渠道衬砌抗冻胀问题研究(3)

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,

5132 岩石力学与工程学报 2005年

力；所谓抵抗，就是在理论计算的基础上，摸清砌体受力形式及大小，找出导致砌体损坏的主导力及作用点，以此选用合理的材料强度及不同部位的衬砌尺寸，针对性地抵抗剩余冻胀力。在此思想指导下，区别渠道工程位置，渠道走向，地下水位及外围水情况，确定渠道土体的物理结构特性和物理力学特性，找出气温变化规律及土体最低负温等影响因素，以便采取相应措施。

根据笔者对工程土体冻胀破坏机理的研究和分析，并通过工程实践检验，认为较为成功的削减措施是：在衬砌体与土体间人为的布设空隙体，以给土体中冻移水(冻渍)设留空间，消纳冻移、减小冻胀，削减土体因冻胀而施加给砌体的力(冻胀力)。其空隙体可用碎石、砾石或砂填充，设计厚度按如下公式[14]：

Hv=1.09nH1γw (1)

式中：Hv为空隙体的设计厚度，n为土体孔隙率，

H1为土体冻结深度，γw为4 ℃时水的容重。

此空隙结构很实际地成为砌体背后土体过多活性水的消散、下移通道，有利于渠堤土体活性水转移。而北方渠道每年的冬季灌溉期，尤其是冬灌行水的间歇或停止行水后，是工程冻胀破坏的最不利时期，因为，此时正逢最低气温期，又是渠道土体因渠水渗透而处于高含水期，土体中活性水最为充分。所以，这种空隙结构就有助于使砌体背后聚集活性水很快下移消散；同时，空隙体有消纳、含蓄冻移水分作用。

通过理论计算而知，尽管因土体冻胀而施加给衬砌体的冻胀力很大(在冻胀因素具备的条件下)，但是通过空隙体的削减而剩余的冻胀力就较小了。而对于剩余冻胀力再通过砌体内力计算，选择合理结构强度和刚度，并按冻胀力线性分布规律，针对性地予以抵抗，工程实践证明是可行的。

4 冻结力及其计算

欲求冻胀力，需先求解冻结力，由实测结果可知，冻结力与砌体自身的材料及结构有关，且与砌体背后基土含水量及负温t值之间存在着函数关系。地基土与砌体的冻结力是近乎于均布的，可由下式计算[14]：

τyc=α+β|t| (2)

式中：τ2

yc为冻结力(kg/cm)；|t|为负温绝对值；α，

β为参数(其值可视其介质由试验求得)，对于粘性

土，α=0.3～0.4 kg/cm2，β=0.10～0.15 kg/(cm2·℃)

5 冻胀力的分析及计算

冻胀力受地基土体内水分分布变化而变化。当渠道行水结束后，渠堤土体内水分会消散下移，上部水分相对减小，土体中部会出现水分相对聚集现象。再加上冻结过程中的冻移影响，冻胀力是非均布的。在理论分析时，依据冻胀机理及冻胀特性[15]，考虑到砌体上端受冻结力作用，下端受底板约束，在内力分析时可假定为固端支座形式，而冻胀力按法向集中力形式考虑，其结构受力形式为超静定结构。其内力分布如图1所示，渠道边坡砌体弯矩M分布见图2，经叠加后的弯矩图如图3所示。

(a) 冻胀力R

(b) 砌体结构内力M

图1 冻胀力和砌体结构内力分析

Fig.1 Analysis of the mechanics of frozen heaving and

internal force of masonry structure