淺析凍脹與鹽脹對工程的破壞及對策措施

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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)強度，縮短了工程使用壽命。筆者通過揚水渠道多年運行，發(fā)現(xiàn)存在以上問題，如何采取較為有效的對策措施，防止凍脹與鹽脹對工程造成的破壞，找出最佳的設(shè)計方案，是亟待每個工程技術(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，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等多種因素的影響。凍脹時產(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，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、凍脹越嚴重，土壤上部混凝土面板的變形愈大，斷裂破壞愈嚴重；土壤含水量越大，凍脹愈厲害；土壤顆粒愈細，凍脹變形愈大，。砂礫石土類，由于不存在薄膜水，凍結(jié)時基本不發(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)計規(guī)定范圍，當溫度降到一定數(shù)值時，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，冬季最大鹽脹量時開始穩(wěn)定，回落時間是從次年氣溫在零度左右，結(jié)束時間比凍脹的全部解凍時間延遲數(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；從密實度和地下水位觀測可知，土壤的干容重較大時，凍脹比鹽脹要弱，干容重小時，較鹽脹強；含鹽量均等時，土壤干容重愈高，鹽脹量愈大；地下水位高時，凍脹較鹽脹強，地下水位低時，凍脹較鹽脹弱。

    4、凍脹與鹽脹對混凝土造成破壞原因及存在的問題

    4.1  對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、沉降縫錯位，局部不規(guī)則地翹起。其原因是：受外界水源的補給，凍結(jié)土壤中的水分增加，浸潤到土壤毛細管的水源不斷地補充增加。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充，對混凝土入侵結(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行，同時也影響了渠道斷面的整體性及外觀。 

    4.2  對水工和其他建筑物產(chǎn)生直接的變化破壞

    4.2.1對水閘上下游扭坡產(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，當含水量超過塑限以后或高于最大含水量時，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，承載力和強度降低。

    4.2.2鹽脹對墻基產(chǎn)生剝落破壞

    在秋冬交替土壤開始凍結(jié)時，含水量較大且鹽分含量較大的土壤，對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目，受反復(fù)的晝夜溫差交替變化和階段性氣溫波動的影響而產(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。混凝土基礎(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，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廢。

    5、對策措施

    5.1 渠道混凝土襯砌板破壞對策

    在工程施工前的設(shè)計階段，應(yīng)對地質(zhì)狀況進行勘測，化驗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；施工前對于超標的土壤應(yīng)換填徹底，換填時應(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，上游進水閘止水嚴密，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，應(yīng)保持土坡斜面的平整，防滲膜搭接應(yīng)順水流方向搭接，搭接采用電烙鐵進行熱焊接處理，搭接長度為15-20cm為宜，襯砌時應(yīng)注意不要將防滲膜滑落或損壞。

    5.2 對建筑物的地面上下部分采用防水處理的對策措施

    對鹽分較重、含水量較高的土壤，在高出設(shè)計回填高程以上80cm至低于設(shè)計回填高程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，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)一層細砂墊層，再鋪設(shè)水平和垂直防滲膜，效果會更佳，這樣既可防凍脹也可防鹽脹，同時還可以減少春天“翻漿”對基礎(chǔ)的影響。

    6、結(jié) 語

    通過對揚水渠道發(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)計單位應(yīng)根據(jù)土質(zhì)的情況及地下水位深度，進行認真勘測，施工單位在實際施工過程中，若發(fā)現(xiàn)與設(shè)計不吻合的，應(yīng)向設(shè)計單位、建設(shè)單位提出合理建議，做出合理的設(shè)計方案和施工措施，以保證建成工程的使用壽命。