂砾石，经运行21 a的观测没有发生冻害。

此外土的级配密度对冻胀性的影响也不可忽视。因密度大小直接影响孔隙水含量，影响水分迁移。当土的密度＞1.6 g/cm3时地基土不会产生显著冻胀。因此，采用提高土体密度的压实措施，可以防止地基冻胀。

2 基础冻胀的受力分析

冻结过程中，产生等温面，等温面基本上平行于基础面如图2。

图2 基础冻胀示意图

2.1 基底法向冻胀力和对建筑物的破坏型式

基底受冻胀时等温面基本上平行于基底，而产生的法向冻胀力是垂直于等温面的，即垂直于基底。在不均匀的法向冻胀力的作用下，外荷载强度小于基底法向冻胀力的强度时，建筑物就会整体上抬。或者在法向冻胀力作用下，基础底板中间产生负弯矩M，当超过极限值时基础开始裂纹。在春季地基融沉时，由于基础周围边界条件的影响，基础底板靠自重不能与融化的地基土同步下沉、复位，造成下渗流量大，冲刷地基，危害建筑物的安全，这是某些中小型水闸失事的一个重要原因。为了防止上述破坏，在修长富电站时在设计上采用了倒置盒式的基础，增大了基底的刚度，下部换砂砾石。据30 a来的观测没有发生抬起和断裂，防止了冻胀。

涵洞工程的基底法向冻胀力的分布是进出口两端大而中间小，因进出口段直接与外界进行热交换，有较大的冻深。如果不注意这种特点将会造成翼墙断裂、管节错位和脱节等现象，使工程遭到破坏。例如东方红水库灌区公路涵进出口已经抬高20 cm，严重影响过水流量。另外由于负温入侵洞内，使管壁附近产生冰夹层，特别当左右夯实土不好的情况下，冰夹层尤多，融化时形成空洞，放水后淘空土体而使涵洞破坏。这种破坏为冻融破坏。1976年设计的7512工程和八连等地的几处涵洞的基础底板都利用了法向冻胀力分布的特点，进出口段采用深基础而中间是薄底板，据30多年来的观测效果较好。

2.2 基侧法向冻胀力及对建筑物破坏型式

基侧法向冻胀力是垂直于等温面的，以挡土墙为例，墙后的土体冻胀属于双向冻结，垂直于地面的冻胀力只能抬高墙后土体，对墙无害，但垂直墙的法向冻胀力是直接造成挡土墙断裂、位移等主要因素。特别是翼墙拐角处，应力集中的原故，破坏更为严重。

2.3 冻切力及对建筑物的破坏

基础的冻切力是作用在基础侧表面的，而平行于侧表面，最大冻切力值分布在总冻深的60%以上。当地基土冻结时，产生一种胶结力，将土与基础侧表面牢固地胶结在一起，形成冻结力，当土体冻胀产生相对位移沿基础表面产生一个方向向上的力，即冻拔力。使桩柱基础逐年上拔，造成桥梁的破坏。

3 水工建筑物的冻害防治措施

由于水工建筑物的地下水位一般都比较高，而设计抗冻强度比较低，型式复杂，工程位置不能任意改变。因此防治比较困难。目前防治基础冻害有两类措施：①结构措施，即增强建筑物的强度和刚度以抵抗各种冻胀力的破坏作用;②改变地基土的土、水、温状态，改变其冻胀性，以减少或消除各种冻胀力对建筑物的作用。

3.1 结构措施

1）倒置盒形及箱格形基础板，一般作用于浅基础板上的法向冻胀力很大，为增加底板抗变形能力，增加刚度，做成倒置盒型基础，并在其底部换砂砾石，右图为长富电站基础板的结构形式，用浆砌石制作的底板中间换砂，经过30多年的运用，经检查没有发生冻胀破坏。如在底部用沥清或塑料膜隔水，效果会更好。详见图3。

图3 倒置盒形及箱格形基础板示意图

2）与爆破桩相结合的板型基础。此法是用桩或柱的扩大基础来减小基底法向冻胀力。

3）深基础法。此法需将基础每处都置于最大冻深以下，基础厚度几乎等于最大冻深，此法不经济，造价高。

4）柱结构采用扩底桩法或扩大式基础，甚至可以采用锚固底梁法，但都要在冻深以下。

3.2 变地基土的土、水、温度状态

1）换填砂砾（卵石）料，包括基础换砂和回填砂砾料，必须有排水设施能够排走砂砾料中的水。也可改用沥青砂卵石，并夯实。

2）排水设施：无论冻胀性强的黏土还是冻胀性弱的砂砾料，设置排水后均会显著降低冻胀力。

3）保温措施：保温措施是通过减轻寒冷因素的办法削减冻胀力。

以上是自己在工作实践中的一点体会，有不当之处请予以指正。