水平冻胀力特性探析

在冻土地区,挡土墙的冻害主要是由于过大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,首先应了解水平冻胀力的特征。

1.填土含水状态对水平冻胀力大小和分布的影响

水工建筑物常常在有水条件下运用。在渗流作用下,墙后填土常处于浸水条件,因此在研究水工建筑物挡土墙水平冻胀力的大小和分布时,应首先分析墙后填土在冬季的水分状态。挡土墙后冬季填土的水分状态取决于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。在通常情况下,墙后填土含水量沿深度增加,如填土表面含水量低于起始冻胀含水量,在这种情况下,表面填土会产生冻缩,致使填土和墙背分离,挡土墙顶部一定深度内无任何侧向力作用,这时墙后水平冻胀力的最大值将偏于下部,如图6.5(a)所示。

当挡土墙后填土上层由于渗流、积水和秋雨渗透等含水量大,同时墙后地下水位高,这时水平冻胀力的最大值将偏于上部,如图6.5 (b)所示。

图6.5　填土含水状态对水平力大小和分布的影响

2.墙体结构特性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、墙身厚度等。上述墙体结构特性将影响墙体在水平冻胀力作用下的变位或变形的形式和大小。墙体厚度将直接影响墙后冻结层的厚度。挡土墙变位或变形大小及墙后冻结层厚度,必将影响水平冻胀力的大小和分布。

按水工挡土墙墙体厚度、刚度和变形特点,大致可分为两类:一类为墙体厚度和刚度较大的挡土墙,如重力式和衡重式挡土墙;另一类为墙体厚度和刚度小的挡土墙,如悬臂式、板桩式挡土墙。(www.xing528.com)

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,墙体的变形则可以忽略不计。

对于墙体厚度和刚度较小的悬臂式挡土墙,在水平冻胀力作用下,除墙整体变位外,墙体本身也将产生变形。挡土墙变位或变形将使作用于墙后的水平冻胀力释放和松弛,因而减小或消失。上述两种挡土墙由于墙体变位,变形形式和大小不同,必将影响水平冻胀力的大小和分布。墙体厚度对水平冻胀力大小和分布的影响也不容忽视。如同样高度为6m 的重力式和悬臂式挡土墙,如图6.6所示。当地冻深1.5m,墙后填土水分状态相同,在忽略墙体变位、变形等不同影响因素情况下,由于墙体厚度不同也将会使墙后水平冻胀力的大小和分布产生较大差异。对于重力式挡土墙[图6.6 (a)],墙前地面以上0.75H1处墙体厚度达2.53m,此处墙后填土将不存在或存在很薄的冻结层,而对于悬臂式挡土墙[图6.6 (b)],墙前地面以上0.75H1处墙体厚度仅0.45m,墙后将存在较厚的冻结层。由于冻结层在墙后厚度不同,必将影响墙后水平冻胀力的大小和分布。

挡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的影响将逐渐减弱,直到消失。对于低墙和冻结深度的情况,可能墙后填土全在双向冻结影响范围之内 [图6.7 (a)],而对于高墙下部则常表现为单向冻结[图6.7 (b)]。

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。

图6.6　墙体厚度对水平冻胀力大小和分布的影响

图6.7　墙高对水平冻胀力大小和分布的影响

(a)低墙;(b)高墙