基础冻胀范文

基础冻胀范文（精选7篇）

基础冻胀 第1篇

关键词：建筑物基础,冻胀,防治措施

0 引言

我国幅源广大,土地辽阔,东北、西北等地广泛分布季节性冻土,青藏高原分布多年冻土。我省黑龙江地处祖国东北部,在这块寒冷的地区,经常遇到土体冻胀,建筑物寿命受到严重的威胁及冻害影响。

1 冻土的概念及特性

凡含有水的岩石及土体,均含有一定的水份,在地基基础设计规范GBJ7-89用(W)来表示天然的含水量。冬季当温度降低到其冻结温度时,土中的孔隙水结成冰,伴随冰体的产生,固结了土体中微细的颗粒。各种土体中冰的离析作用,将伴随着一系列非常复杂的物理及化学变化。以及达到受力的改变。水分增减,孔隙深液浓度增大和土体不均匀变形,引起应力产生应变,这是符合材料力学的虎克定律。这就是冻土产生的根本原因。不同的土粒比重它的孔隙比是有区别的。粘土的透水性能较差,吸水率较高,它的冻胀力也越大。

2 土冻胀过程

齐市地区按规范(GBJ7-89)规定,季节性冻土标准冻深为2.2m。冬季期间,潮湿的土体受冻后固结,产生向上的法向应力产生冻胀。春融季节,冻土吸收外部的热量,出现融化,引起土体沉陷。周而复始引起土体冻胀———沉陷。尽管季节性冻土区或者长年冻土区地质条件不一,但这种过程同样存在。他们的性质有相似的一面也有差别的一面。对于像齐市地区这种冻土曲线特点应是自上而下单向冻结,冻结过程比较缓慢,往往需要四到六个月的时间,即十月末直至第二年的四月份左右,齐市也把此段视为冬季施工阶段。最大冻结期间多在一至二月份。当春暖花开冻土层处于上下双向融化(地热作用)融化速度较迅速,仅一、二个月的时间。

3 冻土地区建筑物的破坏特征

3.1 桩、柱下独立钢筋砼基础。

寒冷地区桩,柱下独立钢砼的基础,冻害相当普遍严重。某地区的桩埋入土中长度为6m,每年冻拨约50mm左右,据多年统计,现已拨出1000mm左右。国家标准(GB50204-92)规定:如平均气温低于5°时,不得浇水养护,在冬季施工期中,环境气温较低,这种情况下使用薄膜养生液、防水纸或塑料薄膜等封闭材料来封闭混凝土中的多余拌合水,以实现混凝土的自然养护。但应注意,有些薄膜养生液(例如,以水玻璃为主要成分的薄膜养生液)低温下成膜性能差,甚至不能成膜或出现冻胶现象。因而冬期施工中使用薄膜养生液时应及时选用低温下成膜性能好的薄膜养生液。由于许多养生液的颜色一般较浅,因而涂刷前可向养生液中加入适量颜料以便于检查涂施是否均匀,并保证不漏涂,从喷嘴中喷出的养生液应呈雾状,以便于能均匀地喷涂,且又不致于造成浪费,因而有时可将喷嘴换成农用喷雾器的喷头效果更好。

3.2 墩基础建筑物的冻害。

在季节性冻土地区,墩基础多用于桥梁,工业厂房,围墙及构筑物等。拿齐市地区围墙受冻为例说明:基础由于埋置较浅,大约在室外地下1000m左右,基础且均座在粘土层位置,地下水位又比较高,在法向的冻胀力作用下,不均匀上抬,进而导致上部结构的变形,冻胀力远远大于红砖砌体的极限抗剪应力,砌体出现倒八字裂缝。个别围墙导致倒塌现象。

3.3 条形基础房屋的冻害破坏。

在齐市地区,条形基础房屋在建筑物四个角部位冻胀力最大。在建筑物的中部冻胀力最小。这样,建筑物有三种裂缝发生。分别为水平裂缝,垂直裂缝,和斜裂缝。斜裂缝通常见到对称八字和局部斜裂缝。正八字形裂缝通常是由不均匀冻胀引起,倒八字形即墙体中主拉应力方向与受不均匀冻胀产生的主拉应力方向相反。故与主拉应力方向垂直的斜裂缝。建筑物的斜裂缝有时与一侧积水,或有排水沟通过而渗漏,且与基础砌筑质量不佳,基础砌面凸凹不平,局部产生水平切向冻胀力有关系。

水平裂缝的部位多在门窗口的上部或下部的横断面上。主要是由于基础两侧冻胀或融陷不均造成。裂缝宽度一般是内大外小。

4 在有冻胀性土的地区,宜采用下列防冻技术措施

4.1 换砂法。在建筑物中防冻害换砂法是采用最广泛的一种,也是最普遍,最简单的一种方法,用来消减地基土的冻胀力。

4.2 物理化学法。

物理化学法是指利用交换阳离子及盐分对冻胀影响所采用人工材料处理地基土来改变土粒子与水之间相互作用,使土体中的水分迁移,强度及其冰点发生变化,从而达到削弱冻胀的目的。目前齐市极少采用,据有关资料介绍:俄罗斯和美国在较多的试验和实际应用上都取得了成功。美国在寒冷地区公路路基处理上也成功的采用物理化学方法中的盐渍化法。

4.3 保温法。

保温法是指在建筑物底部及四周设置隔热层,增大热阻,以延缓天然地基土的冻结,提高土中温度,减少冻结深度,进而起到防止冻胀,目前采用的材料如炉渣泡沫砼,聚苯乙稀泡沫板,这些材料在承受外荷作用后,本身不产生过大的压缩变形且材料自身有足够的抗压强度。北欧瑞典是最早在路基工程中采用此方法国家之一。齐市地区多采用侧壁保温方法,来防止侧向水平冻胀力的产生。

4.4 排水隔水法。

影响土体冻胀的主要因素及冻胀防治 第2篇

我国地域辽阔, 多年冻土和季节性冻土 (以下简称冻土) 分布面积超过三分之二的总土地面积, 特别是在我国北方, 它们中的大多数都是在寒冷的地区。在这些地区修建工程 (包括房屋、道路、市政工程等) , 都面临着冻土问题。修建在季节性冻土区的建筑物, 冻胀现象是很普遍的工程破坏现象 (如图1) 。土体冻胀产生的直接原因就是土体冻结过程中的水分迁徙, 而水分迁徙的强弱又跟土体自身和外界因素有关, 如土体的颗粒、温度、水分和外部荷载, 当其中的任何一个主要因素发生变化, 都可能影响冻胀或者不出现冻胀现象。因此在高寒地区进行冻土研究, 必须要考虑土体的冻胀, 并采取防治措施, 而了解土体的冻胀因素是制定合理的防治措施的前提。

1 土体的颗粒对土体冻胀的影响

土的粒度组成决定着土的结构特性, 土颗粒与水的相互作用关系决定着土的冻胀性。大量的研究结果表明, 土的粒径对土体冻胀有显著影响。一般来说, 土的粒径越小, 比表面积越小, 其表面能越高, 这样土颗粒对水的吸附作用大, 吸附的水膜有利于水分在土颗粒间迁移, 发生的冻胀量就大。在其他条件相同时, 各类土的冻胀性大致如下:粉质黏土>壤土>砂壤土>重黏土>砂土>砂砾石。图2列出了三种典型图的冻胀曲线。研究认为粒径小于0.05mm的粉黏粒含量大于12%的粗粒土是产生土体冻胀的临界值。粒径0.002~0.05 mm的土颗粒易于形成强烈水分迁移, 土体冻胀性很强, 而当粒径小于0.002 mm时, 由于土颗粒表面能过大而土颗粒间距小, 使得土体表面吸附的水膜阻碍了水分的迁移, 使得土体冻胀减小。以平均冻胀量或者冻胀率可以将土体划分为不冻胀、微冻胀、中等冻胀、强冻胀等级别。

