挡土墙冬季抗冻措施优化

当采用挡土墙抗冻结构设计不经济时,可以选用防治土体冻胀的技术措施来防治挡土墙的冻害。各种防治土体冻胀的方法,主要是消除影响土体冻胀的主要因素。采用换填非冻胀土的换填措施;排除土体中水分和隔断迁移水来源的排水和隔层封闭措施;减少地基与负气温进行热交换的保温措施等都可以达到削减或防止土体冻胀的目的。

6.5.2.1　保温抗冻胀措施

负气温是产生土体冻胀的主要影响因素之一。保温措施是利用保温材料改变负气温与土体的热交换条件,减少土的冻结深度或改变挡土墙后回填土温度场的形状,从而达到削减土体冻胀的方法。

1.保温材料的选择

图6.28　导热系数修正系数与含水率关系曲线

采用保温措施防治挡土墙冻胀破坏,选择的保温材料需要具有一定强度、导热系数低、吸水率小、隔热性好等良好性能及造价低、材料易得、具有一定的耐久性、稳定性等要求。聚苯乙烯泡沫塑料板(简称苯板)是一种高能的保温材料。其导热系数在0.044～0.146W/ (m·℃),在不同压缩应力作用下板的变形随板的密度而变化。一般中小型渠系工程的上部荷载在100kPa以下时,密度为0.05g/cm3的苯板其压缩变形量接近零;密度为0.03g/cm3的苯板其压缩变形量小于2%;密度为0.02g/cm3的苯板其压缩变形量小于10%。此外苯板的吸水率也较低,一般体积吸水率在5%左右,但苯板的吸水量对其热传导性的影响很明显,随着吸水量的增大,热传导系数也增大,试验研究资料表明,苯板体积吸水率等于2%时,其热传导系数可增大10%;体积吸水率达到4%时,热传导系数则可增大40% (图6.28)。苯板作为土木工程基础下的隔热保温材料的设计时,要充分考虑其吸水率大小所导致热传导系数上升的影响因素。苯板的物理力学指标见表6.7。

表6.7　聚苯乙烯泡沫塑料板物理力学性能表

2.保温板设计厚度的计算

(1)一般估算。可按修建工程地点设计冻深的1/15～1/10确定聚苯乙烯泡沫塑料板的厚度。

(2)等效厚度法是根据保温基础总热阻应与天然冻土层总热阻等效的原理计算保温层厚度,按式(5.8)和式(5.9)计算。

(3)相关比拟法。“相关比拟法”实质是通过典型实验工程观测资料,求出典型工程底板下刚好无冻结层时的保温基础的临界热阻值R0(典型热阻),作为同类工程保温底板的设计参考热阻,再根据热阻值与冻结指数的关系,计算拟建工程的保温基础热阻值[式(5.5)]。

全保温基础(基础板下刚好无冻层)的基础典型热阻为R0=2.6m2·K/W,相应实测冻结指数I0=1870℃·d,代入式(5.5)得拟建工程保温基础的热阻值。

式中 K——安全系数,由建筑物地域,结构形式,水文地质等因素决定,一般取1.1～1.2。

保温材料的设计厚度按下式计算

式中 α——导热系数修正系数,为λ湿/λ0的比值,按图6.28查取(或按表6.8取值);

R0——工程的基础设计热阻,m2·℃/W,按式(6.7)计算或按表6.9取值;

λ0——保温材料在自然状态下的导热系数,W/ (m·℃);

δ——基础板厚度,cm;

