水平冻胀力对挡土墙的破坏作用及防冻害设计

【摘要】在寒冷地区，冬季墙后部分或全部填土将处于冻结状态。挡土墙后产生的水平冻胀力，在多数情况下将大于非冻结土压力，在水平冻胀力作用下，挡土墙常产生整体稳定破坏或局部强度破坏。本文根据多年施工经验，水平冻胀力对挡土墙的破坏作用及防冻害设计进行介绍，期待与大家交流经验。

【关键词】冻胀力；挡土墙；破坏；防冻害；设计

黑龙江省位于我国的东北部,属于寒温带大陆性季风气候。受西伯利亚高压控制,冬季干燥寒冷而温长。冬季长而寒冷，南北温差大，大产分工程都是第一年开工,第二年竣工,整个工程跨二个年度。由于存在这样特殊的气候条件,有的施工单位忽略对越冬工程土建基础的保护,使基础在基底的冻胀力作用下,发生冻坏、冻拔现象,造成不必要的经济损失。

在寒冷地区，冬季墙后部分或全部填土将处于冻结状态。处于冻结状态的土将对挡土墙产生一种冻胀力，通常称水平冻胀力。

挡土墙后产生的水平冻胀力，在多数情况下将大于非冻结土压力，在水平冻胀力作用下，挡土墙常产生整体稳定破坏或局部强度破坏。

1 挡土墙的冻害破坏形式

1.1 挡土墙在水平冻胀力作用下的前倾变位：挡土墙前倾变位过大和前倾变位随整个冻结期周期性变化是寒冷地区挡土墙前倾变位的主要特征。

1.2 挡土墙在水平冻胀力作用下的强度破坏：水平裂缝、拐角裂缝、长墙的竖向裂缝、斜裂缝。

2 水平冻胀力的特性

在冻土地区，挡土墙的冻害主要是由于受过大的水平冻胀力作用的结果。为分析冻害成因和进行防冻害设计，应先了解水平冻胀力的特征。

2.1 水平冻胀力的实验值：日本北海道开发局在室内室外进行了大量的试验得出，在相似水分和冻结条件下，亚粘土、亚砂土、砾石土及粗砾水平冻胀力比为1：0.75：0.67 ：0.2。

2.2 填土含水状态对水平冻胀力大小和分布的影响：挡土墙后冬季填土的水分状态取决冻前填土含水量和墙后水位以及由墙后水位构成的外水补给条件。当挡土墙后填土上层由于渗流、积水等原因致使含水量变大，墙后地下水位高时，水平冻胀力的最大值将偏于上部。

2.3 墙体结构特征对水平冻胀力大小和分布的影响：墙体结构特性包括挡土墙的结构形式、高度、墙体刚度、墙体厚度等。对于墙体厚度较大的重力式挡土墙，在水平冻胀力作用下主要表现为整体变位，其变形可忽略不计。

对于墙体厚度和刚度较小的悬臂式档土墙，在水平冻胀力的作用下，除墙整体变位外，墙体本身也将产生变形。墙体厚度大小直接影响墙后回填土的冻结深度，因而也必然影响墙后水平冻胀力的大小和分布。

档土墙后填土在冻结期顶部一定范围内将受双向冻结的影响，而随着墙高的增加，顶部填土面方向冻结深度大的影响将逐渐减弱，直至消失。对于低墙和冻结深度大的情况，可能墙后填土全在双向冻结影响范围之内；而对于高墙下部则常表现为单向冻结，由于单双向冻结特性不同，也必将影响水平冻胀力的大小和分布。

2.4 墙体温度变形对水平冻胀力大小和分布的影响：在冬季，墙体外面和墙背临土面的温度差可引起薄的墙体产生挠曲变形，墙体的挠曲变形将影响墙后水平冻胀力的大小和分布。冬季白天墙面温度高，墙背临土面温度低，由于墙面和墙背温度差将使墙体产生向墙前挠曲，墙顶向后推齐冻土。这时冻胀力将分布在墙顶（甚至可假定水平冻胀力作为一种集中力P作用于墙顶），夜间墙表面温度低而墙背临土面温度高，墙体温度差将使墙体产生向填土侧的挠曲。这时水平冻胀力将以分布荷载形势作用于墙体。

3 挡土墙的防冻害设计

挡土墙的防冻害设计主要有两个途径；一是削弱或消除产生冻害的成因，已达到防冻害的目的；二是增大墙体断面使之满足在水平冻胀力作用下的稳定和强度要求。

土质、温度和水分是产生冻胀的3个基本条件，如在设计中改变上述3个条件之一，便可达到防冻害的目的，在具体设计中，可分以下方法。

3.1 墙后回填非冻胀性土：粗砂、砾、卵石、块石当细颗粒含量小余14%时可认为是非冻土，墙后回填以上各类土可削减或消除水平冻胀力。

3.2 保湿法：挡土墙可采用保湿法削弱或消除冻胀力，由于挡土墙顶部属于双向冻结，在一般情况下多在填土表面水平方向和沿墙背两个方向铺设聚苯乙烯泡沫保温板。对于重力式档土墙，可采用墙背单向铺保温材料；对于悬臂式档土墙，宜采用双向铺设保温材料。降低墙后填土含水量和墙后地下水位，是防止挡土墙冻害的有效方法之一，在无侧向防渗要求的前提下，应尽量设置墙后排水。

3.3 隔水封闭法：是挡土墙防冻胀破坏的既经济又有效的方法，也是一种有前途的方法。因为这种方法可结合回填土一并进行，这种措施既可保证封闭土体含水量不增加，又可防止外水补给，因此能起到遏制冻胀的作用。隔水材料可采用土工防渗膜。

4 结语：

我国气候条件的差异,尤其在北方冬季长达数个月的寒冷气候,给施工带来了很多困难,但是施工周期的长短对一建筑项目效益的影响是非常重要的,所以,在这种环境的下一定要采取一些特殊的防护措施,以保证施工季节工程的正常施工。