2 水分对土体冻胀的影响

土体中含有气态水, 固态水和液态水, 其中液态水包括结合水和自由水。土体中水的构造如图3。土体含水量是影响土体冻胀的重要因素之一。当土中的含水量较小时, 水冻结时产生的冰及未冻水填充不满土颗粒间的孔隙, 这时候土体就不发生冻胀现象, 只有当含水量达到一定程度, 土体才会产生冻胀, 这就是所谓的起始冻胀含水量。当最初的冻胀量大于土壤含水量, 土壤冻胀水含水量增加, 这一现象的原因是冻结量的增加使土壤颗粒较大的分离和位移。土体中的水分主要来自自身和外界补给。

为了考虑含水率对土体冻胀的影响, 考虑其他因素均不变, 只改变含水率这一个因素进行试验。取含水率为0、22%、24%、26%℃和28%。通过试验得出数据, 然后将冻胀率与含水率的变化关系与两者的拟合关系曲线制于图3~4。

研究表明, 只有土体中的含水率达到一定程度时土体才会产生冻胀, 即土体存在一个起始冻胀含水率。试验和大量的工程实践证明, 并不是含有水的土体都会产生冻胀, 而是当含水量达到一定的程度才会发生冻胀。当土体的冻胀系数小于1%时, 对建筑物的稳定性不会产生太大的影响。几种典型常见土的的起始冻胀和安全含水率如表1。

3 温度对土体冻胀的影响

土体的温度变化过程实际上就是土体的冻胀过程, 所谓土体的冻胀不是指土体温度为零就发生冻胀, 而是在一个适宜土体冻胀的负温度下发生。黏性土在封闭的情况下, 土体的冻胀与温度分为三个阶段:第一阶段是冻结开始到温度为-3℃, 此时冻胀量最剧烈, 为最大冻胀量的75%左右;第二阶段是温度为-3~-7℃, 这时土体的冻胀变得缓慢, 只占最大时的15%~20%;第三阶段温度为-7~-10℃时, 此时冻胀越来越缓慢, 只有最大值的5%左右。对于粗砂, 其阶段为0~-1℃, -1~-2℃, -2~-3℃。以上几个阶段中对工程防治方面最有用的是, 在冻胀停止的时候, 对于不同土质的土运用不同的方法, 以达到防止冻胀的目的。土中的温度梯度决定着水分迁移量的大小, 在有外界水的补给时, 土体冻结锋面上的冷却温度越高, 时间越长, 外界补给的水分在冻结锋面上形成的冰晶体量越大。因此, 土中的温度梯度越小, 水分迁移量越大, 土的冻胀量越大, 反之, 土中的温度梯度越大, 水分迁移量越小, 土的冻胀量越小[1]。

4 外部荷载对土体冻胀的影响

外部荷载的施加对土体的冻胀有很大的影响。其原因是, 在外部负载土壤中的水, 在相反方向的土壤迁移体内产生力, 抑制水分迁移的方向, 以便减少冻胀的量的发生, 负载继续增加, 直至把土体里的水分挤出。增加土体外部附加荷载时会减少土体的冻胀, 产生这种现象的原因是降低了冻土的冰点和引起土体内部的水分的重分布。使冻土不产生冻胀需要多少外部荷载, 这是现在工程的重要突破口。大量实验证明, 当荷载增加到等于土颗粒中冻结锋面所产生的界面能量时, 土体冻胀停止。此时由荷载而产生的压强称为中断压强。通过大量实验表明, 黏性土的中断压强大约为1 000 k Pa。土地冻胀与外部荷载的关系见图5。

5 冻胀的防治措施

由于土壤或岩石的冻胀的影响, 往往使一些建筑物和公路产生冻害, 土体冻胀破坏是一种普遍的破坏现象。冻胀造成公路损坏, 从而影响车辆的流量, 降低了道路的使用寿命, 已经成为产生道路损毁的主要形式。在温度较高的的季节, 由于路基土中冰晶体的融解, 又成为土基或垫层承载力降低的原因。在砂石路面, 载荷下产生弹性解冻操作期间起泡的现象, 将会使道路出现严重的疾病。道路的土体冻胀防止措施主要有置换法、隔温法及稳定土法等, 从经济上和便于施工、可靠性的考虑, 主要采置换法, 即约70%的冬季最大冷冻深度范围采用非霜敏感颗粒材料替代[2]。由于材质良好的置换材料造价较高, 往往在置换法基础上采用了隔温法等一些特殊的防止措施。在寒冷地区的施工中, 对已有路面的冻害破坏情况及影响因素详细调查的同时, 对确定道路路面厚度有直接关系的当地冻深的确定和置换材料质量的评定, 都是不可缺少的工作。

参考文献

[1]童长江, 管枫年.冻胀与建筑物冻害防治[M].北京:水利电力出版社, 1985.

冻土冻胀融沉的微观分析 第3篇

本文将从微观角度对冻土分析研究。笔者分析了冻土微结构稳定性, 通过微结构的失稳突变研究了冻胀融沉发生的物理机制, 并分析了温度、含水量对微结构稳定性的影响。

1 冻胀融沉研究情况

在冻胀、融沉理论方面国内外学者作了不少研究[1,2,3]。刘鸿绪认为地表冻胀量是冻胀率沿整个冻结深度的叠加, 法向冻胀力则是在冻结锋面上冻胀应力沿基础影响范围之内的积分, 它与地表冻胀量没有直接联系;高伟对路基材料 (粉煤灰) 的冻胀规律进行对比, 简化了冻胀评价因素, 在工程应用中有一定的参考价值;陈湘生等考虑离心力对土体冻胀、融沉的影响, 建立了地基土体冻胀融沉试验模型;何平等通过对饱和土的水、热、力场以及冻结缘特征进行研究, 提出土体冻结时不论是融土区、过渡区, 还是冻土区都涉及到温度场、水分场、力学场等问题, 力学场对土体变形过程 (冻胀、压密) 及分凝冰形成起着重要作用;冻胀、融沉问题归根结底是热质迁移问题, 冻结缘的厚度、分凝冰形成温度以及冰透镜体形成条件等作为热质迁移试验研究重点日益受到关注。国外方面, Miller提出了饱和粒状材料的冻胀理论, Holden, Piper, Comparini, Fowler等进行了深入研究;Akagawa提出了静态冻胀控制理论并通过试验给予验证;Kagan等对岩石冻胀现象进行了分析, 岩石节理被含水量较大甚至饱和的细粒土充填, 形成封闭系统下冻胀敏感带, 这个区域发生冻结时具有较大变形和破坏力, 对周围建筑物安全运营会构成威胁;日本学者Yoshiki Miyata基于水分迁移、热量输运和机械能平衡方程提出了宏观冻胀理论。

事实上所研究的冻土一直处于非饱和状态, 而非饱和岩土体由于其构成的颗粒大小和级配不同, 呈现不同结构, 存在大量的结构缺陷部位。同时随着温度的变化, 冻土的结构出现液相与固相的相互转化。岩土体结构缺陷部位细粒和粗粒物质连接性不好, 水理性质较差, 在受到水侵蚀作用时最容易出现洞穴或集中渗流通道, 从而导致裂隙、发育的洞穴等构造缺陷, 而这些部位在液相与固相转化时也控制着冻土的结构性质。随着温度的升高, 冻土内水分含量增大, 岩土体结构的软化和弱化, 强度变低, 不能承受压力, 从而容易发生融沉现象。相对应的, 温度降低时, 液相介质向固相转化, 水分积聚、冻结成冰, 岩土体积增大而发胀, 此时控制岩土结构性质的缺陷部位刚度增大, 变得“坚硬”起来, 其力学性质也变得好起来;同时由于刚度增大发生的弹性恢复也出现体积膨胀。本文将通过微结构稳定性的突变理论研究冻土冻胀和融沉现象。

土体的微结构有多种模式, 土颗粒之间的接触也是多种多样的。本文采取微结构模型如图1所示。模型假定各种形状的土体颗粒均可以化为体积相同的球体, 而且土体的三维孔隙结构可以简化为平面问题。模型具有以下特征[4]:1) 圆形颗粒化为轻质刚性杆, 菱形孔隙采用铰接的四连杆系统模拟;2) 颗粒之间的接触摩擦阻力用杆系的连系弹簧来模拟, 其弹性系数K (σ1, σ2, P) 是微结构受力状态 (σ1, σ2, T, w) 的函数, 其中, σ1, σ2均为微结构的主应力;T为温度;w为含水量;3) 杆长为L, 模拟结构元的初始状态由α角确定。