λ——基础材料的导热系数,W/ (m·℃),钢筋混凝土可取1.74,混凝土可取1.55。

表6.8　导热系数修正系数α值表

注 本表允许内插取值。

表6.9　不同冻结指数时所需保温材料的设计热阻值R0　单位:m2·℃/W

注 1.Im为历年最大冻结指数。
2.此表系取自SL211—2006 《水工建筑物抗冰冻设计规范》。

水平保温板的厚度取值与竖向保温板一致。

3.挡土墙保温措施的设计施工技术要求

(1)挡土墙保温措施可以采用单向或双向保温方法,但采用双向保温效果更好。

(2)聚苯乙烯泡沫塑料保温板厚度可采用等效厚度法、相关比拟法、解析法、经验公式等方法计算。对小型水利工程而言,也可采用经验确定其厚度,一般可采用最大冻深的1/10作为保温层厚度。

(3)挡土墙保温层铺设范围的确定。

挡土墙单向铺设保温层的范围:

墙高方向保温板在墙后背侧铺设。保温板的高度H 等于当地最大冻深hmax与外露墙体高度h1减去保护土层20cm 之和。即

为消除墙后保温土体不受侧向不保温土体的影响。在垂直墙体方向,即单向保温土体两侧要设隔热层。其高度与墙背保温板高度H 相同,长度L2应等于当地最大冻深hmax的1.5～2.0倍。

即L2= (1.5～2.0)hmax挡土墙单向保温范围如图6.29所示。

图6.29　单向保温范围

L1—墙长;L2—侧向保温长度;h1—外露墙高;hmax—最大冻深;δ—墙宽;S—聚苯乙烯板厚

图6.30　双向保温范围

L1—墙长;L2—侧向保温长度;h1—外露墙高;hmax—最大冻深;δ—墙宽;S—聚苯乙烯板厚

挡土墙双向铺设保温层的范围:

挡土墙双向铺设保温层的方法是在单向铺设保温层范围的条件下,增加在墙顶部地表下20cm,水平铺设聚苯乙烯泡沫塑料板。其铺设宽度等于L2。图6.30是挡土墙双向保温的范围。从单向和双向保温范围可知无论墙体多长,墙后土体两侧的保温都是必要的。

(4)保温层施工方法。聚苯乙烯塑料泡沫板是硬质泡沫板,很易锯断所以在铺设所要求的几何形状没有问题。保温板铺设时要避免产生冷桥,所以铺设时要注意接缝。一般铺设厚10cm 保温板时,最好选择用两层5cm 板,这样易于将接缝错开。墙背铺设保温板要注意用铁线将保温板固定,以免保温板错动和拉开降低保温效果。水平铺设保温板上要有20cm 土保护层,避免人为破坏。对于地下水位较高的工程区域,保温板铺设完成后应用塑料薄膜包裹封闭起来以增加保温防渗效果。

6.5.2.2　换填抗冻胀措施

土质条件是影响土体冻胀性的主要因素。如果在一定条件下将挡土墙后冻胀土换填成非冻胀土(砂、砾石等),则可达到防治墙体冻胀破坏目的。

1.砂、砾石土冻结的特性

土的颗粒组成对冻胀的影响在众多的研究中已给出大量的试验成果。这里将工程中常用的砂石换填材料冻结时的特性综述如下。(www.xing528.com)

(1)土颗粒粒径大于0.1mm 时,在粉黏粒含量极少的情况。冻结期间,由于孔隙中自由水冻结对未冻水内产生超静水压,使水分不向冻结锋面迁移,反而向非冻结土方向移动,即砂冻结时对砂中水分有反向压出作用。此论点已经由试验和工程实践所证实。这也就是换填砂等非冻胀土在有排水出路时,不会产生冻胀的原因。

