寒区湖岸工程“冻害”治理技术研发

寒区湖岸工程“冻害”治理技术研发

主要研究土木工程施工技术及教学。

孙洪伟，窦立军，张利，沙勇

(长春工程学院木工程学院，长春130012)

摘要：设计各类湖岸工程“冻害”治理技术，结合各技术的防冻构造解析防冻机理。提出“隔断”和“疏导”冻胀应力的“冻害”治理理念。

关键词：技术设计；隔断；疏导；治理冻害

0引言

多年对湖岸挡土墙、船台等典型湖岸工程冻态的研究试验表明：寒期冰土循环冻胀作用使湖岸工程呈现特有的冻胀变形(位移)规律[1]。变形到一定度，会产生轻重不同的冻害[2-3]。如：湖岸挡土墙在背部冻土推动下产生水平位移，导致墙体产生倾斜、裂缝乃至坍塌破坏；近水船台基础桩受桩侧冰冻土产生的向上的切向冻胀应力托举而产生“冻拔”位移，位移过大或各桩位移不同步时即会产生“台岸错动”和“台板拉裂”等变形破坏。究其原因，均属水土冻胀引起的“冻害”。据调查：仅长春地区的公园湖岸工程在寿命期内处理冻害的费用损失就超过1 000万元；东北、华北等寒区同类损失近30亿元。足见，研发有效的治理技术，延长湖岸工程使用寿命，预防或消除“冻害”，是现实而紧迫的。

1湖岸挡土墙“冻害”治理技术设计

1.1“隔离层”技术设计

隔离层技术如图1所示。技术原理是在湖岸挡土墙背加一定厚度的柔性材料，隔绝墙背冻土层水平冻胀应力对墙背的直接推动作用，土的冻胀位移由隔离层的柔性收缩变形缓解吸收。“隔离层”技术适用于已建石砌体挡土墙的冻害治理，项目组在长春雕塑公园湖岸挡土墙冻害治理试验效果表明[2]：加设隔离层的挡土墙因隔离层受压后的柔性收缩，吸收了土冻胀应力产生的冻胀位移，隔断土水平冻胀应力[4]σ1对挡土墙的直接作用，观测得到的水平冻胀位移比未加设隔离层的挡土墙减小51%，倾斜、裂缝等冻害破坏不再继续发展，墙体外观质量完好。而未加设隔离层的挡土墙冻害发展严重。可见，隔离层为冻土水平冻胀应力的直接受力体，隔断了冻土对挡土墙的冻胀作用，实现了“隔”的设计理念，抑制“冻害”效果明显。另外，渗排水管构造设计及时将墙背土层多余水分排出，降低了土的含水率，使土的冻胀性降低，减小了土原生水平冻胀应力，降低了土对隔离层的冻胀作用。体现了“疏导”的设计理念。

图1　挡土墙“隔离层”冻害治理技术

1.2“平衡墙”技术设计

所谓的“平衡墙”技术的设计创意是：将湖岸地坪设计成缓坡，挡土墙做成外露矮墙。墙埋深穿越地区年冻土深度，即穿越冻土层，如图2所示。其防冻胀设计原理是平衡抗力的力学原理，即利用墙前后的缓坡地坪面下的冻土层厚接近相等，在墙的两侧产生接近相等的水平冻胀应力，即σ=σ′，墙体在两侧大小相等、方向相反的水平冻胀应力的作用下保持平衡直立，换言之，即利用了相反方向冻土的等值水平冻胀应力的相持，使墙体平衡。显见，墙体处于双侧受压状态。这就要求墙体材料具有持久的高耐压强度，具有长期抗冻性，也要具有抵御寒暑周期温度变形的性能。本设计墙体选用高耐压抗冻C30级防冻混凝土材料，内配钢筋网抵抗温度变形[5]。延墙长向每隔9 m设伸缩缝，增强墙体温度变形性能。采用穿墙向湖内倾斜的渗排水管排出墙背土层中的自由水，降低墙背土层含水率，减弱土的冻胀性。

概言之，“平衡墙”技术的着眼点是在不破坏湖区整体环境的前提下，将湖边地势设计成缓坡面，建造耐压矮墙创造平衡力条件。在墙体材料的抗冻和抗压性能长效耐久的条件下实现对冻害的预防。