考虑以 (σ, τ) 为参数, K为常量。设微结构元产生一个x角的微小变化, 则对弹簧将分别产生2x的伸长或压缩变形, 系统的总势能函数为弹簧弹性势能与杆件系统变形能之和:

V (x, σ, τ) =8Kx2+4R (σcosx-τsinx-σ) (1)

其中, $\sigma =\frac{1}{2}(\sigma {}_1+\sigma {}_2)$;$\tau =\frac{1}{2}(\sigma {}_1-\sigma {}_2)$。

1) 当所有外力为零时, 假定微结构已有一个微小的角度变化x0, 即初始平衡位置为:α≠π/4;

2) 参数K会因为含水量、应力状态的改变以及溶蚀等原因发生变化, 在此引入无量纲参数m (T, w) 反映的是温度和含水量对刚度的影响。

由上面的扰动假设, 可以得到扰动系统总的能量方程:

V (x, σ, τ, x0, m) =8 (1+m) K (x-x0) 2+4R (σcosx-τsinx-σ) (2)

把x作为状态变量将式 (2) 在x=0点展开, 并截取至4次项, 简化后得到:

$\begin{array}{l}V(x)=\frac{1}{6}R\sigma x{}^4+\frac{2}{3}R\tau x{}^3+[8(1+m){\rm K}-2R\sigma ]x{}^2-[8(1+m){\rm K}x{}_0+4R\tau ]x8(1+m){\rm K}x{}_0^2(3)\\ V^{\prime }(x)=\frac{2}{3}R\sigma x{}^3+2R\tau x{}^2+2[8(1+m){\rm K}-2R\sigma ]x-[8(1+m){\rm K}x{}_0+4R\tau ]=0(4)\end{array}$

对式 (4) 作x=z-τ/σ的变量代换, 得到:

$V^{\prime }(z)=\frac{2}{3}R\sigma (z{}^3+az+b)=0$ (5)

$a=\frac{-R\tau {}^2+6\sigma [4(1+m){\rm K}-R\sigma ]}{R\sigma {}^2}$ (6)

$b=\frac{12{\rm K}(1+m)(\sigma {}^{2}x{}_0-2\sigma \tau )+2(R\tau {}^3+6R\sigma {}^2\tau )}{R\sigma {}^2}$ (7)

其中, z为状态变量;a, b均为控制变量, 则有式 (7) 的分叉集方程为:

D=4a3+27b2=0 (8)

将式 (6) , 式 (7) 代入式 (8) 整理后, 得到:

$\frac{[8(1+m){\rm K}\sigma -R(\tau {}^2+\sigma {}^2)]{}^3}{2R}+[6{\rm K}\sigma (1+m)(2\sigma x{}_0-\tau )+R\tau (\tau {}^2+6\sigma {}^2)]{}^2=0(9)$

因此, 当 (σ, τ, m, K, x0) 满足式 (9) 时, 土体中半径大于R的空洞都已经崩塌。

如图2所示, 三维空间的坐标分别为控制参数a, b和状态变量z。分叉点方程式 (8) 给出了 (a, b) 控制平面的一个半立方抛物线。它由两叶组成, 实质上是平衡超曲面式 (4) 的上下两叶折屈边界在系统控制参数平面 (a, b) 上的投影, 即平衡超曲面到控制参数平面的拓扑映射。因此, 分叉点集 (a, b) 将控制参数平面划分成两个区域, 一个在叉形三角区域内, 另一个在外部。

如果从图2中的点出发, 随着控制参数的连续变化, 系统状态沿路径B演化到B′, 状态变量连续变化, 不发生突变 (D>0) ;而从A点出发沿路径AA′演化, 当接近折叠翼边缘时, 只要控制参数有微小的变化, 系统状态就会发生突变, 从折叠翼的下叶跃迁到折叠翼的上叶。这也说明系统只有在跨越分叉集时, 才能发生突变, 因此式 (8) 即为突发失稳的充要力学条件判据。当应力状态 (σ, τ) 满足式 (8) 时, 微结构的变形状态产生跳跃。

分叉点集及其所围成的三角区域内给出了系统可能出现不稳定的破坏区。根据系统特征参数取值区域, 可以给出系统发生失稳破坏的条件。如果系统控制变量对 (a, b) 受到内外因素影响在a-b平面上沿某一路径发生缓慢演化, 只要控制参数 (a, b) 在a-b平面不跨越分叉点集, 系统平衡点的个数及其稳定性就不会发生性质上的变化。但当演化路径跨越分叉点集时, 系统性能则发生突变。

由以上可以得到两点启发:1) 温度升高, 冻土含水量增大, 微结构的强度降低, 使得结构的变形能增大, 导致结构失稳。2) 温度降低时, 液相介质向固相转化, 水分积聚、冻结成冰, 岩土体积增大而发胀, 岩土微结构的刚度增大, 由于刚度增大发生的弹性恢复也会使得体积出现膨胀。

2 结语

1) 利用结构突变失稳理论来研究冻土微结构的稳定性是可行的。含水量w与温度T, 尤其是温度对微结构刚度起着控制作用, 而微结构的刚度对微结构的稳定性起着控制作用。温度升高, 冻土含水量增大, 微结构的强度降低, 使得结构的变形能增大。温度降低, 液相介质向固相转化, 水分积聚、冻结成冰, 岩土体积增大而发胀, 由于刚度增大发生的弹性恢复结构的体积出现膨胀。2) 图2中从A点出发沿路径AA′演化是一个微结构刚度降低的过程, 诱发的是融沉;而如果演化是A′点出发沿路径A′A演化, 则诱发的是冻胀。

摘要：从冻土微观结构分析了其冻胀、融沉发生机制, 结果表明:随着温度的变化, 冻土会出现冻胀和融沉现象, 这些破坏的出现与其微结构随温度的变化密切相关, 温度的变化诱发微结构内部颗粒间连接刚度的变化, 正是这些变化导致了冻胀、融沉现象的出现。

关键词：冻土,冻胀,融沉,结构,稳定性,突变

参考文献

[1]宁建国, 王慧, 朱志武, 等.基于细观力学方法的冻土本构模型研究[J].北京理工大学学报, 2005, 25 (10) :847-851.

[2]田亚护, 刘建坤, 彭丽云.多年冻土区路桥过渡变形及地温试验[J].中国公路学报, 2007, 20 (4) :19-24.

[3]姬蓓蓓, 马, 王秉纲.冻土地区路基融沉变形对沥青路面结构的影响[J].中国公路学报, 2006, 19 (5) :1-5.

冻胀土地基碎石垫层的应用 第4篇

1 冻胀对建筑物基础的危害

土壤中的水冻结时, 体积增加9%, 使地表向上凸起开裂。它对建筑的条形基础和大面积基础产生各种作用力。例如外侧土壤冻胀对基础产生水平推力;外侧冻土向上胀对基础又产生切向应力;底部土壤向上胀对基础底面产生法向应力等。这种破坏力的大小与土壤中的含水量、土质、颗粒状况及土面上的作用承载力有关。当土冻结时, 地下水位较高地区距冻结深度很近, 或由于土的颗粒较小, 能起到毛细作用时, 地下水就源源不断地供给冻结土, 使冰胀面不断增加, 形成冻结的开放体, 危害较大, 相反, 地下水无水供给, 冻胀较小, 形成冻结的开放体, 形成冻结的封闭体, 破坏力小。地下水位较高地区, 一般深度在自然地面-0.8m即可出水, 土壤大多数系亚粘土, 冻结性质属开放体, 冻结力随土质不同而差异较大。土的冻胀力足以使建筑物基础胀裂, 并使设备基础倾斜形成错位。

