水工建筑物抗凍技術(shù)論文

1、凍脹土對(duì)土石壩的破壞及防治措施序號(hào)： 20 姓名： 黃睿 學(xué)號(hào)： 20093661 班級(jí)： 水工09級(jí) 凍脹土對(duì)土石壩的破壞及防治措施摘要：本文主要介紹了凍脹土的分類，各種凍深的計(jì)算方法，凍脹力的計(jì)算方法，土石壩坡的破壞形式及抗凍措施。關(guān)鍵詞：凍脹土；凍脹力；抗凍措施。1 凍脹土的特性與凍脹力1.1 凍脹土的特性1.1.1 有關(guān)凍土的幾個(gè)基本概念在對(duì)凍脹土進(jìn)行敘述之前，必須對(duì)一些基本概念進(jìn)行定義。凍土：具有負(fù)溫及冰膠質(zhì)的松散固體顆粒的土。寒土：服務(wù)為度但不存在冰膠質(zhì)的土。凍融土：冬季凍結(jié)春夏融化的土。溫度高于土中水的凍結(jié)溫度的土稱為未凍土。凍結(jié)：含有水的土體，當(dāng)溫度降低到凍結(jié)溫度以下時(shí)，土中的

2、孔隙水便會(huì)凍結(jié)成冰。1.1.2 凍土的分類凍土按時(shí)間分為多年凍土，季節(jié)凍土和暫時(shí)凍土。多年凍土（permafrost），又稱永久凍土，指的是持續(xù)三年或三年以上的凍結(jié)不融的土層。其表層冬凍夏融，稱季節(jié)融化層。多年凍土層頂面距地表的深度，稱凍土上限，是多年凍土地區(qū)道路設(shè)計(jì)的重要數(shù)據(jù)。多年凍土分為兩層：上部是夏融冬凍的活動(dòng)層；下部是終年不融的多年凍結(jié)層。多年凍土是寒冷氣候（年均氣溫<-2）區(qū)的產(chǎn)物。季節(jié)凍土（seasonally frozen ground ），地表層冬季凍結(jié)、夏季全部融化的土（巖）。 包括季節(jié)凍結(jié)層和季節(jié)融化層（也稱活動(dòng)層）。1.1.3 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)凍深氣象臺(tái)站觀測(cè)地表土層多年的

3、凍土平均值，觀測(cè)數(shù)據(jù)不少于10年，這個(gè)值稱為標(biāo)準(zhǔn)凍深。按氣象臺(tái)觀測(cè)每年日平均氣溫計(jì)算，自日平均氣溫出現(xiàn)的日期開始至平均氣溫為正溫時(shí)止，在此期間氣溫的代數(shù)和即為凍結(jié)指數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)凍深的特性：1.無(wú)遮擋平地上2.不存在地下水影響3.地表無(wú)積雪4.地面不脹不縮。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)凍深的計(jì)算通常用下式：H0=I0=2.84e1.92I0×10-4其中式中H0 工程地點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)凍深（cm）；I0- 凍結(jié)指數(shù)的多年平均值（c·d）；- 系數(shù)。1.1.4 工程設(shè)計(jì)凍深工程設(shè)計(jì)凍深指計(jì)算地點(diǎn)凍結(jié)深度的設(shè)計(jì)取值。通常通過下列公式來計(jì)算工程設(shè)計(jì)凍深。Hd=KpKdKzH0其中式中H0 工程地點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)凍深（cm

4、）；Hd- 工程地點(diǎn)的工程設(shè)計(jì)凍深（cm）；Kp- 頻率模比系數(shù)；Kz- 地下水修正系數(shù)，地下水對(duì)凍結(jié)區(qū)的水分補(bǔ)給及凍深發(fā)展起阻滯作用，地下水位越高作用越大；Kd- 日照及遮陽(yáng)程度修正系數(shù)，向陽(yáng)面取0.651.0，底面取1.01.2，遮陽(yáng)面（陰面）取1.21.5，維度35°50°逐漸取大。1.1.5 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)凍深基礎(chǔ)設(shè)計(jì)凍深指計(jì)算點(diǎn)基礎(chǔ)外露面算起的凍深。通常通過下列公式來計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)計(jì)凍深。Hd=HdKad-1.67a其中式中Hd 工程地點(diǎn)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)凍深（cm）；Hd- 工程地點(diǎn)的工程設(shè)計(jì)凍深（cm）；Ka- 襯砌材質(zhì)修正系數(shù)，鋼筋混凝土取0.35，漿砌石取0.3，干砌石取0