(2)砂砾石中粉黏粒含量多少,在冻结时,对砂的冻胀性影响极大。从工程应用角度来看,粉黏粒含量不应大于12%作为控制条件。此时冻胀系数小于2%,不会造成工程破坏。

2.采用换填措施的必要条件

根据砂砾石冻结时,无冻胀或轻微冻胀的机理。在工程上采用换填措施时,必须同时具备下列条件。

(1)填换非冻胀土的工程地点必须具备排水条件。

(2)换填的砂砾石必须有一定的纯净度。控制其中粉黏粒 (0.005～0.05mm)含量不得超过12%。

(3)必须有合理的换填范围和换填率。

(4)换填砂砾石与细颗粒土之间必须有反滤层,防止砂砾石中粉黏粒含量加大而失效。

3.排水出路的设置方法

采用换填措施有无排水出路关系到换填措施的成败。因此挡土墙后换填土的排水出路可参照如下方法设置。

(1)当地基内有砂砾石透水层,其上部的黏土层又较薄(1～2m)的情况下,可以将局部黏土层挖除,使挡土墙后换填的粗粒土与透水层直接连通,造成天然的排水出路,如图6.31 (a)所示。

图6.31　换填排水方法

(a)直接排水;(b)砂井排水;(c)人工排水
1—挡土墙;2—反滤层;3—排水砂井;4—人工集水井

(2)墙基下有较厚的黏土层(2～4m)连结透水层。采用挖除黏土工程量大时,可以在换填砂层下部设置垂直排水砂井。使墙后换填砂层中水分在冻结过程中,通过砂井排入透水层,如图6.31 (b)所示。

(3)墙基下透水层埋深大或地基处于饱水状态,不可能采用其他方法将换填层与透水层连通排水时。为换填措施有效可采用人工设置排水井的方法。设置人工排水井是利用砂土在冻结时对水分的反向排出机理。当换填砂冻结时,水分向人工排水井方向压出引起水平波动释放能量。所以人工排水井起到了减压作用。设置人工排水井的要求是井中的水不能冻结,换填砂体通过卵石盲沟与人工排水井连通。盲沟与细颗粒土接触面应有反滤层,不能被细颗粒土堵塞。排水井管下部要有筛眼进水孔并包滤网防止泥沙淤积,如图6.31(c)所示。

(4)对于非饱和地基土采用换填措施时,秋季结冻前的地下水距离墙底地表的埋深大于1.5m,而且地下水位随着冻深加大而下降时,也可仅采用在挡土墙上设排水孔而不另设置排水的方案防治墙体冻害。

4.挡土墙换填断面的设计方法

根据挡土墙后土体的温度场、挡墙水平冻胀力的分布形式确定换填断面设计方法如下:换填厚度,对于高度小于8m 的悬臂式挡土墙可参照图6.32 (a)确定。墙顶部0.5Zd,墙高0.56Hw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6.32(b)确定。墙顶部0.5Zd,墙高0.56Hw处,ee′=1.2Zd-δ1/2,墙后趾部换填厚度为0。对于非冻胀回填料,小于0.05mm 的细颗粒含量应不超过总重的4%。

图6.32　换填断面设计图

6.5.2.3　隔水封闭土抗冻胀措施

1.隔水材料的选择

聚氯乙烯塑料薄膜是一种不透水材料。除工农业生产中应用外,在水工抗冻技术中,常作为渠道防渗和防治冻害的隔断迁移水补给的隔水材料。在隔水封闭土措施中,采用聚氯乙烯薄膜包裹土体具有材料易得、造价低、不透水、抗老化性能较好等特点。表5.5是北京东北旺农场埋于防渗渠道的聚氯乙烯薄膜使用18年后测试的有关物理性能。从表中可看出塑料薄膜的横向和纵向的抗拉强度没有减少,反而增加;但塑料薄膜的横向和纵向的延伸率损失较大。经鉴定已运用18年的塑料薄膜尚可使用30年。所以在水利工程中应用塑料薄膜的老化问题不会造成运用效果降低。

2.隔水封闭土的换填断面

挡土墙后土体冻胀对墙体的作用范围可按换填措施中的换填断面确定如图6.31所示。在换填断面内不用砂砾石等换填,而改用塑料薄膜包裹的土,分层夯实后封闭修建。

3.隔水封闭土的施工技术要求

(1)土料的要求。隔水封闭土措施所用回填土料,可以使用工程基坑开挖的土料。对土料的颗粒组成没有严格要求。主要控制的土料指标是土中含水量。对土料中的含水量应控制在塑限以下。土料含水量过大时,可用晾晒风干方法解决。

