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水工建筑物出現凍害的原因與防范策略論文
寒冷地區建設的水工建筑存在特別普遍的凍害現象，就黑龍江省而言，很多灌區特別是澇區，因為地基土大部分是黑色和黃色的粉質土壤，其具有較高的地下水位，土壤凍前飽含水分，一旦受凍的膨脹性較大，所以大部分中小型水工建筑存在凍害情況。無論是磚木結構，還是鋼筋混凝土結構；無論是現澆式，還是預制式的閘、涵、橋等建筑都會出現凍害。因為凍害破壞，為工程建設、工程管理、工程效益、工程維修等環節造成嚴重危害。
1水工建筑物出現凍害的原因
1.1凍脹力
混凝土或者地基土受低溫影響而凍結時，其含有的水份凝結成冰，冰將沒有結凍的水份在凍結鋒面上聚集起來形成冰晶體，其體積不斷增加而產生的作用力就是凍脹力，此力對建筑物有不同的作用方向，通常包括豎向、水平方向和切向的凍脹力。凍脹力損害水工建設物，讓混凝土和基礎土的結構出現變化，削弱建筑物強度。
第一，豎向凍脹力。混凝土凍脹過程中會受到地基的制約而產生作用于混凝土底面的垂直向上的力。當基礎土屬于凍脹性土壤或者基礎埋置深度較設計凍深少時，就會產生豎向凍脹力。第二，水平方向凍脹力。中小型水工建筑物基礎側面或者擋土墻后的土凍脹，在基礎側面或墻上就會出現水平作用的力，其力度大小與墻后填土凍脹的數值呈現出正比例關系。第三，切向凍脹力。中小型水工建筑物橋墩、物樁基礎周圍出現土壤凍脹情況時，因為受到基礎約束而產生作用于基礎側面的向上力。基土與基礎之間存在的冰結力是傳逆、形成凍脹力的有效平臺。
1.2冰壓力
中小型水工建筑所具有的冰壓力，基本分為靜冰壓力與動冰壓力兩種。動冰壓力就是水工建筑遭受流冰沖擊，會導致建筑物受到剪切、擠押等破壞。靜冰壓力是冰層溫生膨脹出現的壓力，冰層受到溫度上升的影響而產生強烈爬坡，混凝土板被凝結于一處，由于冰蓋上爬而長高，導致混凝土彎曲、斷裂等損害。
1.3蠕動變形
水工建筑的地基土在氣溫到達零下時，凍土冰體會出現變形情況，其體積逐步減少，所出現的壓力會導致冰點的下降，進而凍土會出現融化流動的情況。
1.4凍融
負溫下結凍而升溫后融化就稱之為“凍融”.凍融的反復循環，能破壞水工建筑物，尤其是位于水位變化區域內的混凝土表面，當凍結時其體積會膨脹，而融化時冰變成液體流到混凝土外，原來的形態則難以恢復，降低了混凝土應有的彈性，造成鋼筋的容蝕與外露現象，進而提高凍脹的損傷，并導致惡性循環。
2水工建筑物防治凍害的策略
2.1勘探環節防控凍害的措施
中小型水工建筑物既要進行常規勘測，要全面認識工程處于地下埋深以及排泄與補給的相關條件，包括：
（1）土壤的系數、導熱性、含水量、粒徑、種類等；（2）日均溫度、年均溫度、最冷月份溫度等；（3）凍土情況、冰情資料等具有抗冰凍功能的材料。上述數據為建設與維護水工建筑物設計實施抗水凍策略提供基礎性依據。
2.2設計環節防控凍害的措施
第一，換回填土。按照遮陰水平、日照條件、建設級別等條件計算并確定土壤凍脹量、基礎凍深、設計深度。設計過程中，要考慮到回填土、基礎換土對凍脹力和基礎深度的降低因素。
I級到V級置換凍脹地基時，要選擇非凍脹性土壤，就是不超過0.05mm顆粒含量根據質量比一定要低于質量總數的6%,原狀土壤與置換材料間要安放過濾層，并設計出性能優秀的排水條件。如將置換物投影輪廓線向外移動0.5m,其凍脹力就可以降低80%到85%,置換深度通常達到凍深的70%到80%.