5、.25；d-襯砌厚（cm）；a-冰厚（cm）。1.1.6 殘留凍土厚度通常通過下列公式來殘留凍土厚度。Cd=Hd-d其中式中Cd 工程地點(diǎn)的殘留凍土厚度（cm）；Hd 工程地點(diǎn)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)凍深（cm）；d-襯砌厚（cm）。1.1.7 土的凍脹的定義及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算土在凍結(jié)過程中，土中的水凍結(jié)成冰，其體積產(chǎn)生膨脹引起土顆粒間的相對(duì)位移，外觀表現(xiàn)為地面的不均勻升高，這種現(xiàn)象稱為土的凍脹。土體凍結(jié)時(shí)引起地表的總上升值即土在凍結(jié)錢原土在高度上的向相比增量值稱為凍脹量。用h表示。h=H2-H1其中H2、 H1指天然凍土脹后地面高程及凍前地面高程。凍脹強(qiáng)度的計(jì)算按下式：f=hzf×100%zf=h

6、f+h其中式中zf 最大凍土層厚度（cm）；hf凍深（cm）。凍脹率的計(jì)算按下式：=hhf×100%=f1+f×100%f=1+×100%不均勻凍脹率系數(shù)按下式計(jì)算：KF=hL×100%=h2-h1L×100%1.1.8 影響土體凍脹的主要因素1.土質(zhì)：a.土顆粒越小凍脹越大，表面積越大，與水相應(yīng)作用的能量越高。非凍脹土：粗顆粒土中小于0.05mm的土粒占總重量的6%以下。根據(jù)土顆粒大小各類凍脹性土體凍脹性排列：粉質(zhì)土、亞砂土>亞粘土>粘土>礫石土>粗砂>砂礫石。b礦物成分對(duì)粘性土凍脹影響：?jiǎn)钨|(zhì)粘性土凍脹土強(qiáng)弱：高

7、嶺石>水云母>蒙脫石。c.密度：當(dāng)土的密度大于1.6g/cm³以上時(shí)，土基不會(huì)產(chǎn)生凍脹。2.水分：起始凍脹含水量：土中含水量超過一定的界限才產(chǎn)生凍脹，這個(gè)界限叫起始凍脹含水量與塑性含水呈線性關(guān)系。安全凍脹含水量：土體凍脹系數(shù)小于或等于1%時(shí)，這個(gè)界限的含水量叫安全凍脹含水量。封閉系統(tǒng)：在沒有外來水補(bǔ)給的條件下，土的凍脹主要取決于土體中保持水量，特別是凍結(jié)錢土壤含水量。開敞體系：在有外來水補(bǔ)給條件下，凍脹土中的水的增加，主要取決于外界遷移的水。3.土體溫度對(duì)凍脹的影響：負(fù)溫是必要條件，土體凍脹停止溫度：亞粘土：-10-8，亞砂土：-5-3，砂土：-2。4.荷載對(duì)土體凍脹的影

8、響：荷載大，凍脹性能小，當(dāng)土體外部荷載增加時(shí)會(huì)對(duì)土體凍脹產(chǎn)生顯著的抑制作用。終斷壓力：土體凍脹停止時(shí)的荷載。按下式計(jì)算：fp=KpfKp=e-1.5p其中式中fp 在荷載作用下土基土的平均凍脹強(qiáng)度（%）；f土基土自然條件下的平均凍脹強(qiáng)度（%）；Kp 折算系數(shù)；p構(gòu)造物的荷載強(qiáng)度（102KPa）。1.1.9凍脹土分類凍脹土分類表判定標(biāo)準(zhǔn)凍脹量2cm（2，5（5，12（12，2222cm1.2 凍脹力1.2.1 凍脹力的定義及分類由于土體的冰脹，其體積膨脹表現(xiàn)為沿著熱流向或垂直等溫面的位移變形，當(dāng)這種變形受的約束和基礎(chǔ)間產(chǎn)生大小相等方向相反的作用，這種基土對(duì)約束體的作用稱凍脹力。凍脹力分切向凍脹力

