水工建筑物抗凍技術(shù)論文.docx

凍脹土對土石壩的破壞及防治措施序號： 20 姓名： 黃睿 學(xué)號： 20093661 班級： 水工09級 凍脹土對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，各種凍深的計算方法，凍脹力的計算方法，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)凍土的幾個基本概念在對凍脹土進行敘述之前，必須對一些基本概念進行定義。凍土：具有負溫及冰膠質(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，當溫度降低到凍結(jié)溫度以下時，土中的孔隙水便會凍結(jié)成冰。1.1.2 凍土的分類凍土按時間分為多年凍土，季節(jié)凍土和暫時凍土。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（年均氣溫亞粘土粘土礫石土粗砂砂礫石。b礦物成分對粘性土凍脹影響：單質(zhì)粘性土凍脹土強弱：高嶺石水云母蒙脫石。c.密度：當土的密度大于1.6g/cm以上時，土基不會產(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，這個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.土體溫度對凍脹的影響：負溫是必要條件，土體凍脹停止溫度：亞粘土：-10-8，亞砂土：-5-3，砂土：-2。4.荷載對土體凍脹的影響：荷載大，凍脹性能小，當土體外部荷載增加時會對土體凍脹產(chǎn)生顯著的抑制作用。終斷壓力：土體凍脹停止時的荷載。按下式計算：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度（%）；f土基土自然條件下的平均凍脹強度（%）；Kp 折算系數(shù)；p構(gòu)造物的荷載強度（102KPa）。1.1.9凍脹土分類凍脹土分類表判定標準凍脹量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，這種基土對約束體的作用稱凍脹力。凍脹力分切向凍脹力，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?shù)鼗軆雒浵蛏衔灰茣r，地基土帶著基礎(chǔ)向上移動這樣形成“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)強度叫凍結(jié)力。樁基不“上拔”條件如下：P+G+fA1A2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)曲線贈與土凍脹特性有關(guān)，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基礎(chǔ)表中數(shù)值應(yīng)乘1.2。1.2.3 切向凍脹力反力當土體凍脹時，基礎(chǔ)對約束的土體產(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+GT其中式中F未凍土抗摩阻力（KN）；Pa 擴大式基礎(chǔ)所接受的凍脹反力（應(yīng)力的合力）Pa=P；G擴大式基礎(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510502010060505015010080120210150120220280210170220281360211280175230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，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）h2050120220220ht305090120121170水平凍脹力的合力峰值應(yīng)按下式計算：Fh=macfht2Ht1-+ZdHtZd+Ht其中式中Fh水平凍脹力的合力峰值（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、取值土凍脹級別、hd（mm）50501001002202200.150.30.450.50.20.150.080.08說明：當Ht2m時，=0。hd擋土墻厚計算點土的凍脹量（mm）。計算點允許的水平位移（mm）SH=810Ht。2 土石壩護坡破壞的形式2.1 隆起由于砌筑質(zhì)量差，砌體不緊密，在風(fēng)浪作用下，使塊石松動產(chǎn)生脫坡;有的由于風(fēng)浪將護坡墊層淘出或因壩體沉陷，使護坡架空或陷成凹坑，發(fā)生錯動或開裂，當?shù)撞繅|層失去保護，繼續(xù)淘刷壩體，造成護坡大面積崩塌，危及大壩安全。土壩護坡局部破壞后，如未能及時搶護，破壞面逐漸擴大，使上下護坡失去支撐，呈懸空狀態(tài)，加上波浪沖擊、振動和墊層的移動，造成上部護坡傾滑。特別在冬季，由于水庫中冰蓋壓力作用。導(dǎo)致護坡隆起而擠壓破壞或因壩體沉陷量大，護坡不能相應(yīng)縮短，本身擠壓隆起。 產(chǎn)生隆起破壞的原因：一是干砌石護坡砌筑互相結(jié)合不緊密，空隙大;二是混凝土板設(shè)有嚴格控制質(zhì)量，薄厚不一，接縫處理不好;三是護坡墊層用料不嚴格，級配不好，降低反濾作用;四是護坡材料選擇不當，如采用風(fēng)化石，遇水易崩解的砂質(zhì)頁巖以及有可溶性鹽類巖。2.2 裂縫裂縫是土石壩最普遍的危害。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，長期不能發(fā)揮水庫效益。因此必須對土石壩的裂縫及時采取有效措施。 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一步發(fā)展的措施，同時制定處理方案。在裂縫進行處理前，水庫必須定出限定蓄水位，同時采取臨時性防護措施，嚴防雨水向裂縫內(nèi)灌注和冰凍等的不利影響?？p口封閉法、開挖回填法和充填灌漿是對非滑坡裂縫進行處理的常見措施。2.3凍脹破壞在嚴寒地區(qū)，凍脹使護坡拱起，凍土融化，壩土松軟，使護坡架空冰蓋與護坡凍結(jié)在一起，冰溫升降對護坡產(chǎn)生推拉力，使護坡破壞。由于土體表層未設(shè)破殼保護層或保護厚度不足。易受冰凍使土體產(chǎn)生不均勻凍脹，加之冰蓋推力作用，融化后護坡不能復(fù)原形成空架，主體極易造成松動。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)進水凍結(jié)后加劇冰蓋膨脹量，使冰蓋沿壩坡上爬，有的水庫護坡日最大向上爬高可達數(shù)十厘米，一個冬季總爬高可達2-3 m，特別是當冰蓋與護坡凍結(jié)在一起時，冰蓋推力對護坡的破壞特別嚴重。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)無厚冰塊，保持水庫冰面面庫凍脹能在槽內(nèi)自由伸縮，冰凍脹力不對壩坡形成威脅。優(yōu)點：一次性投資少，能徹底防止冰推力破壞壩坡。缺點：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：當冰凍35cm時，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：簡單，一次性投資大。缺點：很浪費能源，具有臨時性。3.4 機械破冰當建筑物前水面結(jié)冰達到一定厚度時，在建筑物前的冰面上開鑿一定寬度的水槽，每當水槽內(nèi)水面上結(jié)冰達到一定厚度時就采用機械破冰取出冰塊，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 拋石護坡優(yōu)點：造價低（當?shù)赜惺Ｈ秉c：用石量大。使用條件：機械化施工，當?shù)厥县S富。結(jié)構(gòu)要求：水平寬度不宜小于30cm墊層采用細石料。3.7 干砌護坡優(yōu)點：用石量少。缺點：必用人工選料，不能機械化施工。適用條件：當石料匱乏。結(jié)構(gòu)要求：最小邊長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，菱形框格順對角線長35m（2）框格斷面寬300mm高400/500mm，混凝土應(yīng)該滿足抗凍等級C25F300。3.8 硂砌塊護坡優(yōu)點：抗風(fēng)浪及抗凍性好，施工方便。缺點：造價高。適用條件：當?shù)厝笔?，風(fēng)浪大。結(jié)構(gòu)要求：邊長350mm，厚度300mm，砌縫10mm?，F(xiàn)澆混凝土：邊長300mm，厚度200mm，抗