水工挡土墙防冻害设计方法分析

【摘要】大部分的水工建筑物设计中都会遇到挡土墙的设计内容。由于挡土墙在工程投资中占较大比例，所以应当重视挡土墙的防冻害设计，以免给水利工程带来巨大的损失。

【关键词】水工挡土墙；防冻害；设计方法

我省冬季水工挡土墙后部分或全部填土将处于冻结状态。处于冻结状态下的土将对挡土墙产生水平冻胀力。对于低墙，这种水平冻胀力将完全取代夏季按库仑或朗肯理论计算出的土压力。对于高墙，有可能同时受土压力和水平冻胀力的作用。挡土墙在水平冻胀力的推动作用下，将向前倾覆或断裂，造成破坏。

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。目前为止，冻土地区挡土墙的断面尺寸多是按非冻结土理论设计的，其整体稳定性和结构强度是与此相适应的。当墙后水平冻胀力远大于非冻结土压力时，挡土墙将失去稳定。对于土基，挡土墙基础通常置于冻层以下，在过大的水平冻胀力作用下将使挡土墙前趾给予地基的压应力过大，致使地基应力大小比超过容许值，进而导致不均匀沉陷。由于不均匀沉陷，将使挡土墙产生前倾变位。对于岩基，也常由于在水平冻胀力作用下的倾复力矩大于抗倾力短，而导致挡土墙产生前倾变位。

按非冻结上算出的作用于挡土墙上的主动土压力是土压力中最小值，可视为一个常量，而作用于墙后的水平冻胀力的大小和分布则随墙后土体冻结和融化过程而变动。因此挡土的前倾变位也随之相应变化。

挡土墙前倾变位过大，常使挡土墙永久缝间止水被扯断，进而导致侧向渗径短路，严重的前倾变位有时导致倾倒破坏。

对于浅基挡土墙，冻结期由于前趾地基土冻结承载能力增大，不致产生大的前倾变位，但在融化初期，前趾处地基土可能先融化，承载力大幅度降低，而墙后填土中还可能有未融化的冻土核，即墙后水平陈胀力尚未完全消失，这种情况也可能导致大的前倾变位。

2.挡土墙防冻害的设计方法

挡土墙的防冻害设计主要有两个途径，其一是削弱、消除产生冻害的成因，达到防冻害的目的；其二是增大墙体断面，使之满足在水平冻胀力作用下的稳定和强度要求，进而达到防冻害的目的。按以上两个途径，在具体设计方法上分以下三种。

2.1将水平冻胀力作为一种外荷超的设计方法

将冻结期水平冻胀力作为一种外荷载作用于挡土墙，并与其他作用荷载组合墙的设计断面在上述荷载作用下满足整体稳定和强度要求。

2.1.1在冻胀力作用下的稳定和强度演算

K1=（Mp/Mh）≥[K1] （1）

式中K1——挡土墙计算抗倾覆安全系数；

[K1]——挡土墙容许抗倾覆安全系数，IV、V级建筑物取1.05；I、II、III级建筑物取1.10；

Mh——倾覆力矩（包括其他力产生的倾覆力矩）；

Mp——抗倾覆力矩。

2.1.2挡土墙的强度验算。挡土墙外露墙高Ht处断面强度应满足式（2）要求。

K2=（Mσ/Mi）≥[K2] （2）

式中K2——挡土墙计算强度安全系数；

Mσ——挡土墙计算断面的破坏弯矩；

Mi——挡土墙计算断面的冻胀力矩；

[K2]——挡土墙强度容许安全系数，4、5级建筑物取1.05；1，2，3级建筑物为1.10。

2.1.3将水平冻胀力作为一种外荷载，并计算出其大小和分布，同其他荷载组合进行稳定和强度验算，这种计算方法的提出为冻土地区挡土墙的设计开辟了一种新途径，但尚有以下一些问题，有待进一步探讨。

2.2隔水排水法

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，在水工建筑物中，挡土墙后排水设置应满足侧向防渗长度的要求。在满足侧向防渗要求的前提下，应尽量设置墙后排水。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。如能做好，这种措施即可保证封闭土体含水量不增加（控制起始冻胀含水量以内），又可防止外水补给，因此必然会起到遏制冻胀的作用。隔水材料可采用土工防渗膜。

2.3消除冻因的防冻害设计

土质、温度和水分是产生冻胀的三个基本条件，如在设计中改变上述三个条件之一，便可达到防止冻害的目的。在具体设计中可分以下几种方法。

2.3.1填后回填非冻胀性土

中粗砂、砾、卵石、块石，当细颗粒含量小于14%时可认为是非冻胀土，墙后回填以上各类土可以削减或消除水平冻胀力。

换填厚度，对于高度小于8m的悬臂式挡土墙可参照图1（a）确定。

墙顶部0.5zd；墙高0.56Ht处，ee’=1.2zd；墙身底部gd=0.3zd。

对高度小于6m的重力式挡土墙，换填厚度可参照图1（b）确定。

墙顶部0.5zd；墙高0.56Ht处，ee’=1.2zd一（ζ1/2）；墙后趾部换填厚度为0。

对于非冻胀回填料，小于0.05mm的细颗粒含应不超过总重的4%。

2.3.2保温法

挡土墙可采用保温法削弱或削除冻胀，由于挡土墙顶部属于双向冻结，在一般情况下多采用填土表面水平方向和墙背两个方向铺设聚苯乙烯泡沫保温板。对于重力式挡土墙，一般墙背坡比为0.4-0.7。在顶部填土冻结引起的水平冻胀力，相对于小墙背直立式的悬臂挡土墙，可采用墙背单向铺保温材料。

2.3.3隔水排水法

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，在水工建筑物中，挡土墙后排水设置应满足侧向防渗长度的要求。在满足侧向防渗要求的前提下，应尽量设置墙后排水。这种措施即可保证封闭土体含水量不增加（控制起始冻胀含水量以内），又可防止外水补给，因此必然会起到遏制冻胀的作用。隔水材料可采用土工防渗膜。

3.小结

目前尚没有一种完善的理论解决冬季挡土墙后水平冻胀力的计算问题。由于冻土地区挡土墙设计多按非冻土理论计算土压力，显然计算出的土压力不符合冻结期实际的受力状态，这是冻土地区挡土墙产生冻害破坏的主要原因。

参考文献

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