9、，法向凍脹力，凍脹反力。1.2.2 切向凍脹力凍土作用于基礎(chǔ)側(cè)表面的“上拔力”稱為切向凍脹力。產(chǎn)生切向凍脹力的原因：水凍結(jié)成冰，使土與基礎(chǔ)凍結(jié)一起，當(dāng)?shù)鼗軆雒浵蛏衔灰茣r(shí)，地基土帶著基礎(chǔ)向上移動(dòng)這樣形成“上拔”作用。土體與基礎(chǔ)牢固地膠結(jié)在一起的膠結(jié)力稱土與基礎(chǔ)材料間的凍結(jié)強(qiáng)度叫凍結(jié)力。樁基不“上拔”條件如下：P+G+fA1>A2其中式中G （樁重）基礎(chǔ)自重（KN）；P 作用于基礎(chǔ)上的外荷載（KN）；f基礎(chǔ)與未凍土間的摩擦系數(shù)（KPa）；A1 非凍土層內(nèi)基礎(chǔ)側(cè)表面面積（）；A2凍土層內(nèi)基礎(chǔ)側(cè)表面面積（）； 單位切向凍脹力（Kpa/cm）。切向凍脹力分布不均勻，并呈指數(shù)曲線贈(zèng)與土凍脹特性有關(guān)

10、，取值見下表。單位切向凍脹力（Kpa）h2cm（2，5（5，12（12，2222cm凍脹類別3050508080120120150150200注：1.表面光滑的硂預(yù)制樁表中數(shù)值應(yīng)乘0.8，2.表面粗糙的漿砌石墩臺(tái)基礎(chǔ)表中數(shù)值應(yīng)乘1.2。1.2.3 切向凍脹力反力當(dāng)土體凍脹時(shí)，基礎(chǔ)對(duì)約束的土體產(chǎn)生的與四向凍脹力相等，方向相反的作用力稱為切向凍脹力?？够€(wěn)定條件如下式：P+G+F+Pa+G±T其中式中F未凍土抗摩阻力（KN）；Pa 擴(kuò)大式基礎(chǔ)所接受的凍脹反力（應(yīng)力的合力）Pa=P；G±擴(kuò)大式基礎(chǔ)上的土重（KN）。1.2.3 法向凍脹力基礎(chǔ)板下部土體凍結(jié)土體發(fā)生凍脹而受到基礎(chǔ)約束

11、在地基與基礎(chǔ)面上產(chǎn)生作用于基底垂直向上的凍脹力稱為法向凍脹力。法向凍脹力H0（Kpa）h單塊板基礎(chǔ)面積（）地基地表凍深510502010060505015010080120210150120220280210170>220281360211280175230說明：該值可以內(nèi)插。1.2.4 水平凍脹力地基土在凍結(jié)膨脹時(shí)，沿水平方向作用在結(jié)構(gòu)物或基礎(chǔ)表面上的力，包括沿切向和法向的作用。最大單位水平凍脹力ht（KPa）h2050120220>220ht305090120121170水平凍脹力的合力峰值應(yīng)按下式計(jì)算：Fh=macfht2Ht1-+ZdHtZd+Ht其中式中Fh水平凍脹力的合