“平衡墙”防冻设计技术在长春雕塑公园中心湖挡土墙改造中应用，经历了5个寒期，监测未发生混凝土墙体倾斜、裂缝等冻害破坏。另外，矮墙上应加装护栏保障游人安全。

图2　“平衡墙”冻害治理技术

1.3综合治理技术设计

综合治理技术处于技术设计阶段，如图2所示。应用方向着眼于湖岸高石砌体挡土墙。设计意图是在湖岸挡土墙后地面和墙背进行保温绝热设计，保护墙背土层在寒期长期不受冻，不产生冻胀应力，以从根本上消除冻害。地坪下水平保温层铺设宽度为1.2倍的地区年冻土深度，墙背垂直保温层铺设高度应穿越地区冻土深度，沿墙全高铺设，保温材料拟设苯板，如图3所示。苯板各面封闭包贴卷材防水层保护苯板不吸水，以长期稳定苯板的保温绝热效能。墙前接触湖水一侧同样设置有包贴防水层的苯板隔离层，用无公害胶粘剂粘贴于墙面，以缓解寒期湖冰冻层产生的水平冻胀应力[4]σ2对挡土墙的直接作用。隔离层靠湖水一侧堆砂石支撑固化，以防夏季水流冲击引起墙前隔离层脱落而失去作用。同前，在挡土墙背土层设置渗排水管，排除墙背土层中的自由水，保持土层低含水率以降低土层的冻胀性。

可见，综合治理技术的设计路线突出在长效保温防冻、缓解冻胀、排水降低土冻胀性等几个方面采取有针对性的综合技术措施，从各引起挡土墙冻害的因素着手解决冻害，探索隔断、疏导、减缓冻胀应力的办法。

图3　挡土墙“综合”冻害治理技术

2湖岸船台“冻害”治理技术设计

2.1刚性“套筒”隔离技术设计

船台基础桩冻拔引起台岸错动影响使用功能。若同一船台的各基础桩冻拔位移不同会引起船台板变形破坏[6]。以上形态的破坏是湖岸水边船台的常见冻害破坏形式。其原因是寒期桩侧冰、土冻胀产生的向上的切向冻胀应力τ、τ′直接作用于基础桩产生向上的推力，使船台和基础桩整体发生向上的位移而表现出上拔，即“冻拔”[6]。如图4所示，刚性“套筒”防冻拔技术的设计构造是：在船台基础桩侧加设钢筋混凝土预制圆形套筒护住基础桩，套筒长度应穿过地区年冻土层，上部高出湖水面。防冻原理是套筒隔开冰层和冻土层对基础桩直接作用，使冰层和冻土层产生向上的切向冻胀应力τ、τ′作用到刚性套筒上，即切向冻胀应力对基础桩的作用被套筒“隔断”，作用到桩上的切向冻胀应力被“消除”。刚性套筒底部需做防水处理，在套筒内填干砂石等弱冻胀材料。实验研究表明：套筒内的砂石即使含一定量的水，寒期冻结时产生的向上的切向冻胀应力也是很微弱的，不足以向上推动基础桩发生冻拔位移。因为套筒内有限空间的砂石冻胀水平较低。

刚性套筒隔离技术在长春南湖公园的船台桩基础上进行了实验应用。3个寒期的现场原位观测证实，加设刚性套筒的船台基础桩产生的冻拔位移极小，且在正位移和负位移之间波动，位移测量值在-1～3 mm之间。说明船台几乎无冻拔，微小的正负位移是钢筋混凝土船台板随寒期气温变化热胀冷缩产生的[3]。经观察得到，船台无错台和船台板裂缝等冻害产生，冻害得到有效控制。相反，没加设套筒的同类船台产生的冻拔位移较大，实测值在5～30 mm之间，产生了台岸错动和船台板裂缝等冻害。实验对比印证了刚性套筒隔离技术对防治冻拔引发的冻害是有效的。套筒技术实现了隔断和疏导切向冻胀应力的作用。船台基础桩不受冰和冻土的冻胀应力作用，自然就不会产生冻拔危害。