对建筑物造成破坏最大的是大地冻结后形成的龟裂裂缝, 冻结的大地使道路每隔3~6m产生横向和纵向贯通开裂, 路缘石处开裂。水位较高地段大地每隔10~30m出现裂缝, 纵横交错形成网状, 表面裂缝最宽达10mm以上。正是这种地面裂缝, 使建筑物基础在该缝的对应位置受到一定的拉胀力, 致使基础断裂。随着温度的不断降低, 裂缝不断加宽和延伸, 从而造成大地龟裂而引起的这种裂缝, 一般是从下向上发展, 即下缝宽上缝窄。这种裂缝很难加固修补, 所以有效地防止冻胀裂缝对建筑物的危害, 是严寒地区设计和施工必须解决的技术问题。

2 减缓冻胀破坏的一般性措施

由于新的建筑材料开发、生产、应用和人们对抗冻切力的逐步认识, 抗冻胀的方法多种多样, 例如:

(1) 大型的、重要的、高层建筑依然采取地基设在冻层以下, 防止冻胀。

(2) 一般的单层建筑物和构筑物设在冻层上, 采取适当的措施, 垫砂、钢渣、炉渣、基础加大、增设地梁等。

(3) 基础周围添砂、炉渣或者不含水的缓冲材料, 防止冻切力。

(4) 基础周围回填土要求夯实, 密实度、干容重符规范标准, 避免水浸泡。

(5) 施工中不使用含水率超标的材料, 即使有些建筑物构、筑物含水也要在气候降到零度之前, 使水分蒸发达到合格标准, 避免冻胀破坏。

(6) 混凝土在零下施工时, 将骨料和水加温, 在混凝土终凝前使水分吸收和蒸发, 在温度达到零下不结晶。

(7) 建筑物、构筑物进行防水, 使各部位不受浸袭和加热、保温、采暖等。

对于严寒高水位地区的建筑物基础, 设计中能否采用新的形式, 即能承受上部建筑物的承载力又具有抵抗多种胀力的性能。要求基础具有一定刚性, 在垂直承载时, 发挥其足够的刚度;又要求基础具有一定的弹性, 从而减弱或消除冻胀的破坏, 达到以柔克刚的目的。

通常在蓄水池基底及池壁四周外侧夯填天然砂, 在条形基础外侧、房屋地梁下夯填炉渣等松散材料, 以此来缓解冻涨力, 减轻对基础的破坏作用。这仅在构造方面体现了对冻胀的处理方法, 但对基础本身没有改进, 工作量没有减少, 反而增加了施工的难度, 延长了工期。这样做虽可以减轻一部分冻胀的影响, 但难以避免冻涨造成的开裂。

3 碎毛石基础垫层施工

近几年由于各种原因促使厂区和生活区地下水不断上升, 使各种基础浸泡在饱和的地下水中, 在基础设计时未采取措施。例如1999年冬季, 在未进行投产的某矿区集中排水泵房内, 长18m, 宽9m的钢筋混凝土泵池, 从池底中间至两条池壁与顶纵向贯通开裂, 池底中涨起80mm, 缝宽10~40mm, 池壁顶部中升高80mm, 裂缝宽60mm, 地磅房山墙中部基础冻胀上升使墙体斜向开裂错位。墙体缝宽35mm, 气温正常后至今还有15mm错缝未恢复。工业管道混凝土基础倾斜不能复位, 给正常使用造成难以弥补的损失。

生活和厂区水位上升, 各种基础浸入水中, 而冬季最大冰冻线-1.9m。住宅、厂房基础埋深一般在-1.6m以下, 许多基础底部在冻层的威胁。如果将基础加深至冰冻线以下, 原有基础实现不了, 新建项目基础也会增加很大工程量并提高工程造价。在近几年实践应用中, 采用在各基础下面增加200mm~400mm碎毛石垫层, 表面再用C8级混凝土找平, 然后再按设计进行基础施工的方法。经过这样处理的高水位冰冻层较深的各种基础, 基本减少和消除了冻胀对基础的危害。碎毛石垫层施工程序如下:

(1) 基础处理:基槽开挖还没有达到设计深度时, 有地下水, 即采取排水措施。首先使基础周围挖深超过基底深度, 每边放大500mm, 以便于排水, 切断周围地下水, 使基础中间土方开挖处于作业, 这样也不会扰动基底土层。土方全部开挖后, 保证水不能浸泡基槽。清除杂物, 打底夯。

(2) 碎毛石垫层:应选用质量较好且最大直径小于150mm的碎毛石, 不须任何加工及维修。级配为:80~150mm占50%~60%, 25~80mm占20%~30%, 25mm以下占10%左右。垫层厚度在300mm及以下者分两层夯填, 200mm厚的可一次夯填。铺填时基础每边放大200~300mm, 先铺80mm以上大料, 再用小料填空隙, 操作时要级配合理, 夯填密实, 表面基本平整。

(3) 混凝土找平层:碎毛石如表面较粗糙, 砂浆砌筑会流失, 在碎毛石表面浇灌30mm厚C8级细石混凝土, 表面用平板振动器镇平, 形成毛面, 养护到表面1.2MPa即可进行毛石浆砌, 砌筑按施工规范进行。

(4) 基础回填:冻土块坚硬不易压实, 解冻融化后易导致塌陷, 故回填尽量采用不冻土, 如用冻土应限制其粒径与掺用量。施工至地下水位以上时, 将已施工完的基础检查验收后即回填外侧土。在回填土前排水不能停止, 也不能用稀泥回填, 要用较干土壤认真夯填密实后, 方可停止排水。

4 碎毛石垫层的优点

4.1 碎毛石垫层基础的埋深及厚度, 虽然与

现场冰冻线有关, 但不但按常规埋入冰冻线以下。住宅楼埋深一般在-1.6m, 而最大冰冻线的深度为-1.9m, 这是因为最下层几十厘米冻结土对基础的反力已经较弱, 而且被基础垫层松散空隙所消除, 减少了工作量。

4.2 由于松散碎石置于饱和的地下水中, 水

位升降、流动可以在石块空隙中自由进行, 不会象浆砌片基那样形成隔墙, 互相隔开, 使水流受阻和隔断, 而碎石可以使基础下水位保持基本一致, 基础受力均匀。

4.3 碎毛石为无规格的废料, 不需加工和修

整, 规格没有特别要求, 大小均可使用, 填缝用小料, 也可用不规格砾石。不用过筛, 不掺其它材料, 就地取材, 施工简单, 铺填容易, 减少了拌奖和砌筑工序, 节约材料, 加快了施工速度。

4.4 建筑物基础一般只考虑基底面传递上部

压力, 两侧不起任何作用 (尤其在基础两侧回填保温松散材料时) 。而碎毛石基础的垫层原土回填后与周围土紧密结合, 与大地构成一体共同承载。因此基础底垫层断面可以缩小, 每边放大150~200mm即可满足要求。

4.5 最主要的是冬季大地冻胀收缩裂缝威胁

房屋基础时, 大部分冻胀拉力被无水泥胶结的碎石吸收。即使有一部分冻胀力传入基础底部, 因底部垫层有许多空隙具有弹性性能, 使之不能浸入上部刚性基础, 这就发挥了以其以柔克刚的特性, 对减弱和消除冻胀力, 防火建筑物的破坏有一定作用。

5 结论

根据近几年的现场施工证明, 对于在高水位冻胀层较深的各种基础, 在基础下增加200~400mm碎垫层毛石, 可基本减少和清除冻胀对基础的危害。

参考文献

[1]肖广智.冻胀土地基碎毛石垫层的应用[J].煤炭技术, 2003 (2) .[1]肖广智.冻胀土地基碎毛石垫层的应用[J].煤炭技术, 2003 (2) .

