水工建筑物抗冻技术论文

1、冻胀土对土石坝的破坏及防治措施序号： 20 姓名： 黄睿 学号： 20093661 班级： 水工09级 冻胀土对土石坝的破坏及防治措施摘要：本文主要介绍了冻胀土的分类，各种冻深的计算方法，冻胀力的计算方法，土石坝坡的破坏形式及抗冻措施。关键词：冻胀土；冻胀力；抗冻措施。1 冻胀土的特性与冻胀力1.1 冻胀土的特性1.1.1 有关冻土的几个基本概念在对冻胀土进行叙述之前，必须对一些基本概念进行定义。冻土：具有负温及冰胶质的松散固体颗粒的土。寒土：服务为度但不存在冰胶质的土。冻融土：冬季冻结春夏融化的土。温度高于土中水的冻结温度的土称为未冻土。冻结：含有水的土体，当温度降低到冻结温度以下时，土中的

2、孔隙水便会冻结成冰。1.1.2 冻土的分类冻土按时间分为多年冻土，季节冻土和暂时冻土。多年冻土（permafrost），又称永久冻土，指的是持续三年或三年以上的冻结不融的土层。其表层冬冻夏融，称季节融化层。多年冻土层顶面距地表的深度，称冻土上限，是多年冻土地区道路设计的重要数据。多年冻土分为两层：上部是夏融冬冻的活动层；下部是终年不融的多年冻结层。多年冻土是寒冷气候（年均气温<-2）区的产物。季节冻土（seasonally frozen ground ），地表层冬季冻结、夏季全部融化的土（岩）。 包括季节冻结层和季节融化层（也称活动层）。1.1.3 标准设计冻深气象台站观测地表土层多年的

3、冻土平均值，观测数据不少于10年，这个值称为标准冻深。按气象台观测每年日平均气温计算，自日平均气温出现的日期开始至平均气温为正温时止，在此期间气温的代数和即为冻结指数。标准冻深的特性：1.无遮挡平地上2.不存在地下水影响3.地表无积雪4.地面不胀不缩。标准设计冻深的计算通常用下式：H0=I0=2.84e1.92I0×10-4其中式中H0 工程地点的标准冻深（cm）；I0- 冻结指数的多年平均值（c·d）；- 系数。1.1.4 工程设计冻深工程设计冻深指计算地点冻结深度的设计取值。通常通过下列公式来计算工程设计冻深。Hd=KpKdKzH0其中式中H0 工程地点的标准冻深（cm

4、）；Hd- 工程地点的工程设计冻深（cm）；Kp- 频率模比系数；Kz- 地下水修正系数，地下水对冻结区的水分补给及冻深发展起阻滞作用，地下水位越高作用越大；Kd- 日照及遮阳程度修正系数，向阳面取0.651.0，底面取1.01.2，遮阳面（阴面）取1.21.5，维度35°50°逐渐取大。1.1.5 基础设计冻深基础设计冻深指计算点基础外露面算起的冻深。通常通过下列公式来计算基础设计冻深。Hd=HdKad-1.67a其中式中Hd 工程地点的基础设计冻深（cm）；Hd- 工程地点的工程设计冻深（cm）；Ka- 衬砌材质修正系数，钢筋混凝土取0.35，浆砌石取0.3，干砌石取0

5、.25；d-衬砌厚（cm）；a-冰厚（cm）。1.1.6 残留冻土厚度通常通过下列公式来残留冻土厚度。Cd=Hd-d其中式中Cd 工程地点的残留冻土厚度（cm）；Hd 工程地点的基础设计冻深（cm）；d-衬砌厚（cm）。1.1.7 土的冻胀的定义及相关参数的计算土在冻结过程中，土中的水冻结成冰，其体积产生膨胀引起土颗粒间的相对位移，外观表现为地面的不均匀升高，这种现象称为土的冻胀。土体冻结时引起地表的总上升值即土在冻结钱原土在高度上的向相比增量值称为冻胀量。用h表示。h=H2-H1其中H2、 H1指天然冻土胀后地面高程及冻前地面高程。冻胀强度的计算按下式：f=hzf×100%zf=h

6、f+h其中式中zf 最大冻土层厚度（cm）；hf冻深（cm）。冻胀率的计算按下式：=hhf×100%=f1+f×100%f=1+×100%不均匀冻胀率系数按下式计算：KF=hL×100%=h2-h1L×100%1.1.8 影响土体冻胀的主要因素1.土质：a.土颗粒越小冻胀越大，表面积越大，与水相应作用的能量越高。非冻胀土：粗颗粒土中小于0.05mm的土粒占总重量的6%以下。根据土颗粒大小各类冻胀性土体冻胀性排列：粉质土、亚砂土>亚粘土>粘土>砾石土>粗砂>砂砾石。b矿物成分对粘性土冻胀影响：单质粘性土冻胀土强弱：高