12、力峰值（KN）； 非凍脹區(qū)深度系數(shù)；最大單位水平凍脹高度系數(shù)；Ht 墻后填土高度；cf 擋土墻邊坡修正系數(shù)。擋土墻邊坡修正系數(shù)cf迎土面坡比0.00.10.20.30.4cf1.00.90.850.810.70、取值土凍脹級(jí)別、hd（mm）50501001002202200.150.30.450.50.20.150.080.08說明：當(dāng)Ht2m時(shí)，=0。hd擋土墻厚計(jì)算點(diǎn)土的凍脹量（mm）。計(jì)算點(diǎn)允許的水平位移（mm）SH=810Ht。2 土石壩護(hù)坡破壞的形式2.1 隆起由于砌筑質(zhì)量差，砌體不緊密，在風(fēng)浪作用下，使塊石松動(dòng)產(chǎn)生脫坡;有的由于風(fēng)浪將護(hù)坡墊層淘出或因壩體沉陷，使護(hù)坡架空或陷成凹坑，

13、發(fā)生錯(cuò)動(dòng)或開裂，當(dāng)?shù)撞繅|層失去保護(hù)，繼續(xù)淘刷壩體，造成護(hù)坡大面積崩塌，危及大壩安全。土壩護(hù)坡局部破壞后，如未能及時(shí)搶護(hù)，破壞面逐漸擴(kuò)大，使上下護(hù)坡失去支撐，呈懸空狀態(tài)，加上波浪沖擊、振動(dòng)和墊層的移動(dòng)，造成上部護(hù)坡傾滑。特別在冬季，由于水庫(kù)中冰蓋壓力作用。導(dǎo)致護(hù)坡隆起而擠壓破壞或因壩體沉陷量大，護(hù)坡不能相應(yīng)縮短，本身擠壓隆起。 產(chǎn)生隆起破壞的原因：一是干砌石護(hù)坡砌筑互相結(jié)合不緊密，空隙大;二是混凝土板設(shè)有嚴(yán)格控制質(zhì)量，薄厚不一，接縫處理不好;三是護(hù)坡墊層用料不嚴(yán)格，級(jí)配不好，降低反濾作用;四是護(hù)坡材料選擇不當(dāng)，如采用風(fēng)化石，遇水易崩解的砂質(zhì)頁(yè)巖以及有可溶性鹽類巖。2.2 裂縫裂縫是土石壩最普遍的

14、危害。裂縫可能在滲流作用下發(fā)展成滲流變形，以致潰壩失事；也可能發(fā)展為滑坡，導(dǎo)致壩體滑塌；有些裂縫雖未造成失事，但影響正常蓄水，長(zhǎng)期不能發(fā)揮水庫(kù)效益。因此必須對(duì)土石壩的裂縫及時(shí)采取有效措施。 裂縫按其方向可分為龜狀裂縫、橫向裂縫和縱向裂縫；按其產(chǎn)生的原因可分為干縮裂縫、凍融裂縫、不均勻裂縫、滑坡裂縫、震動(dòng)裂縫；按其部位可分為表面裂縫和內(nèi)部裂縫等。 土石壩出現(xiàn)各種裂縫都應(yīng)該及時(shí)處理。發(fā)現(xiàn)裂縫后，一方面要注意了解裂縫的特征，觀察裂縫的發(fā)展和變化，分析裂縫產(chǎn)生原因，判斷裂縫的性質(zhì)；另一方面要采取防止裂縫進(jìn)一步發(fā)展的措施，同時(shí)制定處理方案。在裂縫進(jìn)行處理前，水庫(kù)必須定出限定蓄水位，同時(shí)采取臨時(shí)性防護(hù)措施