混凝土电杆冻胀裂缝的探讨 第5篇

近期在宁夏农网工程验收中发现了一种奇特的质量问题，就是用于灌区的混凝土电杆普遍出现了纵向裂纹或裂缝(本文对裂纹和裂缝的定位为：用肉眼认真观察才能看到的为裂纹，明显的、1m外一眼就能看到的称裂缝，文中提到的裂缝包含了裂纹，但裂纹不包含裂缝)，且都集中在电杆的阴面，但横向没有，而同期施工的非灌区混凝土电杆就没有这种裂缝现象。施工单位及现场监理反映，混凝土电杆在组立前、后经检查均未发现裂纹、裂缝现象。假如电杆在制造、运输或施工过程中产生了裂缝，不论电杆架设在何处，此类裂缝均可能存在，绝对不会集中在水位高的地区，而且都在阴面，排除了电杆在制造、运输和施工过程中产生裂缝的可能性。但经过一、两个冬天问题就出现了，而且较为普遍，有些特定地区的裂纹、裂缝率占电杆总数的95%以上，其中裂缝占多数。这种阴面裂缝在以前的工程中也出现得较多，可见问题的严重性。为什么裂缝都集中在电杆的阴面?而且经过一、两个冬天后才会出现?为了摸清问题的根源，宁夏电力公司农电部组织宁夏电力质监中心站及建设、运行、施工、监理单位和制造厂对电杆裂缝比较集中的地区进行了实地察看和调研，并召开了专题研讨会，经认真分析和讨论，结合国内其他省份和地区对电杆类似裂缝成因的阐述，达成了共识，形成了一致意见，即在特定地区，冰冻膨胀是造成混凝土电杆大面积裂缝的直接原因。但冰冻膨胀是如何形成的，如何预防还没有定论，为此本文进行了探讨。

1 造成混凝土电杆裂缝的几种原因

混凝土电杆处在正常(地下水位不高)情况下，排除电杆在运输、组立过程中人为可能出现的裂纹外，一般产生裂纹的原因有三：一是环境温差大可能产生裂纹。对于钢筋混凝土制品来说，其线膨胀系数与电杆混凝土的强度等级和配筋有关，不是定数。普通纯水泥制品的线膨胀系数为0.1410-4/℃，卵石、砂粒为0.1210-4/℃(参考值)，钢材为0.1110-4/℃。对于电杆来讲，纵向的膨胀可能导致横向开裂，而横向的膨胀可能导致纵向开裂。以8m电杆为例，露出地面的高度为6.5m,靠近地面电杆的外径周长约为766mm，假定在日照下电杆阳面的温度是均匀的，当阴、阳两面温差假定为25℃时，经计算，其阳面横向膨胀约为0.115mm，这个数量级绝对不会导致电杆出现纵向裂纹。而纵向的尺寸为6.5m，在同样的假定温度下阳面纵向膨胀约1.95mm，这就有可能导致横向出现裂纹。但从实际情况来看，发现的裂缝均在阴面且都是纵向，排除了因温差引起电杆裂缝的可能性;二是混凝土发生碱集料反应，即混凝土产品成型后，由于原材料中的碱与集料中的活性成分发生后期反应，产生胶凝物使混凝土出现不同程度的膨胀，这就可能使产品出现裂纹。碱集料反应出现的裂纹在大面积、大体积的混凝土成品中表现突出，类似混凝土电杆这种小截面、小体积的产品出现这种裂纹的机率很小，但不能排除;三是空气中的酸碱成分对混凝土表面产生破坏作用，出现浅层轻度龟裂和麻面。以上三种原因在混凝土电杆上所产生的裂纹是轻微的，且不论电杆组立在什么地方都可能出现，但在高水位、高寒的特定地区不占主导地位，可以忽略不计。

2 混凝土电杆产生冻胀裂缝的原因分析

2.1 什么是冰冻膨胀

众所周知，水在4℃时体积最小，在这个条件下，当温度升高或降低时体积都会膨胀。水在变成冰的临界过程中其体膨胀系数为2.7610-4/℃(见表1)，其体积增大最快，稳定后冰的密度是水的97%。如冬天装在玻璃瓶子里的水结冰后其瓶子就会胀裂，这就是冻胀造成的后果。水变成冰后其体积增大叫冰冻膨胀。

2.2 混凝土电杆产生冻胀裂缝的条件

上面提到了发现大面积电杆阴面裂缝的地段均在宁夏平原的黄灌区(宁夏平原的农田以黄河自流灌溉为主，这些地区称黄灌区)，而非灌区没有。宁夏黄灌区的田地在冰冻之前都要进行大面积、大水量的冬灌，地下水位高，且电杆经过了一、两个寒冷的冬天后才出现裂缝，不难看出，水位高、气温低是造成混凝土电杆冻胀裂缝的两个关键因素。

2.3 冻胀裂缝在不同杆型上的分布和程度

为了查清是否是冰冻膨胀造成混凝土电杆裂缝，我们对同地段不同时期施工的、不同制造厂、不同类型和用途的电杆进行了抽查，抽查的杆型有12m非预应力等经杆，10m、8m、6m预应力锥形杆四种类型。从抽查的结果看，不同时期、不同厂家、不同类型的电杆都存在阴面裂纹或裂缝，但出现裂缝的电杆占其抽查数量的比例和裂缝的程度有所不同，严重者同一杆的主裂缝有一至两条，一条者为多。裂缝的两侧还附带有长短不一的裂纹，且无明显规则，见图1。110kV线路等经杆出现裂纹、裂缝的约占抽查总数的80%，以裂纹为主，裂缝所占裂杆的比例约为20%，裂缝范围在杆身地面以上2m内;预应力锥形10m杆(10kV线路及变台)出现裂缝的约占抽查总数的90%，裂缝所占裂杆的比例约为60%。最严重者是预应力8m电杆(低压配电线路)，有一工程项目地处黄河主河道较近且为粘土地段，共23基电杆，其中22基有裂缝，只有1基位于路边地势较高处的未裂，出现裂缝的22基杆裂缝宽度一般在1mm左右，个别严重者其裂缝最宽处冬季约2mm，夏季缩小为1.5mm，裂缝范围在杆身地面以上3～5m以内，从下到上为贯通性，下部裂缝大，上部裂缝小。6m预应力电杆(电信线路)裂纹、裂缝相对少一些，约占抽检的65%，也以裂缝为主，裂缝范围在杆身地面以上2.5m以内。

2.4 混凝土电杆产生冻胀裂缝的物理过程分析

宁夏黄灌区冬灌后，地下水位的高低随当地地质条件的不同而有差异，一般在地表以下1.5～2m左右，距黄河较远或砂土地质地段约2.5～3m左右;宁夏属西北寒冷地区，川区冻土层厚度为0.8～0.9m，电杆组立时其埋深根据电杆长度和地质条件的不同而不同，通常12m杆为1.9m,10m杆为1.7m,8m杆为1.5m。从以上数据可以看出，当混凝土电杆组立在地下水位高的地段时，杆根已越过或接近地下水位。预应力混凝土电杆在出厂时杆顶是用水泥砂浆封堵的而杆根不堵，也就是说，杆根下部的孔洞是敞开的，因此，水位高时杆根下部可能浸入水中，就是不浸入水中杆子内部空腔也充满了潮汽，尤其是晚上，当外界气温低于0℃较多时，杆内潮汽就会凝结在杆的内壁而结冰，其过程和冬季房间里的玻璃外窗结冰相似。若白天最高环境温度也在0℃以下，太阳一晒阳面杆壁温度升高，杆内靠近阳面的冰因杆壁温度的升高而溶化流入杆根，而阴面的冰就会保留，日复一日，杆内壁阴面的冰日积月累就会越积越厚，冰的膨胀力也越来越大，杆壁因冰冻膨胀产生的应力也越来越大，当应力超过杆壁能承受的极限后就开始开裂，如果上述过程仍在继续，则裂纹继续扩大而变成裂缝。由此可见，冰冻膨胀是发生在混凝土电杆的内部空腔而不在外部，其原因是地下水位高(杆内潮汽大)、气候寒冷造成的。那么，为什么用于110kV的非预应力等经杆裂的就轻一点，这可能是杆径粗、壁厚、箍筋密、整体强度相对较高的原因，它所能承受的冰冻膨胀应力要比预应力杆大得多，所以大多数为裂纹，且裂纹范围也小一些。而预应力电杆壁薄、箍筋少，它所能承受的冰冻膨胀应力要比等经杆小得多，所以出现了大面积的裂纹或裂缝。至于6m用于电信的预应力电杆为什么裂的程度要小一些，这可能是埋深浅、杆内的潮汽相对要少，杆子的内腔小，结冰的面积和厚度也相对要小，冰所产生的膨胀力也要小，所以裂的程度和范围也就小一些。再则，6m杆杆细壁薄，白天太阳照射后杆内温度上升较快，其内部温度要比杆粗壁厚的要高一些，也可能造成阴面的冰部分溶化，所以杆子的裂纹相对要小。用这个道理来解释8m电杆距杆顶约2m的部位裂纹少的原因也能成立。冰冻膨胀出现的裂纹也好、裂缝也好都是纵向的，所以与电杆主筋的大小和多少没有直接关系，关键取决于电杆的箍筋和壁厚。

