渠道衬砌抗冻胀问题研究(2)

研究了渠道衬砌体冻胀破坏的机理,提出削减和抵抗相结合的抗冻胀思路;探讨了冻结力及冻胀力的计算方法;并由此推算出衬砌体抗冻胀应采用的混凝土强度标号和砌体横截面各部位相应的厚度尺寸,拟定出渠道衬砌抗冻胀破坏的合理断面;提出了解决渠道衬砌体抗冻胀问题的具体措施,

第24卷 增1 张伯平等. 渠道衬砌抗冻胀问题研究 5131

来很多麻烦，并且已为此付出了不少的经济代价。随着认识的不断深入，工程抗冻胀问题，已很实际的成为工程设计者需要认真对待和研究的一大课题。

自20世纪70年代以来，我国渠道防渗工程的防冻胀技术，在不断总结工程实验成果的基础上，取得了很大进展，提出了防渗结构“允许一定冻胀位移量”的设计标准和“回避、适应、削减或消除冻胀”的设计原则，并提供了渠道冻深和冻胀量预报以及地基土冻胀性分类方法[3

～7]

，但还没有从根

本上找到解决工程冻胀破坏的有效措施和办法。

笔者通过长期的实验研究和工程观测，从理论分析上另辟蹊径，求出计算冻结力、冻胀力的方法，在此基础上，对渠道衬砌体受冻胀作用的内力进行分析；按内力大小，选择相应的砌体强度和尺寸，通过削减和抵抗相结合的方法，解决渠道衬砌冻胀破坏问题。该项研究从1993年起被用于石堡川干渠修复工程中，多年实践证明效果很好。

2 土体冻胀机理分析及渠道衬砌体冻胀破坏机理

2.1 土体冻胀机理分析　

土体是以3种相态存在于自然界中的，工程上通称为3相土，即固相(土颗粒)、液相(土体中水分)、气相(土体中气体)。实验研究证明[8]：影响土体冻胀的主要因素是气温、土体中水分及土质。气温负温值越高，土体冻胀量越大；土体内水分越多，补给水分越充分，土体冻胀量越大；土体粘粒含量越高，土体结构越密实，土体冻胀量越大。换句话说，负温值、土体内水分、土体物理特性和结构与冻胀量存在函数关系。其中负温值、土体结构与冻胀的关系比较直观，而土体中水分在冻胀机理中的作用，应从土体水分存在形态谈起。粘土颗粒周围由于电分子作用，存在有结合水，而结合水在土粒周围实际形成水膜。结合水又分为强结合水和弱结合水。强结合水由于其物理力学特性作用，在土体冻胀过程中变化较小，而自由水和弱结合水，当遭遇负温侵袭时，发生冻结，并且随着负温值的增加，或冻结历时增长，周围土体的自由水和弱结合水向负温入侵方向沿着土粒间空隙迁移聚集并冻结，这个过程称为冻移作用[9]。负温值越高，冻移作用越充分。粘性土体中孔隙水还受毛细力作用，如果孔隙水越多，这种补充也就会越充分。当土体中毛细水与地

下水或渠堤外围水连通时，这种补充水就会相当充分，冻移作用越大，使得冰缘层不断加厚[9]。

在负温作用下，土体中的孔隙水是以冰渍的形式存在，由于冻移作用，冻土体会向负温侵袭方向膨胀挤压，这种膨胀挤压，就是冻胀。负温值越高，土体中自由水补给越充分，土体的冻胀量也就越大。如果土体中自由水补给量有限，那么，土体的冻胀量也就有限；如果土体中没有自由水补给，土体的冻胀量也就很低。在土体中，如果某一层土体自由水补给大于其他层，那么这一层土体的冻胀量将会大于其他层。

2.2 渠道衬砌体冻胀破坏机理

渠道冬季冻胀破裂主要有4种形式：剥蚀、冻胀鼓起裂缝、冻胀鼓起台阶和冻胀鼓起滑坡[10]，破坏规律多是沿纵向裂缝按折裂→错位→滑坍而破坏。渠道的内坡面，是冷空气的直接入侵面。当渠堤土体中存在上述3个冻胀因素时，即会产生冻胀作用；沿渠堤土体中自由水分层不均匀存在时，沿渠道内横坡面上的点冻胀量亦将是不均匀的。这种不均匀的冻胀作用就会施加给衬砌体一种力，冻胀量越大，施加给衬砌体的力也就越大；冻胀越不均匀，施加给衬砌体的力也就会越不均匀。

这里还需引出冻结力的概念。冻结力将使衬砌体与渠道内边坡冻土体冻结为一体。如果由渠道横截面取受力隔离体来分析，就线性分析而言，冻结作用将使衬砌体与渠道内边坡冻土体呈固端支座的受力形式，冻胀力作为荷载，而当这2种力足够大时，衬砌体就沿横向被折裂破坏。当裂缝出现后，砌体背后水分就会向裂缝部位移动并冻胀，使裂缝进一步发展，形成局部膨胀变形。当春夏季气温回升时，冻土消融，土体融沉，但是土体冻胀和融沉并非简单的互逆过程[11

，12]

，土体融沉、砌体复位时

总留有残余变形，这种冻胀、融沉作用连年往复，而冻胀破坏变形残余量也连年累积，加之土体冻结过程中土颗粒垂直位移造成的热筛效应[13]，使土体性质发生变化，密度变小，强度降低，促使衬砌体下滑、崩塌破坏。

3 抗冻胀设计思路及工程措施

依据对渠道土体冻胀机理及衬砌体冻胀破坏机理分析，渠道衬砌抗冻胀的思路应是：削减和抵抗相结合。所谓削减，就是千方百计地减小渠道土体的冻胀量，减小土体因冻胀而施加给衬砌体的冻胀