图4　船台基础桩“刚性套筒”冻害治理技术

2.2柔性“套筒”隔离技术设计

柔性“套筒”隔离技术目前处于技术设计阶段。如图5所示，该技术的做法是在船台基础桩穿越冰和冻土层的桩段上缠绕柔性防水卷材，形成柔性卷材“套筒”。柔性卷材“套筒”隔开冰和冻土与基础桩之间的直接接触。卷材的低部和基础桩间用无害黏接材料可靠黏接。上部卷材和基础桩表面不黏接，使卷材可沿桩竖向自由伸展。首选耐久性强、耐冻性好、延伸率大的防水卷材。其防冻机理是：冰土产生的向上的切向冻胀应力直接作用到卷材套筒上，推动卷材向上自由拉伸，卷材阻隔桩不受力，就不会产生冻拔。同刚性套筒技术原理类似，柔性套筒技术也实现了“隔断”和“疏导”切向冻胀应力的作用。

3结语

在寒冷地区，露天的湖岸工程诸如挡土墙和船台处于寒冷的低温环境，更要承受寒暑交替的冻融变化。不同时期的水环境和变化的气温环境使这些湖岸工程在不同的季节处于迥异的应力场[1-3]，特别突出的是冰和冻土的冻胀应力作用只在寒期出现，类似可变应力具有继阵周期性，且作用强度巨大。而这些湖岸工程为实现挡土或支撑的维护功能，处于原始的不对称受力状态。如：湖岸挡土墙要长期承受墙背变化的主动土压力的作用，较大埋深的船台基础桩要长期承载荷重相对较小的船台。这种原始的受力状态在变化的外荷载，如冰和土的冻胀应力的不利作用下，会加剧结构性破坏，即出现冻害破坏。笔者多年研究思考治理此类冻害的解决办法，把最终研发的技术关键放在隔离、疏导冻胀应力方面。文中所述的采取柔性隔离层“隔断”水平冻胀应力对挡土墙背的直接作用，是使柔性隔离层直接吸收冰和冻土的冻胀应力和产生的冻胀变形(位移)，成为主要的受力载体和媒介，即原作用在挡土墙上的冻胀应力被“疏导”给隔离层，使冻胀应力对挡土墙的影响降到最低，以遏制“冻害”。船台基础桩的刚柔性套筒的防冻设计原理亦如此。以上的防冻害技术经部分工程实验已显现出有效性。

图5　船台基础桩“柔性套筒”冻害治理技术

参考文献

[1] 孙洪伟.基于湖岸露基船台冻拔实验研究[J].长春工程学院学报(自然科学版)，2015(1)：1-7.

[2] 孙洪伟，王德君，曲祖光，等.人工湖岸挡土墙“冻害”与防治措施研究[J].长春工程学院学报(自然科学版)，2009(1)：7-13.

[3] 孙洪伟，曲祖光，王德君，等.人工湖岸船台桩基础“冻拔”防治措施的提出和实验[J].长春工程学院学报(自然科学版)，2008(1)：4-7.

[4] 陈尚柏，王雅清.土的冻结作用与地基[M].北京：科学出版社，2006：442-456.

[5] 张自荣，秦力.混凝土结构基本原理[M].北京：科学出版社，2015：117-115.

[6] 孙洪伟.季节性冻土地区人工湖岸桩基础“冻拔”现象的观测[J].长春工程学院学报(自然科学版)，2007(4)：1-4.

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.02.003

收稿日期：2015-06-10

基金项目：吉林省教育厅资助项目(吉教科合字第227号)

作者简介：孙洪伟(1963-)，男(汉)，吉林永吉，副教授，高级工程师

中图分类号：P642.14

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2015)02-0008-03

The research and development on “Freezing Injury”
treatment technology to lakeshore engineering in cold regions

SUN Hong-wei，et al.

(SchoolofCivilEngineering，ChangchunInstituteofTechnolog，Changchun130012，China)

Abstract：In this article，all kinds of designs related to “freezing injury” treatment technology to lakeshore engineering have been indicated，combing with each kind of antifreeze construction analysis and antifreeze mechanism.It puts forward a “freezing injury” treatment technology by “partition” and “diversion” frost heavy stress.

Key words：technology design；partition；diversion；freeze injury treatment