另外，成品混凝土有一定的吸水性，当吸入的水分结冰后也会产生膨胀，尤其在冬天，晚上的温度低于0℃而白天的温度又高于0℃时，吸入的水分晚上后半夜结冰而白天溶化，从微观方面分析，结冰时产生的膨胀使电杆固有微小缝隙扩大，冰融化后再吸入水分的量要比上一次多，再结冰后可能使缝隙进一步扩大，如此反复，最终可能导致电杆出现细微裂纹。对电杆阴面来说，这种吸水性冰冻膨胀现象发展到冰不再融化为止，而阳面因太阳的照射，白天融化晚上又结冰，如此要反复整整一个冬天，从理论分析不难看出，阳面因这种原因引起裂纹的几率要比阴面大得多，但从实际情况来看阳面并没有出现裂纹，所以，可以肯定地说，这种因混凝土吸水引起的电杆裂纹的现象，对大面积阴面裂缝来讲也不占主导地位。

3 混凝土电杆冻胀实验的建议和实验方法探讨

为了能准确判断上述分析结论是否正确，就必须进行实验验证。因混凝土电杆在宁夏出现冻胀裂纹的范围较大，遍布整个黄灌区，只是因地质条件的不同裂缝的数量、程度和范围不同而已。电力线路验收规范规定，新建35kV及以下架空电力线路等径杆应无纵向裂纹，横向裂纹的宽度不应超过0.1mm;预应力混凝土电杆应无纵、横向裂纹;0.4kV低压线路运行规程明确规定电杆不宜有纵向裂纹，横向裂纹不应大于0.5mm。黄灌区某些线路工程秋季施工，来年春季就发现较多电杆裂纹或裂缝，给生产运行带来较大的安全隐患。对于有纵向裂缝的电杆如何处理也是个问题，全部更换数量过多，费用较高，而且严重影响用户供电。若不能找出真正原因，从根本上解决问题，即便是重新换新杆，历经冬季照样会裂，所以，建议制造厂成立攻关小组，对混凝土电杆进行冬季冻胀裂缝实地实验，掌握第一手资料，分析原因，在制造过程中就采取措施，以达到根治冰冻膨胀造成混凝土电杆裂缝的难题。

3.1 实验材料准备

因8m预应力混凝土电杆裂缝最为严重，所以选择8m电杆做实验效果更好。实验共需电杆3根，其中2根可用报废电杆，只要保证电杆的一个侧面没有纵向裂缝(允许有裂纹)就行，另一根要在杆体开多个观察孔，须特殊加工，为方便叙述将三根杆分别编为(1)、(2)、(3)号。另外，还需准备覫10023005mm塑料管一根。

(1)号杆模拟目前施工现状，杆体不做任何变动，杆根孔洞敞开杆稍封堵，组立后用于观察杆体可能出现裂纹的时间过程和程度。

(2)号杆杆根和杆稍严密封堵，使地下潮汽不得进入杆腔，根据杆体出现裂纹与否来判断造成裂纹的原因是否为潮汽，为制定预防措施找出依据。

(3)号杆在制造过程中要预留1个覫50mm、4个覫30mm的圆形孔洞，杆梢封堵，杆根不堵，让潮汽进入杆腔，用于观察杆内冰形成的全部过程，具体开孔位置见图2。塑料管与电杆一并植入地下，但埋深要比电杆深一些。

3.2 实验场地的选择

实验场地应选择在灌区平坦的地段，临时用地约4m2左右，在冬灌前将杆子组立，解冻后将电杆拔除，基本不影响农田的耕种。

3.3 电杆的组立

三根电杆和塑料管可并排组立，见图3。为减小地下温度对杆身的影响，杆距应不小于0.5m，可不设底盘，为防止泥土进入杆腔过多，杆根处可垫以草袋或用编织袋包裹杆(管)根阻挡，电杆埋深按规范要求准确控制在1.5m。塑料管埋深2m，以便观察地下水位的变化。特别要提醒注意的三个地方：一是不论新杆还是废杆，组立后应保证电杆的阴面没有任何裂纹;二是有预留孔的电杆开孔方向应朝向正南(阳面)，以便观察阴面的结冰过程。三是杆、管组立结束后，应将所有预留孔洞和塑料管口用保温性能好的、可供多次使用的软性材料封堵。

3.4 观察和测量

根据当地的环境温度情况，当夜间最低温度在-10℃及以下而白天最高温度在0℃以上时可进行抽查，作好记录;当白天环境最高温度低于0℃时便开始正式实验工作，每3d观测一次，作好记录。观测和记录的内容有：时间、当日最高、最低温度，各孔洞对应阴面冰层的厚度(用游标卡尺测量)、塑料管底部是否有水及管底温度(用水银温度计测量)、杆体阴面是否出现裂纹(用裂纹放大仪观测)，若出现两个及以上裂纹时应对裂纹编号记录。测量时应注意以下几点：一是观察测量速度要快，尤其是大孔，免得杆内潮汽外泄及杆外不同温度的进入影响实验的准确性，观测完后立即将孔洞封堵;二是测量塑料管底部的温度时，应将水银温度计用细丝拴住缓缓放入管底后马上将管口封住，5min后取出温度计观测记录，以免管外冷空气进入使温度失真;或将温度计长期保留在管底，仅观测时拿出，并根据温度计底部是否浸湿判断管底是否有水;三是携带照相机及微孔摄像头拍摄杆内冰层情况，留下珍贵的图像资料。

4 防止混凝土电杆冻胀裂纹的应急措施

混凝土电杆冰冻膨胀实验最快也只有在冬季进行，为了避免电杆经冬天后再出现较严重的冻胀裂缝，在实验结果未出来之前，不论在什么季节施工，只要是用于灌区的电杆都应采取应急措施。建议在起吊的前用水泥砂浆灌入杆根，再用编织袋包裹绑扎结实防止砂浆流出，然后组立，这样，当电杆立起后砂浆均匀下沉到杆根周围，紧贴杆壁，以达到密封杆底的作用，费工费料不大，或许收到意想不到的效果。如果在电杆组立前提前封堵，因电杆是平放的，砂浆塌落，砂浆上部与杆壁之间出现缝隙，水或潮气仍能进入杆腔，达不到密封效果，电杆仍会产生冻胀裂缝。或许施工单位会想出更好的封堵办法，只要能达到严密封堵杆根的效果即可。

有人会提出，杆根、杆稍均封堵后，假定电杆无任何沙眼和微小缝隙，杆腔内部与外界彻底隔绝，当环境温度变化时，杆腔内空气会膨胀或收缩，会不会使杆壁产生应力而使电杆出现裂纹?从物理学我们知道，在常温下，密封在容器里的一定量气体，当温度每升高(或降低)1℃，增加(或减小)的压强等于它在0℃时压强的1/273，换句话说，当温度从0℃升高到273℃时，密封容器里的压强将增加1倍，电杆壁能承受内腔的负压远远大于正压，也就是说当杆内气体膨胀对电杆的危害要大的多。宁夏地区的温差较大，因空气膨胀会对电杆产生较大的不良后果，但电杆总会有微小的沙眼或缝隙起呼吸作用，采取临时应急措施时可暂时不考虑因气体膨胀对电杆产生的影响，如果试验成功，在电杆制造过程中工厂化的封堵时就要考虑这个因素，可在距杆顶约200mm处杆的侧面预留一小通气孔解决。