(2)每层隔水封闭土的质量要求。每层隔水封闭土的厚度,按人工夯实要求不宜超过30cm。经过夯实后的土料干密度不应小于1.40g/cm3。

(3)施工方法。首先按挡土墙后设计的隔层封闭断面所包裹的全部土体尺寸,将塑料薄膜粘接成整体(采用搭接时宽度不得小于20cm)平铺于基底上。然后在其上分层回填隔水封闭土。每层隔水封闭土的施工是将按每层设计好的塑料薄膜铺好,然后填上含水量低于塑限的土料夯实。当土的干密度达到1.40g/cm3以后,则用塑料布将夯实后土体全部包裹严密。在施工完第一层后,再按如上施工方法填筑第二层封闭土。如此类推直至按设计换填断面全部完成后,再将其外部用塑料布整体包裹起来,即施工完毕。

6.5.2.4　排水抗冻措施

采用将挡土墙后土体中水分排出的方法不仅减少了暖土压力,而且在土冻结后也可消减挡土墙水平冻胀力。

1.一般排水方法

对于按暖土压力设计的挡土墙,为减少水压力,按构造要求在墙体上需设置排水孔。从挡土墙抗冻角度而言,墙后土体中水分在结冻前疏干也有利于减少土的冻胀。因此,在挡土墙墙体上应设置排水孔。一般挡土墙的排水孔应设置在地面以上或墙前冬季冻结水位以上。排水孔经常选择用φ5～φ10cm;排水孔间距2～3m。沿墙高方向可设置一排或数排,上下每排排水孔的间距2～3m。排水孔与墙后土体相接处应用粗颗粒土料覆盖并设反滤层。排除墙后土体中水分有底部排水、墙背排水、倾斜和水平排水四种形式。其中倾斜式、水平排水形式对防治墙体冻害效果较好。图6.33是一般排水的四种形式。

2.排水措施的设计与施工的技术要求

(1)排水量的计算。由于排水措施是在水利工程停水运行后,土体冻结前排水减少土中含水量。所以是静水头压力排水。土中渗流量即为排水流量。可以按达西定律的公式计算。即渗流量δ=AKi,式中:A 为渗流面积;K 为渗流系数;i为水力坡降。对于分层土正交于排水面积的总渗透系数K 可按正交分层的公式计算

式中 Ln——为每层土的厚度;

Kn——为每层土的渗透系数。

(2)一般排水法适用于工程地点上冻前地下水位距墙底地表埋深大于1.5m 的情况。

图6.33　挡土墙一般排水形式

(a)底部排水;(b)墙背排水;(c)倾斜排水;(d)水平排水

(3)排水层与细颗粒土间必须反滤,如用无纺布等。

(4)排水措施适宜与其他抗冻措施配合使用。

6.5.2.5　挡土墙防冻害设计的原则

挡土墙防冻害应遵循以下原则:

(1)挡土墙的防冻害设计方案应以技术上可靠、经济上合理,并通过不同设计方案比较加以确定。

(2)由于目前国内外对水平冻胀力研究的资料尚不充分,将冻胀力作为一种荷载,采用单纯结构措施防治冻害,在通常情况下是不经济的。

(3)对回填土为弱冻胀性土,或采用非冻胀材料回填后的低挡土墙 (高度小于5m),可考虑采用目前已有的冻胀力计算方法进行稳定或强度验算,并在此基础上适当增加挡土墙的断面尺寸。

(4)挡土墙防冻害设计应以消除冻因措施为主,结合挡土墙的工程等级、结构形式、高度、当地回填料造价、挡土墙在建筑物中所在部位、防渗要求等条件,采用换填、排水、保温等措施,或将以上三种措施中任何两种或三种组合,即采用综合消除冻因措施。