15、，嚴(yán)防雨水向裂縫內(nèi)灌注和冰凍等的不利影響。縫口封閉法、開挖回填法和充填灌漿是對(duì)非滑坡裂縫進(jìn)行處理的常見措施。2.3凍脹破壞在嚴(yán)寒地區(qū)，凍脹使護(hù)坡拱起，凍土融化，壩土松軟，使護(hù)坡架空冰蓋與護(hù)坡凍結(jié)在一起，冰溫升降對(duì)護(hù)坡產(chǎn)生推拉力，使護(hù)坡破壞。由于土體表層未設(shè)破殼保護(hù)層或保護(hù)厚度不足。易受冰凍使土體產(chǎn)生不均勻凍脹，加之冰蓋推力作用，融化后護(hù)坡不能復(fù)原形成空架，主體極易造成松動(dòng)。四是由于冰蓋熱脹冷縮白天受熱膨脹，夜間冷縮并產(chǎn)生裂縫，縫內(nèi)進(jìn)水凍結(jié)后加劇冰蓋膨脹量，使冰蓋沿壩坡上爬，有的水庫(kù)護(hù)坡日最大向上爬高可達(dá)數(shù)十厘米，一個(gè)冬季總爬高可達(dá)2-3 m，特別是當(dāng)冰蓋與護(hù)坡凍結(jié)在一起時(shí)，冰蓋推力對(duì)護(hù)坡的破壞

16、特別嚴(yán)重。3 防治措施3.1 破冰措施平行壩軸線距壩10m左右開鑿一道2m左右寬的冰槽，讓冰槽內(nèi)無(wú)厚冰塊，保持水庫(kù)冰面面庫(kù)凍脹能在槽內(nèi)自由伸縮，冰凍脹力不對(duì)壩坡形成威脅。優(yōu)點(diǎn)：一次性投資少，能徹底防止冰推力破壞壩坡。缺點(diǎn)：需要人工，非永久性工程。3.2 塑料布引滑法在冰面與壩坡接觸處鋪設(shè)塑料布，使冰面上不能形成很大的凍脹力，從而起到抗冰作用。措施：當(dāng)冰凍35cm時(shí)，沿壩面打開一道1.5m左右寬的水溝，將備好的足夠?qū)挼乃芰喜计戒佊跍蟽?nèi)水面上然后用木耙推入水中下端用卵石壓上部用釘釘在上部。消減冰推力程度取決于護(hù)坡型式、光滑度，穩(wěn)定性。3.3 加熱措施該措施適用于凍深不大的華北、遼寧等地。阻止建筑物

17、與水面結(jié)冰，消除冰壓力。常用的方法有熱空氣法、加油法、壓力水射流法、壓縮空氣吹泡發(fā)、聚苯乙烯泡沫塑料板保溫法。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，一次性投資大。缺點(diǎn)：很浪費(fèi)能源，具有臨時(shí)性。3.4 機(jī)械破冰當(dāng)建筑物前水面結(jié)冰達(dá)到一定厚度時(shí)，在建筑物前的冰面上開鑿一定寬度的水槽，每當(dāng)水槽內(nèi)水面上結(jié)冰達(dá)到一定厚度時(shí)就采用機(jī)械破冰取出冰塊，使冰層在水槽內(nèi)自由伸縮，消除冰層的冰推力對(duì)建筑物的危害。水槽內(nèi)水面允許結(jié)冰厚度應(yīng)根據(jù)建筑物承受推力大小而定。3.5 換填換填成非凍脹性土，并注意防滲。在防滲條件下，換填厚度10Hd 。3.6 拋石護(hù)坡優(yōu)點(diǎn)：造價(jià)低（當(dāng)?shù)赜惺?。缺點(diǎn)：用石量大。使用條件：機(jī)械化施工，當(dāng)?shù)厥县S富。結(jié)構(gòu)要求：水平寬度不宜小于30cm墊層采用細(xì)石料。3.7 干砌護(hù)坡優(yōu)點(diǎn)：用石量少。缺點(diǎn)：必用人工選料，不能機(jī)械化施工。適用條件：當(dāng)石料匱乏。結(jié)構(gòu)要求：最小邊長(zhǎng)300350mm，厚度350400mm，砌縫30mm。缺大石塊：（1）采用鋼筋混凝土框格內(nèi)砌塊石，菱形框格順對(duì)角線長(zhǎng)35m（2）框格斷面寬300mm高400/500mm，混凝土應(yīng)該滿足抗凍等級(jí)C25F300。3.8 硂砌塊護(hù)坡優(yōu)點(diǎn)：抗風(fēng)浪及抗凍性好，施工方便。缺點(diǎn)：造價(jià)高。適