5 结语

(1)冰冻膨胀是一物理现象，但要造成混凝土电杆裂纹得具备特定的条件，一是地下水位高，二是环境温度寒冷。

(2)冻胀是发生在电杆的内部而不是外部。

(3)成品混凝土有一定的吸水性，水份结冰后对电杆冻胀裂缝有促进作用，但不占主导地位。

(4)电杆的冰冻膨胀裂纹与制造、施工质量无直接因果关系。

(5)从分析结果来看，只要杜绝潮汽进入杆体内径孔洞便可防止杆内结冰，从而解决混凝土电杆冻胀裂纹这一难题，但要经实验来验证。

天然硫酸盐渍土盐-冻胀性试验研究 第6篇

1 盐-冻胀性试验

1.1 试样制备

根据不同含水率要求, 充分混合水及盐渍土, 拌匀后放入塑料袋内浸润24 h, 采用室内击样法制备成所需的压实度试样[5]。为了保证土样均匀的密实度, 试样的制备采用了密度控制法对土样进行分层击实。

1.2 试验方法

考虑模拟新疆地区冬季平均气温, 选择试验温度为-20℃和28℃, 试验时将土样放置恒温-20℃冰箱中24 h后, 取出放置恒温28℃的实验室中24 h, 进行试验。因季节的不同和取样地点的不同, 盐渍土的密度及含水率会有差别, 因此在试验中考虑了密度和含水率对硫酸盐盐-冻胀性的影响, 将硫酸盐渍土土样在初始含水率为10%, 13%, 16%和初始干密度为1.4 g/cm3, 1.6 g/cm3, 1.7 g/cm3条件下制样并进行试验, 分组情况见表1。

2 试验结果分析

2.1 初始含水率不同时硫酸盐渍土的累加盐-冻胀量变化规律

初始含水率不同时硫酸盐渍土的累加盐-冻胀规律见图1~图3。从图中可以看到, 随冻融循环次数的增加和含水率的提高, 硫酸盐渍土的盐-冻胀率均不断增加。土样经24 h在-20℃冰箱的低温环境中, 硫酸盐渍土中硫酸钠溶液由28℃逐渐降低至-20℃, 随温度的逐渐降低, Na2SO4吸水结晶转化为Na2SO4·10H2O。因硫酸钠晶体体积大于硫酸钠溶液中硫酸钠和10个水分子的4倍左右, 在硫酸盐渍土土样温度降低过程中, 体积不断增加, 即盐-冻胀率不断增大;随冻融循环次数的增多, 土样中的硫酸钠向硫酸钠晶体转换的数量慢慢增多, 盐-冻胀率增加。

硫酸钠溶液中硫酸钠需吸收10个水分子转换为硫酸钠晶体, 试验土样的含水率分别为10%, 13%和16%, 含水率较高的土样, 其中硫酸钠可以吸收的水分子更充足;且在温度逐渐降低至-20℃过程中, 盐渍土中的自由水会转换成冰, 此时土样同时发生冻胀现象, 土样体积同样增加;在盐胀和冻胀的共同作用下, 土样的盐-冻胀率随含水率的增大而不断增大。

2.2 初始干密度不同时硫酸盐渍土的累加盐-冻胀量变化规律

初始干密度不同时硫酸盐渍土累加盐-冻胀率变化规律见图4~图6。由图可以看出, 在冻融循环试验次数的增加过程中, 含水率不同的硫酸盐渍土随冻融次数的增大, 其累加盐-冻胀率不断递增, 但当盐-冻胀率值增大到一定值后增大趋势逐渐趋缓;干密度的增加, 对累加盐-冻胀率的影响作用不大, 含水率不同干密度条件相同时, 累加盐-冻胀率差异显著, 故盐渍土的含水率较干密度对其盐-冻胀率的影响作用更大。相同含水率时密度较小的硫酸盐渍土土样中的孔隙较多, 孔隙中的易溶盐溶液较多, 当温度逐渐减小过程中, 盐胀、盐-冻胀陆续引起土体体积增加, 累加盐-冻胀率呈增大趋势;相反当土样密度较大时, 此时硫酸盐盐渍土土样中的孔隙较小, 孔隙中的易溶盐溶液较少, 因此密度较大的1.7 g/cm3的土样, 其累加盐-冻胀率小于密度为1.5 g/cm3和1.6 g/cm3的盐渍土土样。故在盐渍土地区可以通过增加土体密度的方法, 来降低盐-冻胀对建 (构) 筑物的危害。

2.3 初始含水率不同时硫酸盐渍土的累加盐-冻胀量变化规律

初始含水率不同的硫酸盐渍土盐-冻胀增量变化规律见图7~图9, 由图可知, 初始含水率相同、干密度不同条件时硫酸盐渍土盐-冻胀增量规律基本相同即:含水率的增加, 影响盐-冻胀增量逐渐增加。盐渍土土样在含水率较大时, 盐-冻胀增量表现的越突出。硫酸盐渍土土样在冻融循环进行至第3次时表现出最大的盐-冻胀增量。冻融次数增加, 盐-冻胀增量逐渐增加, 当增量增加到一定值后, 开始逐次减小。土样在初始冻时, 随着温度降低逐渐产生的硫酸钠结晶体填充土样孔隙及土体骨架, 使得土样体积膨胀;土样融化过程中随温度的升高硫酸钠晶体由晶体转化为液态, 此时土样体积较土样原始体积大, 随土样的融化, 土样中有自由水的蒸发, 导致土体中易溶盐溶液含量浓度增大。第2次冻土样时, 盐晶体的析出量较第1次多, 故盐-冻胀增量增大。土样再次融化, 水分不断蒸发, 土体中易溶盐溶液浓度继续增加, 冻融循环第3次时, 土样中硫酸钠结晶体更多, 盐-冻胀增量更大。3次冻融循环使土样中的水分大量蒸发, 土样含水率大大降低, 硫酸钠结晶体开始减少, 盐-冻胀增量开始降低。

3 结语

通过冻融循环方法对天然硫酸盐渍土进行试验, 可得以下结论:

1) 硫酸盐渍土随冻融循环次数、含水率的增大, 盐-冻胀率增大。2) 相同含水率时, 干密度的增大, 盐-冻胀率差异不大, 含水率更能影响土样的盐-冻胀率。3) 第3次冻融循环时硫酸盐渍土呈现出最大盐-冻胀增量。

摘要：以天然硫酸盐渍土为研究对象, 对天然硫酸盐渍土进行了室内研究, 试验在冻融循环条件下进行, 试验结果显示, 天然硫酸盐渍土的盐-冻胀量随着冻融循环次数及含水率的增加而增大;相同含水率时, 盐-冻胀量随干密度的增加盐-冻胀率相差并不大, 含水率更能影响土样的盐-冻胀性;硫酸盐渍土在第3次冻融循环时表现出最大的盐-冻胀增量。

关键词：盐渍土,盐-冻胀量,冻融循环

参考文献

[1]李芳, 李斌.中国公路盐渍土的分区方案[J].长安大学学报, 2006, 26 (6) :13-14.

[2]徐攸在.盐渍土地基[M].北京:中国建筑工业出版社, 1993:78-82.

[3]王俊臣.新疆水磨河细土平原区硫酸 (亚硫酸) 盐渍土填土盐胀和冻胀研究[D].长春:吉林大学建设工程学院, 2005:48-100.

[4]贾磊, 候征, 王维早.冻融条件下硫酸盐渍土的膨胀机理及抑制措施[J].安徽农业科学, 2009, 37 (7) :3330-3334.

