浅析水工建筑物冻害的成因及防治对策

摘 要：本文详细的分析了水工建筑物冻害的原因，并针对性的提出了相应的防治对策。

关键词：水工建筑物；冻害成因；防治对策

水工建筑物的冻害主要是水工建筑物因基础土质冻结后产生冻胀而造成建筑物不同程度的破坏，称之为冻胀破坏，简称为冻害。在我国的东北地区，水工建筑物的冻害十分严重，因此分析冻害的成因，对解决冻害问题是十分重要的。

1 水工建筑物冻害的原因

季节冻土区水工建筑物冻害成因可分为内因和外因两部分，其中地基土冻胀、融沉、冰冻及长期冻融循环等是自然规律所产生的破坏作用，属于造成水工建筑物冻害的内因，而设计不合理，施工方法不当和工程管理不到位等原因是人为因素，属于造成水工建筑物冻害的外因。不同类型的水工建筑物其受冻胀破坏的形式不同，冻胀类型也不尽相同，水工建筑物冻胀破坏类型不外乎有渠道的衬砌、护坡；桩、墩及受切向冻胀力作用的基础；平板型基础和挡土墙等等。

1.1土体的冻胀是水工建筑物破坏的主要原因。土体中的水冻结成冰时，产生胶结力，使冻土与建筑物基础或墙体牢固地胶结在—起。当土中的水冻结成冰的同时，体积膨胀，当这种膨胀足以引起土颗粒间的相对位移时，就形成冻结时土体积的膨胀，即称之为土的冻胀，由于水工建筑物基础它不仅是承载体，而且是产生冻胀力的力源体，它对土的冻胀产生了约束作用，冻土就会对基础产生冻胀力，在冻胀力的作用下，当水工建筑物超过允许变形量或者位移量时而发生破坏或丧失稳定性，这时建筑物产生的破坏则是冻害，这就是水工建筑物冻害产生的主要原因。

1.2地基土的融沉造成水工建筑物的破坏。冻胀地基在冻结过程中产生大量的冰晶体和冰夹层，改变了原来地基土的结构，随着负气温的回升，地基在附加荷载的作用下会产生融沉。由于地基冻胀时含水量的增加，融化时地基承载力下降，地基的应力、应变关系也发生了变化。因而造成建筑物各部分的不均匀沉降，当沉降量超过建筑物的允许变形量时，建筑物则会破坏，季节冻土区水工建筑物单纯由融沉作用破坏的不多见，但较多的由于融沉作用使水工建筑物冻胀而产生的破坏力。

1.3在冰荷载作用下水工建筑物的破坏。在该区域，冬季河流，水库，池塘等水域都有不同程度的结冰，封冻，解冻的过程，冰层厚度在0.5～1.2 m不等。在封冻，解冻期间，水工建筑物因受静冰压力或动冰压力作用而造成破坏，特别是水库护坡和河流护岸工程受此害更为严重。

1.4施工方法和施工工艺同样也是造成建筑物冻害原因。如浆砌石挡土墙灌浆不满，墙背不平整，不构缝，易挂霜结露或形成冰楔，会产生不规则裂缝或水平裂缝。钻孔桩基础接桩深度不够，表面不光滑或钢筋长度过短、断桩等不合格的施工质量造成了工程受地基土冻胀的作用而破坏。

1.5工程设计不符合季节冻土区客观情况。在设计中没有考虑冻胀力的作用或对冻胀力分析不到位，结构设计不合理或没有采取防治冻害的措施，因此在地基土作用下使建筑物丧失稳定性而破坏。

2 水工建筑物冻害防治

防冻害工程设计，首先满足常规设计要求，然后计算和检验建筑物在冻土条件下的整体稳定性、基础位移量和结构强度，以确定是否需要采取和优选防冻技术措施，进行防冻害设计前必须查明该工程地的土质和地下水情况；了解本地气温，冻胀，降雪，冻深等有关特性；确定合理的基础埋置深度；尽量减小结构的平面尺寸，力求结构紧凑；选用刚度大，抵抗不均匀冻胀能力强的结构；除按一般方法设计，使其满足建筑物强度，刚度，稳定及防渗要求外，还需把各种冻胀力作为外荷载，进行强度，稳定性，变形校核，若满足不了上述要求，应考虑综合的抗冻措施。水工建筑物冻害防治途径按建筑物类型分述如下：

2.1板形基础。当板形基础不能满足抗冻胀要求时，可采取抗冻胀的结构措施或工程措施。在抗冻胀设计中，应首先考虑采用结构措施，如采用一字闸，筛网消能工，锚固底板，反拱底板，枕梁桥等。只有当条件不允许或采用结构措施不够经济合理时，才采用抗冻胀工程措施。其工程措施主要有以下几种：

①置换法，用非冻胀性土置换地基土。②隔层封闭法，用土工模把地基土分层包裹封闭。③用压实法或强夯法压密地基。④采用保温措施，分为水层保温和采用保温基础两种。⑤排水法，即设置排水设施，如盲井、暗管、反摅等。

2.2桩墩类基础。当桩墩类基础不能满足切向冻胀力作用下的抗冻拔要求时，可采用抗冻结构措施或工程措施。防止桩基冻拔的结构措施主要有增加桩基人土深度和采用扩大式锚固基础两种。前者是利用融土的摩阻力，后者是利用冻胀反力来克服切向冻胀力，保持桩基稳定。扩大式桩基的型式很多，有锚固底梁基础，爆扩桩基础，锚固环式基础等。因地基或施工条件限制，增加基础埋深或扩大锚板直径有困难时，在满足承载力的条件下，可采用削减切向冻胀力工程措施，如在冻层范围内的基础表面作涂层处理，外包薄膜处理，双层油套管处理等。

2.3挡土墙。对不能满足抗冻胀要求的挡土墙单独或综合采用下述措施提高挡土墙的抗冻胀能力：①选用适应冻胀变性能力强的结构型式。优先选用悬臂式挡土墙，墙基础尽可能采用扩大式条形基础，墙基底板埋深要求等于设计冻深。②采用消除或削减挡土墙后土体冻胀的措施。挡土墙体设排水孔，挡土墙迎土面要求平整光滑，在满足渗径要求的前提下，墙后回填土可用非冻胀性土置换，也可采取排水措施或用聚苯乙烯泡沫扳保温。