第二，排水。當水工建筑物土壤含水量高于凍脹起始含水量時，應該排出多余水份，并運用恰當方法控制地下水或地表水滲入土壤中，如擋土墻在符合滲徑要求的基本條件下，要在相應位置設計出排水孔。渠道線路要設計成高線以避免地下水帶來的損傷，要在溝渠旁邊栽植楊樹、柳樹，以發揮出生物排水的功效。
第三，保溫策略。水保溫方式：在物質中水具有最強大的熱容量，水結冰時釋放出的潛熱能可以降低凍深。據實際經驗，2米的冰土相當于1米的冰層。農業庫堤河水工施工項目要求建設43米長的倒虹吸混凝土方涵，其上為了避免凍結鋒面直到底部設計出1.4米的回填土層，回填中要選擇填水性良好的砂粒，讓溝道水和回填層間設計的虹吸管中間隔一定距離的水層，進而降低載吸管中水面結冰的厚度。運用稻草添堵進出水，確保虹吸管在第二年春季可以順利過水。
另外要鋪設保溫材料，中小型水工建筑物應該選擇泡沫珍珠巖或者聚乙烯塑料板為保溫材料，當凍脹性土級不超過Ⅱ級時，可以采取雙向鋪設的方法，其厚度要達到凍深的6.6%到10%.
第四，隔離措施。中小型水工建筑物外壁，在凍深范圍的設計時，隔水層是2mm的瀝青憎水材料，擋土墻背后要集中保持光滑，運用水泥砂漿將擋土墻背側抹平，盡量降低基礎外壁和地基土間的凍結力，就算地基出現凍脹情況也能夠維持建筑物的穩定性。
第五，合理的結構形式。根據水工建筑物所體現出的受力特點，選擇降低凍土和建筑物接觸面積、以及基礎單元剛度等布局和結構。易沖建筑物擁有的樁基礎部分：水工項目區內橋梁、渡槽結構選擇鋼筋混凝土來制作樁基礎，此基礎降低坑土挖掘的數量，提高施工效率，同時也不會由于基礎凍脹而破壞建筑物的穩定性。擴大式墻基礎：此基礎通常應用于田間橋梁及節制閘出水口墻，其結構是鋼筋混凝土板，能夠妥善運用凍脹作用力，將切身凍脹力予以抵消，進而降低或避免凍脹變形。一字水閘結構：此結構出口和進口的翼墻和段底板選擇他隔離式，不但能夠減少基礎性土方的挖掘數量，也能降低凍脹而提高建筑物壽命。
第六，施工環節防控凍害的措施。當晝夜室外平均溫度在3℃以下時，要停止重要工程的混凝土，即使實施也要采取相應的保溫技術；對于具有抗磨抗沖要求或者受凍嚴重的部位，處于嚴寒地區的水工建筑要嚴格根據標準與規范進行鋼筋漿保護的施工；如果在雨季進行土方工程的施工，要對土料的含水量進行科學控制；選擇非凍脹材料填充地基時，其粒徑要低于0.06毫米，其質量不得高于總質量的6%,并對回填填料的密度進行嚴格控制。
2.3運行管理環節防控凍害的措施
中小型水工建筑物運行時，要重視對其進行管理，定期作系統檢查，分析并掌握交融規律，對可能產生的凍害進行預測，運用防控、補救措施來消除、降低出現隱患的可能性，提高工程壽命和安全性。
3結束語
中小型水工建筑物出現地基土凍脹的因素包括水分、土質和負溫。當水工建筑物出現凍害而產生的膨脹會破壞建筑物，影響其使用壽命與使用質量。所以細致分析出現凍害的原因，并具有針對性的制定防治凍害的策略是特別重要的。本文分析中小型水工建筑物出現凍害的原因包括凍脹力、凍融、蠕動變形、冰壓力等，需要在勘察環節、設計環節、施工環節以及運行管理環節來解決問題，使其更好的防治凍害，以實現增強水工建筑物質量和壽命的目標。
參考文獻
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