淺析凍脹與鹽脹對(duì)工程的破壞及對(duì)策措施

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在北方，受冬季寒冷及部分地區(qū)土壤重鹽堿的影響，工程面板往往出現(xiàn)裂縫、翹起、層層剝落等破壞，從而降低了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，縮短了工程使用壽命。筆者通過揚(yáng)水渠道多年運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)存在以上問題，如何采取較為有效的對(duì)策措施，防止凍脹與鹽脹對(duì)工程造成的破壞，找出最佳的設(shè)計(jì)方案，是亟待每個(gè)工程技術(shù)人員探討的問題，也是他們應(yīng)盡的責(zé)任。

    2、凍脹與鹽脹的概念

    受外界和其他因素的影響，土體中的水分超過一定數(shù)量時(shí)，凍結(jié)土層體積增大，使土體整體或局部膨脹，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形的現(xiàn)象，稱之為凍脹。

    土壤凍脹受土質(zhì)、氣溫、土壤溫度、含水量、壓力及土壤顆粒粗細(xì)等多種因素的影響。凍脹時(shí)產(chǎn)生了凍脹   力，發(fā)生了形態(tài)的變化。土的凍脹力是含水土體凍結(jié)時(shí)，土體中的水變成冰體，其體積膨脹受到約束而產(chǎn)生的一種力。例如：據(jù)北方部分墾區(qū)的觀察，冬季氣溫越低，凍土深度越大；土壤溫度越低、凍脹越嚴(yán)重，土壤上部混凝土面板的變形愈大，斷裂破壞愈嚴(yán)重；土壤含水量越大，凍脹愈厲害；土壤顆粒愈細(xì)，凍脹變形愈大，。砂礫石土類，由于不存在薄膜水，凍結(jié)時(shí)基本不發(fā)生水分遷移，故不產(chǎn)生凍脹。一般黏性土壤不可作建筑物墊層。土壤中含有一定的硫酸鈉，如硫酸鈉含量超出設(shè)計(jì)規(guī)定范圍，當(dāng)溫度降到一定數(shù)值時(shí)，含鹽濃度大于土壤中硫酸鈉的溶解度，便開始了結(jié)晶過程。在結(jié)晶過程中，土壤形態(tài)發(fā)生了變化，表面松散，硬質(zhì)表面形成鹽皮、鹽殼或鹽盤等狀，體積膨脹，容重急劇降低。這種現(xiàn)象稱之為鹽脹。

    鹽脹在氣溫高于零度的低溫條件下就開始產(chǎn)生，冬季最大鹽脹量時(shí)開始穩(wěn)定，回落時(shí)間是從次年氣溫在零度左右，結(jié)束時(shí)間比凍脹的全部解凍時(shí)間延遲數(shù)日。

    3、凍脹與鹽脹的區(qū)別

    凍脹與鹽脹二者既有相同之處，也有根本的區(qū)別。相同之處：都產(chǎn)生于低溫季節(jié)，都是土壤上部的混凝土面上翹而導(dǎo)致破壞。不同之處：凍脹多半是將土體向上隆起，而鹽脹大多數(shù)是將土體頂松體積膨脹向上隆起；凍脹在氣溫零度以下的寒冷冬季里發(fā)生，而鹽脹則是地溫在零度以上的秋冬季交替季節(jié)就可發(fā)生；從密實(shí)度和地下水位觀測(cè)可知，土壤的干容重較大時(shí)，凍脹比鹽脹要弱，干容重小時(shí)，較鹽脹強(qiáng)；含鹽量均等時(shí)，土壤干容重愈高，鹽脹量愈大；地下水位高時(shí)，凍脹較鹽脹強(qiáng)，地下水位低時(shí)，凍脹較鹽脹弱。

    4、凍脹與鹽脹對(duì)混凝土造成破壞原因及存在的問題

    4.1  對(duì)渠道混凝土板襯砌的破壞

    預(yù)制混凝土或現(xiàn)澆混凝土襯砌面板經(jīng)凍脹和鹽脹后延伸縮縫、沉降縫錯(cuò)位，局部不規(guī)則地翹起。其原因是：受外界水源的補(bǔ)給，凍結(jié)土壤中的水分增加，浸潤(rùn)到土壤毛細(xì)管的水源不斷地補(bǔ)充增加。凍脹受土壤含水量的影響。通常是土壤含水量越大，凍結(jié)變形就越大；含水量越小，凍結(jié)變形就越小。大多灌溉渠道在冬季停水期，處于無水狀態(tài)，水分主要由襯砌板底部下層的回歸水補(bǔ)充，對(duì)混凝土入侵結(jié)成冰晶，使土體空隙中的冰晶數(shù)量劇增，水分結(jié)冰使體積膨脹，受水平方向擠壓或推力產(chǎn)生水平位移，迫使結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。沒有經(jīng)過護(hù)面的土渠，每到春季氣溫回升、土壤水分融化解凍后，邊坡便坍塌，影響了渠道斷面的正常運(yùn)行，同時(shí)也影響了渠道斷面的整體性及外觀。 