7、岭石>水云母>蒙脱石。c.密度：当土的密度大于1.6g/cm³以上时，土基不会产生冻胀。2.水分：起始冻胀含水量：土中含水量超过一定的界限才产生冻胀，这个界限叫起始冻胀含水量与塑性含水呈线性关系。安全冻胀含水量：土体冻胀系数小于或等于1%时，这个界限的含水量叫安全冻胀含水量。封闭系统：在没有外来水补给的条件下，土的冻胀主要取决于土体中保持水量，特别是冻结钱土壤含水量。开敞体系：在有外来水补给条件下，冻胀土中的水的增加，主要取决于外界迁移的水。3.土体温度对冻胀的影响：负温是必要条件，土体冻胀停止温度：亚粘土：-10-8，亚砂土：-5-3，砂土：-2。4.荷载对土体冻胀的影

8、响：荷载大，冻胀性能小，当土体外部荷载增加时会对土体冻胀产生显著的抑制作用。终断压力：土体冻胀停止时的荷载。按下式计算：fp=KpfKp=e-1.5p其中式中fp 在荷载作用下土基土的平均冻胀强度（%）；f土基土自然条件下的平均冻胀强度（%）；Kp 折算系数；p构造物的荷载强度（102KPa）。1.1.9冻胀土分类冻胀土分类表判定标准冻胀量2cm（2，5（5，12（12，2222cm1.2 冻胀力1.2.1 冻胀力的定义及分类由于土体的冰胀，其体积膨胀表现为沿着热流向或垂直等温面的位移变形，当这种变形受的约束和基础间产生大小相等方向相反的作用，这种基土对约束体的作用称冻胀力。冻胀力分切向冻胀力

9、，法向冻胀力，冻胀反力。1.2.2 切向冻胀力冻土作用于基础侧表面的“上拔力”称为切向冻胀力。产生切向冻胀力的原因：水冻结成冰，使土与基础冻结一起，当地基受冻胀向上位移时，地基土带着基础向上移动这样形成“上拔”作用。土体与基础牢固地胶结在一起的胶结力称土与基础材料间的冻结强度叫冻结力。桩基不“上拔”条件如下：P+G+fA1>A2其中式中G （桩重）基础自重（KN）；P 作用于基础上的外荷载（KN）；f基础与未冻土间的摩擦系数（KPa）；A1 非冻土层内基础侧表面面积（）；A2冻土层内基础侧表面面积（）； 单位切向冻胀力（Kpa/cm）。切向冻胀力分布不均匀，并呈指数曲线赠与土冻胀特性有关

10、，取值见下表。单位切向冻胀力（Kpa）h2cm（2，5（5，12（12，2222cm冻胀类别3050508080120120150150200注：1.表面光滑的硂预制桩表中数值应乘0.8，2.表面粗糙的浆砌石墩台基础表中数值应乘1.2。1.2.3 切向冻胀力反力当土体冻胀时，基础对约束的土体产生的与四向冻胀力相等，方向相反的作用力称为切向冻胀力。抗滑稳定条件如下式：P+G+F+Pa+G±T其中式中F未冻土抗摩阻力（KN）；Pa 扩大式基础所接受的冻胀反力（应力的合力）Pa=P；G±扩大式基础上的土重（KN）。1.2.3 法向冻胀力基础板下部土体冻结土体发生冻胀而受到基础约束

11、在地基与基础面上产生作用于基底垂直向上的冻胀力称为法向冻胀力。法向冻胀力H0（Kpa）h单块板基础面积（）地基地表冻深510502010060505015010080120210150120220280210170>220281360211280175230说明：该值可以内插。1.2.4 水平冻胀力地基土在冻结膨胀时，沿水平方向作用在结构物或基础表面上的力，包括沿切向和法向的作用。最大单位水平冻胀力ht（KPa）h2050120220>220ht305090120121170水平冻胀力的合力峰值应按下式计算：Fh=macfht2Ht1-+ZdHtZd+Ht其中式中Fh水平冻胀力的合

12、力峰值（KN）； 非冻胀区深度系数；最大单位水平冻胀高度系数；Ht 墙后填土高度；cf 挡土墙边坡修正系数。挡土墙边坡修正系数cf迎土面坡比0.00.10.20.30.4cf1.00.90.850.810.70、取值土冻胀级别、hd（mm）50501001002202200.150.30.450.50.20.150.080.08说明：当Ht2m时，=0。hd挡土墙厚计算点土的冻胀量（mm）。计算点允许的水平位移（mm）SH=810Ht。2 土石坝护坡破坏的形式2.1 隆起由于砌筑质量差，砌体不紧密，在风浪作用下，使块石松动产生脱坡;有的由于风浪将护坡垫层淘出或因坝体沉陷，使护坡架空或陷成凹坑，

