张鑫鹏冻土地区冻胀的原因分析及解决措施doc.docx
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张鑫鹏冻土地区冻胀的原因分析及解决措施doc
冻土地区冻胀的原因分析
及解决措施
土建室张鑫鹏
2019-10-16
1成因分析1
1.1水结冰后膨胀1
1.2毛细现象和冰晶体的形成1
2影响冻胀的因素3
2.1土质对冻胀的影响3
2.2土中水分对冻胀的影响3
2.3温度对冻胀的影响4
3冻胀的破坏影响4
4应对的解决措施5
4.1置换法6
4.2隔温法7
4.3隔水法8
4.4稳定土处理法8
5结束语9
参考文献9
冻土地区冻胀的原因分析及解决措施
张鑫鹏
摘要:
冻土地区路基的病害及其相应的防治措施一直是困扰工程的难题。
如冻胀、融沉等。
**处于北方严寒地区,在道路铺设,和基础设置等方面,受到冻胀的影响很大,往往为了解决冻胀问题花费更大精力和投资,并且存在特殊地质条件和投资控制等因素影响,有些项目无法完全避免冻胀的产生和影响,处理不当会给日后使用带来很大影响,根据冻胀原理和多年的经验教训,本文着重分析冻胀的起因和处理措施等,希望能为今后设计和施工带来更多帮助和解决思路。
关键词:
冻土地区;冻胀;成因;解决措施
1成因分析
1.1水结冰后膨胀
我们知道,水在摄氏零度结冰,体积比原体积大十分之一,水结冰的过程中体积增大,产生占位空间,挤动了其它物体,作用在其它物体上的力就是冻胀力。
这种单独的原位冻胀造成破坏力相对较小。
1.2毛细现象和冰晶体的形成
土体的冻胀分为原位冻胀和分凝冻胀两种。
而对工程中破坏巨大的是由于外界水分迁移补给形成的分凝冻胀,是由毛细现象和冰晶体共同作用形成的。
毛细现象是指土中水在表面张力作用下,沿着孔隙向上及其他方向移动的现象。
在形成毛细通道时就构成毛细水的上升。
当冰冻季节冻结时,土中水分向冻结区迁移并积聚,土颗粒孔隙中的自由水在0℃以下时,自由水首先冻结成冰晶体。
随着**温的继续下降,周围未冻结区土中的水分会向表层冻结冰晶体迁移积聚,使冻结区土层中水分逐渐增大,冻结后的冰晶体也不断增大,只要冻结区周围还存在着水源,并且还存在适当的水源补给通道即毛细通道,能够源源不断地补充给冰冻体所需的水分,在这一不平衡的引力不间断地作用下,未冰冻区的水分不断地向冰冻区迁移积聚,使冰晶体不断扩大,在土层中形成冰夹层,土层在冰夹层作用下体积会发生膨胀,也就是冻胀。
冻结区域冰晶体不断增大,不断吸引周围的水分,不断发生体积继续膨胀现象,一直继续到切断冰晶体所需的补给水源,此时的水分继续迁移积聚、冰晶体继续增大才会停止。
2影响冻胀的因素
2.1土质对冻胀的影响
土的冻胀主要是由于水分的迁移导致的水分大量积聚而引起的。
土中水的迁移取决于当地的土质条件。
含粉粒多的细粒土的渗透性较强,且毛细水可以及时补给,故水更易大量聚集,所以细粒土的冻胀很明显。
当地下水位相同时,土壤的冻胀量随土颗粒大小而异,颗粒越粗,冻胀量越小;颗粒越细,冻胀量越大。
粉性土冻胀量最大,粘性土次之,砂砾土最小。
冻土的水分迁移量为粉粒>粘粒>砂粒。
主要原因是:
当粒径大于0.1mm,在无粉、粘土颗粒充填情况下,表面能很低,表面吸附作用几乎没有,很难形成薄膜机械或毛细机构,冻胀性很小;当粒径尺寸为0.1~0.05mm的细砂时,就是饱和水状态下冻结,冻胀性也很小;但当粒径处于0.05~0.005mm时,土具有最大的冻胀性;当粒径小于0.005或更小时,因为颗粒的分散性极大,表面能相当高,土中水多为土粒强烈束缚,强吸附水量增大。
如果这种粒径的含量超过50%,因土中孔隙过小,造成了水流通路的阻塞,形成不透水的隔离层使水迁移困难,则冻胀性急剧减小,故土的分散性对冻胀性的影响最严重。
2.2土中水分对冻胀的影响
我们知道,土的冻胀是由于土中水分冻结成冰造成的土体积膨胀,可见水分是冻胀的首要条件,而土中水分的多少是影响冻胀的基本因素。
水的主要来源一个是大**降水及各种排水和人工灌溉引起的回归水,而大**降水影响最大的是冻前的降水量。
第二个是地下水,而且关键是地下水距地表的距离。
地下水位越高,土的冻胀就越大。
2.3温度对冻胀的影响
负温是冻胀产生的必要条件之一,土体在负温下冻结,而且在不同的负温下显示出不同的冻胀特性,在开敞的体系中,其冻胀可分3个阶段:
第一阶段,土体冻胀强度随负温的降低而剧烈地增长,其增长值约占最大冻胀值的70~80%;负温变化范围为起始冻结温度至-3℃左右。
第二阶段,土体冻胀强度增长缓慢,其增长值一般占最大冻胀值的10~20%负温变化在-3~-7℃。
第三阶段,土体冻胀率处于稳定或略有增长,一般在5%左右,负温变化在-7~-10℃。
3冻胀的破坏影响
水分迁移和积聚,冰晶体不断扩大形成冰夹层,土体随之发生隆起,出现冻胀现象。
当土层解冻时,土中积聚的冰晶体融化,土体随之下陷,即出现融陷现象。
反复的冻胀和融陷现象造成工程中巨大破坏。
造成积水冻结膨胀形成冻胀病害,其最大量有50mm,一般在30mm~40mm,多在25mm以下。
冻胀形成时间从10月到次年3月末,之后便趋于稳定。
近几年小区改造等项目中,如果遇到地下水位较高、土质软弱、施工夯实不足等情况,常引起较明显的冻胀现象,造成道路铺装的拱起、散水倒坡、单元门无法正常开启等影响。
随着4月初的融陷,又造成冻胀和融陷幅度不均匀,铺装成波浪形,道路开裂等破坏。
2019年12月,**至大连客运正式运营。
哈大客专造价超千亿元,设计时速350公里,实际运行时速却不到200公里。
原定于2019年4月1日提速计划延迟,据媒体报道,因2019年下半年,哈大客专路基出现大面积冻胀。
4应对的解决措施
**地区属寒带地区,随着自然环境和**候变暖,**的开发建设,人员增加,生产、生活的活动,**温也不断的升高,因此,工程建设防冻胀冻切的方法也在不断变化。
****开发建设初期,冻土层最深可达3米,而最近几年来冻土层深仅2.1米。
冻胀现象的产生必须同时具备土质、温度、地下水三个因素的作用。
因此,为了防止道路冻胀作用的产生,只要消除这三个因素中的一个,就能达到防治目的。
工程中的防治道路冻害措施可以归纳为“置换法”、“隔温法”、“隔水法”及“稳定土处理法”。
4.1置换法
置换法是采用非冻胀材料换填部分冻胀性土的方法。
置换深度应该由防止冻胀引起的路面破坏和春融期土基及底基层承载能力降低来决定,在防止冻胀引起的路面破坏时,最好采用不易引起冻胀的材料换填到理论最大冻结深度。
但根据大量国内外文献,一般说来,只要置换到理论最大冻深的70%即可。
考虑到冰害作用受积雪、除雪程度,日照等影响很大,所以置换率一般还需根据当地具体情况分析。
实际项目中,由于置换深度较大,成本较高,很难完全采用这种方式,而多数采取部分置换为中砂等,厚度多为300~500mm,一方面置换部分冻土,另外也能起到缓解冻胀力的作用。
4.2隔温法
为了防止道路的冻胀破坏,在采用隔温材料时,要选择热传导率小的材料,才有较好的隔温性能。
材料的隔温性能要持久,承载能力要高,耐水性好,并且要经济。
满足这些条件的材料有聚苯乙烯薄板等。
采用这种方法,要注意在隔温层上的垫层施工工艺的问题。
因为运输垫层材料以及采用机械压实过程容易使隔温材料破坏,并且会将粗粒材料压入隔温层中。
为此,可以在隔温层上撒铺数厘米厚的砂,然后再铺20~30cm的砂砾进行碾压。
4.3隔水法
防止地面雨水、雪水下渗,同时加强路基排水,确保路基面以下一定深度范围内地基土的含水量不会由于地表水下渗而增大。
可以采取在基床表层范围内铺设复合土工膜隔水的措施,以达到封闭的效果。
并结合降低地下水位等措施。
对于新建公路来说,通常采用提高路基高度的设计方法,使路基远离水源,从而有效地降低路基冻胀现象。
4.4稳定土处理法
道路的基层如使用不够稳定的土类,可掺入适当数量的水泥进行处理,能提高其强度和承载能力,并增加抗冻和抗水性能。
但水泥剂量过大也会产生收缩裂缝。
至于粉碎、拌合与压实等工序也很重要,必须合乎要求。
这种方式比较常见的使用在实际项目中。
5结束语
在以上这些措施中,工程中应首先考虑采用在预想冻深范围内换填冻胀土的置换法,而在冻结深度较大、交通量比较少或缺少优质置换材料的情况下,适于采用隔温法防止冻胀。
稳定土处理法则是用于粘性土构成的软弱路基情况,也可与置换法配合使用。
道路冻害的防治措施,除以上论述的常用方法外,还有不少具体方法。
考虑施工时的实际情况,综合运用各种防治措施和手段,因地制宜,就地取材,才能取得既经济又有效的防冻胀效果。
参考文献
JGJ118-2019冻土地区建筑地基基础设计规范
CJJ37-2019城市道路设计规范
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