    4.2  對(duì)水工和其他建筑物產(chǎn)生直接的變化破壞

    4.2.1對(duì)水閘上下游扭坡產(chǎn)生縱橫向裂縫和剝皮的破壞

    由于扭坡結(jié)構(gòu)面積較大，所承受的凍脹力較小，建筑物水閘的扭坡段，扭向下游的板面逐漸減薄，較薄的面層承受的凍脹力較大，常常在這些部位出現(xiàn)水平和橫向凍脹裂縫。

    受鹽脹和反復(fù)的季節(jié)性變化的影響，當(dāng)含水量超過塑限以后或高于最大含水量時(shí)，含水量越大，鹽脹量越小，水工建筑物埋土面上下的混凝土表面則出現(xiàn)多處裂縫和剝落，造成局部截面減少，承載力和強(qiáng)度降低。

    4.2.2鹽脹對(duì)墻基產(chǎn)生剝落破壞

    在秋冬交替土壤開始凍結(jié)時(shí)，含水量較大且鹽分含量較大的土壤，對(duì)于沒有防潮和防潮不徹底或只有水平防潮沒有垂直防潮的工程項(xiàng)目，受反復(fù)的晝夜溫差交替變化和階段性氣溫波動(dòng)的影響而產(chǎn)生的鹽脹，使土層變得特別松軟，建筑物表面多處出現(xiàn)裂縫?；炷粱A(chǔ)表層或磚砌基礎(chǔ)表面層層剝落。例如：房屋和圍墻的墻基，由于墻基與地基之間的毛細(xì)管通道沒能完全被切斷，基礎(chǔ)土壤中的鹽分和水分仍在向上浸潤(rùn)，受氣候和其他因素的影響，墻基土壤中的鹽分隨著水分一起向外蒸發(fā)，由于鹽脹的原因，出現(xiàn)了層層剝落直至工程剝蝕破壞報(bào)廢。

    5、對(duì)策措施

    5.1 渠道混凝土襯砌板破壞對(duì)策

    在工程施工前的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)對(duì)地質(zhì)狀況進(jìn)行勘測(cè)，化驗(yàn)土壤的含水量及含鹽量的成分，各地根據(jù)不同的土質(zhì)，找出最佳或土壤最低含鹽量和變形的臨界值；施工前對(duì)于超標(biāo)的土壤應(yīng)換填徹底，換填時(shí)應(yīng)因地制宜，有條件的地方，混凝土板以下回填80cm砂礫石墊層，以防止凍害的發(fā)生。尤其在渠道的陰坡面及渠底，應(yīng)做徹底的砂礫石換填處理。

    灌溉渠道在冬季應(yīng)將渠水放空，上游進(jìn)水閘止水嚴(yán)密，減少凍脹；在混凝土襯砌板底部40cm處鋪設(shè)防滲膜，鋪設(shè)時(shí)，應(yīng)保持土坡斜面的平整，防滲膜搭接應(yīng)順?biāo)鞣较虼罱?，搭接采用電烙鐵進(jìn)行熱焊接處理，搭接長(zhǎng)度為15-20cm為宜，襯砌時(shí)應(yīng)注意不要將防滲膜滑落或損壞。

    5.2 對(duì)建筑物的地面上下部分采用防水處理的對(duì)策措施

    對(duì)鹽分較重、含水量較高的土壤，在高出設(shè)計(jì)回填高程以上80cm至低于設(shè)計(jì)回填高程30~50cm段，加上一定比例的防水粉，做成防水混凝土。房屋的勒腳在貼面裝修前，抹防水砂漿處理，切斷毛細(xì)管水的通道，使基礎(chǔ)土壤和混凝土磚體保持干燥。在地下水位較高的地區(qū)，以鹽分較大的土壤作基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)做換填處理，土料的硫酸根含量宜為0.6以內(nèi)；若無換土條件或成本很大， 也可在承重部位下鋪設(shè)一層細(xì)砂墊層，再鋪設(shè)水平和垂直防滲膜，效果會(huì)更佳，這樣既可防凍脹也可防鹽脹，同時(shí)還可以減少春天“翻漿”對(duì)基礎(chǔ)的影響。

    6、結(jié) 語

    通過對(duì)揚(yáng)水渠道發(fā)生凍脹及鹽脹情況比較分析，在渠道的陰坡面及渠底存在次類問題，設(shè)計(jì)單位應(yīng)根據(jù)土質(zhì)的情況及地下水位深度，進(jìn)行認(rèn)真勘測(cè)，施工單位在實(shí)際施工過程中，若發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)不吻合的，應(yīng)向設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位提出合理建議，做出合理的設(shè)計(jì)方案和施工措施，以保證建成工程的使用壽命。