13、发生错动或开裂，当底部垫层失去保护，继续淘刷坝体，造成护坡大面积崩塌，危及大坝安全。土坝护坡局部破坏后，如未能及时抢护，破坏面逐渐扩大，使上下护坡失去支撑，呈悬空状态，加上波浪冲击、振动和垫层的移动，造成上部护坡倾滑。特别在冬季，由于水库中冰盖压力作用。导致护坡隆起而挤压破坏或因坝体沉陷量大，护坡不能相应缩短，本身挤压隆起。 产生隆起破坏的原因：一是干砌石护坡砌筑互相结合不紧密，空隙大;二是混凝土板设有严格控制质量，薄厚不一，接缝处理不好;三是护坡垫层用料不严格，级配不好，降低反滤作用;四是护坡材料选择不当，如采用风化石，遇水易崩解的砂质页岩以及有可溶性盐类岩。2.2 裂缝裂缝是土石坝最普遍的

14、危害。裂缝可能在渗流作用下发展成渗流变形，以致溃坝失事；也可能发展为滑坡，导致坝体滑塌；有些裂缝虽未造成失事，但影响正常蓄水，长期不能发挥水库效益。因此必须对土石坝的裂缝及时采取有效措施。 裂缝按其方向可分为龟状裂缝、横向裂缝和纵向裂缝；按其产生的原因可分为干缩裂缝、冻融裂缝、不均匀裂缝、滑坡裂缝、震动裂缝；按其部位可分为表面裂缝和内部裂缝等。 土石坝出现各种裂缝都应该及时处理。发现裂缝后，一方面要注意了解裂缝的特征，观察裂缝的发展和变化，分析裂缝产生原因，判断裂缝的性质；另一方面要采取防止裂缝进一步发展的措施，同时制定处理方案。在裂缝进行处理前，水库必须定出限定蓄水位，同时采取临时性防护措施

15、，严防雨水向裂缝内灌注和冰冻等的不利影响。缝口封闭法、开挖回填法和充填灌浆是对非滑坡裂缝进行处理的常见措施。2.3冻胀破坏在严寒地区，冻胀使护坡拱起，冻土融化，坝土松软，使护坡架空冰盖与护坡冻结在一起，冰温升降对护坡产生推拉力，使护坡破坏。由于土体表层未设破壳保护层或保护厚度不足。易受冰冻使土体产生不均匀冻胀，加之冰盖推力作用，融化后护坡不能复原形成空架，主体极易造成松动。四是由于冰盖热胀冷缩白天受热膨胀，夜间冷缩并产生裂缝，缝内进水冻结后加剧冰盖膨胀量，使冰盖沿坝坡上爬，有的水库护坡日最大向上爬高可达数十厘米，一个冬季总爬高可达2-3 m，特别是当冰盖与护坡冻结在一起时，冰盖推力对护坡的破坏

16、特别严重。3 防治措施3.1 破冰措施平行坝轴线距坝10m左右开凿一道2m左右宽的冰槽，让冰槽内无厚冰块，保持水库冰面面库冻胀能在槽内自由伸缩，冰冻胀力不对坝坡形成威胁。优点：一次性投资少，能彻底防止冰推力破坏坝坡。缺点：需要人工，非永久性工程。3.2 塑料布引滑法在冰面与坝坡接触处铺设塑料布，使冰面上不能形成很大的冻胀力，从而起到抗冰作用。措施：当冰冻35cm时，沿坝面打开一道1.5m左右宽的水沟，将备好的足够宽的塑料布平铺于沟内水面上然后用木耙推入水中下端用卵石压上部用钉钉在上部。消减冰推力程度取决于护坡型式、光滑度，稳定性。3.3 加热措施该措施适用于冻深不大的华北、辽宁等地。阻止建筑物

17、与水面结冰，消除冰压力。常用的方法有热空气法、加油法、压力水射流法、压缩空气吹泡发、聚苯乙烯泡沫塑料板保温法。优点：简单，一次性投资大。缺点：很浪费能源，具有临时性。3.4 机械破冰当建筑物前水面结冰达到一定厚度时，在建筑物前的冰面上开凿一定宽度的水槽，每当水槽内水面上结冰达到一定厚度时就采用机械破冰取出冰块，使冰层在水槽内自由伸缩，消除冰层的冰推力对建筑物的危害。水槽内水面允许结冰厚度应根据建筑物承受推力大小而定。3.5 换填换填成非冻胀性土，并注意防渗。在防渗条件下，换填厚度10Hd 。3.6 抛石护坡优点：造价低（当地有石）。缺点：用石量大。使用条件：机械化施工，当地石料丰富。结构要求：水平宽度不宜小于30cm垫层采用细石料。3.7 干砌护坡优点：用石量少。缺点：必用人工选料，不能机械化施工。适用条件：当石料匮乏。结构要求：最小边长300350mm，厚度350400mm，砌缝30mm。缺大石块：（1）采用钢筋混凝土框格内砌块石，菱形框格顺对角线长35m（2）框格断面宽300mm高400/500mm，混凝土应该满足抗冻等级C25F300。3.8 硂砌块护坡优点：抗风浪及抗冻性好，施工方便。缺点：造价高。适