有砟道床冻胀成因及整治策略 第7篇

冻胀是黏性土中较易发生的现象。在特定气候条件下 (如季节性冻土区) , 黏性土冻胀敏感性更强。土体冻结开始后, 土中的冻土与融土的分界面, 我们通常称为冻结峰面或冻结缘。试验和实践表明, 黏性土在冻结过程中不仅原位置的水结冰膨胀, 而且在渗透力 (抽吸力) 作用下, 水分将从未冻结区向冻结峰面转移, 并在那里结晶膨胀。这些现象在黏性土中很常见, 我们通常认为在道床这种大空隙的碎石层不会发生冻胀。

本文通过对滨绥线上行K211+070—K211+300冬季冻胀情况的实地观察, 结合冻胀机理, 对铁路道床冻胀形成的初步原因进行分析并提出整治措施建议。

2 道床冻胀产生原因

路基冻害按产生冻害的部位分为三类:道床冻害、表层冻害、深层冻害。通过调查发现, 发生路基冻害的路基填料多为粉质粘土和砂粘土为主, 为冻胀敏感性填料。同时, 发生冻害地点道床一般脏污且存在不同程度的道碴板结与含泥量超标的情况。所以冻胀的发生与构成物质中的细颗粒含量、含水量密切相关。

2.1 道床冻胀表现形式

一般情况下道床冻胀量不大, 并且常与路基表层冻胀相叠加, 道床冻胀与含水量、道床物质构成及负气温持续时间有关。这三者之间存在如下关系:含水量是道床冻胀的基本因素, 含水量越大, 冻胀越严重;在相同的负温条件下, 细颗粒占比重越大, 冻胀量越大;在同样道床物质构成条件下, 负温度持续时间越长, 冻胀量越大。滨绥线上行K211+070—K211+300处冻胀 (图1) 为较为典型的道床与路基层冻害相叠加形成的冻害, 200米范围内连续3处冻胀量超15mm的冻害 (滨绥上行K211+075-K211+085、K211+105-K211+117、K211+213-K211+219) 。道床与路基表层相叠加冻胀的特点一般冻胀发生时间早, 回落时间长, 冻胀情况对负气温敏感, 一般每年12月初白天最高气温低于0℃即出现冻胀情况, 如持续负气温, 冻胀量会出现快速上涨情况, 可引起轨道几何尺寸的变化。该处冻胀总体情况至1月中旬左右达到稳定, 4月下旬气温升高冻胀位置会出现急剧回落情况, 影响行车安全 (图2) 。

2.2 道床脏污情况测定

通过中国铁道科学研究院铁道建筑研究所采用车载探地雷达技术对滨绥线上行K211-K215区段检测数据的分析, 并对比2012-2015年的《牡丹江工务段路基冻害技术档案》可以得出:滨绥线上行K211+090—K211+724处存在道床脏污, 排水不良, 冬季引起冻害问题发生 (图3、4) 。

对滨绥线K211+760-K211+880区段道床冻胀处所的脏污构成进行取样分析, 发现枕底以下的道床脏污率 (25%-35%) 要大于枕盒内道床的脏污率 (18%-25%) , 枕下0-150mm范围内脏污最为严重, 取样污染物以破碎小粒径石砟为主。在底碴取样中能观察到一个相同的结果。道床脏污含泥成分70%以上由圆形石英底碴本身材料组成, 脏污其余部分是煤、煤碴渗入物、砼枕磨损物等。结合取样现场实际情况, 分析道床脏污来源主要有四项 (图5, 6) , 即:

(1) 石砟破碎。在运输荷载、环境影响 (如冻融和风化作用) 、维修捣固、装卸运输、颗粒迁移等因素影响下造成道床石砟破碎。滨绥线上行年通过总重7800万吨, 结合其他年份对道床脏污情况的调查, 可以确定道床脏污的石砟破碎颗粒是由于重载运输和环境条件共同造成的, 是道床脏污的主要原因。

(2) 面层渗入。从列车上散落的物质、风雨携带、路料卸车 (土毛石、块石) 等脏污物质是道床脏污物质的潜在来源。

(3) 轨枕磨损。轨枕的破坏与磨耗是道床脏污物质的来源之一。

(4) 底层渗入。底层渗入道床脏污物质普遍与排水不良有关, 是道床脏污的又一来源。

3 道床冻胀的防治

铁科院《寒区铁路路基防冻胀结构及设计参数研究》等一些研究中提出:当土体中的细颗粒 (小于0.075mm颗粒) 含量小于总量的12%时土体的冻胀率将不大于2%, 当土体中的细颗粒含量大于12%时, 冻胀量会显著增大。一般情况下道床的最大冻胀率<4%, 以滨绥线上行平均污砟300mm来计算, 也就是冻胀量不会超过12mm。但是道床的弱冻胀性与路基表层冻害相叠加, 甚至会出现15mm以上的严重冻胀, 危机铁路行车安全。所以, 道床的这种冻胀也需要线路维修部门积极的整治。大量的研究实验表明, 道床冻胀是道砟细颗粒含量和道床含水率共同作用的结果, 我们在做好排水的同时还要注意到含泥量对道床冻胀的影响。

3.1 减缓道床脏污

通过对滨绥线上行K211-K216道床脏污的分析可以看出道床脏污的主要来源还是由于重载运输和环境条件共同造成的。减缓道床脏污的途径:

(1) 采用优质石砟。为了保证道床弹性良好, 重载线路补充碎石应严把质量关, 保证补充的线路碎石具有质地坚韧, 有弹性、不易压碎和捣碎, 排水性能好, 吸水性差, 不易风化, 不易被风吹动或被水冲走等特性, 这样有利于延长道床整体维修周期。

(2) 加强道床作业控制。在日常的道床捣固维修工作中应谨慎进行全起全捣作业, 对不超过6mm以内的几何尺寸形变可以采取捣垫结合的作业方法, 频繁的起道捣固也容易造成石砟磨损, 扰动轨底道床, 使道床加速脏污继而出现道床病害问题。

(3) 加强对道床薄弱处所的整修。要重视对道床薄弱处所的整修, 如对钢轨接头部位出现的低接头要及时处理, 出现泛白情况要更换清砟;对道床处于松软状态的空吊处所要及时捣固, 消除道床设备问题。

3.2 消除道床病害

道床的冻胀问题往往与其他道床病害相伴发生, 因此要重视道床病害的综合整治。

(1) 道床厚度要求问题。既有线如果道床厚度不足, 会使路基面应力增加, 导致道碴被压入路基面形成道砟囊。形成道砟囊之后会出现排水不良情况, 容易形成翻浆冒泥和冬季的道床冻胀, 大大增加维修工作量。日常线路养护工作中, 对道床厚度不足要及时抬道补充。

(2) 排水问题。冻胀与含水率密切相关, 相同细颗粒含量情况下, 含水率不同, 道床冻胀率不同.随着含水率的增大, 道床冻胀率会增大。一是在日常维修工作中要重视道床排水, 对道床边坡存在的土拢、信号基础、道口等要及时疏通排水, 对既有的道床排水设施在雨季前要彻底清理至畅通;二是线路养护维修注意不要阻碍道床排水, 如:既有线卸土毛石帮款路肩要注意撤好土方, 调整轨肩差, 不能出现边坡土拢影响道床排水的问题;三是道床板结、翻浆冒泥等严重病害要全断面换砟处理, 恢复道床良好的排水及弹性。

4 结论

综上, 道床的冻胀性会显著增加线路的维修工作量, 对行车安全造成影响。因此, 我们日常要重视积累道床冻胀及其他道床病害的整治经验, 认真分析成因, 积极采取整治措施, 以达到稳定道床的目的。

摘要：在寒冷地区, 冻胀现象是普遍存在的现象, 季节性冻土地区广泛发生于黏性土中。季节性冻土地区, 不均匀冻胀可以引起轨道几何尺寸明显短于线路维修周期的急剧变化, 对铁路行车安全构成威胁。我们一般认为冻胀发生在路基部分, 可是, 现已证实有时冻胀现象发生在道砟层。这种道床的冻胀现象在我国东北季节性冻土地区既有线上经常可以观测到。经过工务部门长时间的观察, 如果道床存在不洁、脏污、排水不良等问题, 很有可能出现冻胀或翻江冒泥现象。

关键词：有砟道床,冻胀,原因,整治

参考文献

[1]李育宏, 高以健, 马红绛等.兰新铁路提速区段道床冻不同粉粘土颗粒含量下道床的冻胀胀试验研究[J].兰州交通大学学报, 2010, 2 (31) :38-42.

[2]中国铁道科学研究院.寒区铁路路基防冻胀结构及设计参数研究[R].北京:中国铁道科学研究院, 2010.

[3]刘伟平, 孙国钧.春融季节路基冻害整治技术[J].铁道建筑, 2005, 12, 50-51.