水工挡土墙防冻害设计方法分析

龚伟福 宁夏宁西供水有限公司

在寒冷的气候中，墙壁固定物后面的部分或全部填充物在冬天会冻结，而冻结的土壤会在墙壁上产生一种霜冻力，通常称为水平冻胀力。因为固定地面区域的挡土墙设计主要基于非固定地面理论，因此计算出的地面压力与冻结期间的实际应力状态不符。冻结损坏会损坏在地面冻结区域中维护的墙壁。冻结破坏可分为一般稳定性破坏和局部强度破坏。

一、挡土墙产生冻害的原因

（一）温度的原因

北部的冬季温度通常较低，通常低于冰点。某些地区的最低温度范围为零下30℃至零下45℃。在冬季，土壤很容易结冰，第二年春季所有土壤都融化。这种类型的土壤层每年会在冷冻和解冻之间交替进行，称为定期冷冻土壤。以东北地区为例。其年度冻结天数约为120至150天，冻结土地深度约为1.10m至1.85m。这是陆地上常见的季节性冰冻地区。温度因素及其影响在这一领域尤为重要。

（二）水分的原因

在冬季，寒冷导致温度下降，挡土墙后的地下水位升高，或者地下水几乎不蒸发，并且地下水在下方形成冰晶，从而扩大了土壤的体积并冻结了土壤。引起冬季负温度条件。

（三）土地质量的原因

影响霜冻隆起的主要因素是土壤质量，由霜冻隆起引起的破坏程度与颗粒成分中淤泥和粘土的含量具有恒定的相关性。实验发现了中等粗砂、卵石和砾石等基本上不产生冻胀现象。在建造水工建筑物之前的过程中，当地的土壤条件导致土墙维护后的大部分回填土壤为易冻胀性土，很少换填非冻胀性土，导致墙壁维护中发生冻胀损坏。

二、挡土墙在水平冻胀力作用下的裂缝类型

（一）水平裂纹

在水平霜冻力的作用下，如果墙面维护的原始设计部分不满足强度要求，则剪切力会沿墙长引起水平裂缝。

（二）长壁的垂直裂缝

在寒冷的气候中，较长的支撑墙和有限的末端经常会导致墙中央出现垂直裂缝。这是因为壁的保持器在纵向的中心具有较大的自由度，并且由于水平冻结力的作用而增加了向前的倾斜度和在水平方向上的位移，因此纵向的中心的弯曲率也较大，并且弯曲在最大弯矩处形成垂直裂纹。

（三）斜裂纹

将挡土墙基础放置在固定层上通常会由于冰层的上升和基础的融化而导致垂直方向的固位，从而导致斜裂缝。

（四）拐角处裂缝

支撑壁在拐角处沿三个方向冻结。也就是说，冷空气从填充表面和两壁渗入壁后的土壤，深深地冻结了角落处的地面。这比其他部分要大，所以有两个主要方向。角壁的水平霜冻力被水平冻结力抑制，使得水平冻结力增加。此外，由于应力趋向于集中在拐角处，因此在拐角的壁上容易出现裂纹。

三、挡土墙防冻害设计的原则

（1）在通常情况下，没有必要仅使用结构性措施来防止经济上不合理的霜冻损害。目前，国内外关于水平霜冻力的研究资料不足，难以准确计算冻胀力。

（2）挡土墙维护的设计方法要在技术上可靠，便于施工，并通过比较不同的设计方法来确定。

（3）挡土墙的防冻设计应结合工程等级、工程结构、高度和挡土墙的局部回填价格，综合采用两种以上的防冻设计方法。

四、挡土墙防冻害的途径

有两种主要方法可以防止壁损坏冻结。

（1）弱化和消除霜冻破坏的原因，以达到防止霜冻破坏的目的。

（2）增加壁截面，以在水平冰冻力下达到安全和强度要求。

（一）消除因冻结造成的霜冻损害

（1）墙后回填非冻胀性土

在墙壁后的土壤中回填粗砂、砾石、卵石和岩石。如果细颗粒的含量小于14%，则可以认为是非冻胀土。在墙后的不同类型土壤上回填可以减少或消除水平冻结力的扩展。

（2）保温法

保温法可以削弱或去除支撑壁。通常，泡沫保温板通常水平放置在墙的背面，因为墙顶部的固位物在两个方向上都被冻结。对于重力式挡土墙，其后壁的总倾斜比为0.4到0.7。由顶部填充物冻结引起的水平冻结力接近于小壁后面的垂直悬臂式挡土墙，因此后壁可能被单向保温材料覆盖[1]。

（3）隔水排水法

这种方法可减少后墙填充物的含水量和墙后的地下水位。这是防止霜冻损坏挡土墙的最有效方法之一。在水力建筑中，墙面维护后的排水装置必须满足侧面后方的要求。假定它们满足并排防护的要求，则应尽可能设置墙后排水。隔水排水法是在维护墙壁时防止霜冻损坏的经济有效方法。该方法可以与回填结合使用。该措施防止了密封土壤的水含量上升，并防止了外部水的补充，从而防止了冻胀作用的产生。

（二）将水平冻胀力作为一种荷载

在设计挡土墙时，水平霜冻力被视为外部载荷，并且在计算过程中会与其他载荷结合，因此挡土墙设计部分如下所示：不同的载荷组合可以满足稳定性和强度要求[2]。

（1）选择水平冻胀力的标准值

由于复杂的影响因素和广泛的变化，需要在不同的边界条件下进行大量实验。

（2）水平冻胀力分布的标准形式

冻胀的水平力不应采用单一的分布形式。它受后壁填充物的含水量、壁厚以及冷冻土壤的深度和壁高的影响。根据测试得知，需要至少指定两种常见的典型分布形式。

（3）霜冻深度与壁高之比对水平霜冻力的大小和分布的影响

由于霜冻深度与壁高的比是影响水平霜冻力的大小和分布的主要因素，因此各种霜冻深度和壁高比例应根据实验进一步研究。

（三）综合法

以消除冻因法为主，而增强结构的方法是补充方法。用除霜因子法很难完全消除水平除霜力，而使用简单的结构步骤通常会导致过多的水平力冻结，造成大量浪费。当前，我们建议使用非冻胀土回填或者聚乙烯泡沫保温法，以在一定程度上减小冻胀力，进而设计挡土墙的结构[3]。

五、结束语

当前，还没有完整的理论来解决计算冬季挡土墙后面的水平霜冻力的问题。因为固定地面区域的挡土墙设计主要基于非冻土理论，所以计算出的地面压力与冻结过程中的实际应力状态不符。这是冻土地区挡土墙冻损的主要原因。