浅析冻胀与盐胀对工程的破坏及对策措施

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在北方，受冬季寒冷及部分地区土壤重盐碱的影响，工程面板往往出现裂缝、翘起、层层剥落等破坏，从而降低了结构强度，缩短了工程使用寿命。笔者通过扬水渠道多年运行，发现存在以上问题，如何采取较为有效的对策措施，防止冻胀与盐胀对工程造成的破坏，找出最佳的设计方案，是亟待每个工程技术人员探讨的问题，也是他们应尽的责任。

    2、冻胀与盐胀的概念

    受外界和其他因素的影响，土体中的水分超过一定数量时，冻结土层体积增大，使土体整体或局部膨胀，出现结构变形的现象，称之为冻胀。

    土壤冻胀受土质、气温、土壤温度、含水量、压力及土壤颗粒粗细等多种因素的影响。冻胀时产生了冻胀   力，发生了形态的变化。土的冻胀力是含水土体冻结时，土体中的水变成冰体，其体积膨胀受到约束而产生的一种力。例如：据北方部分垦区的观察，冬季气温越低，冻土深度越大；土壤温度越低、冻胀越严重，土壤上部混凝土面板的变形愈大，断裂破坏愈严重；土壤含水量越大，冻胀愈厉害；土壤颗粒愈细，冻胀变形愈大，。砂砾石土类，由于不存在薄膜水，冻结时基本不发生水分迁移，故不产生冻胀。一般黏性土壤不可作建筑物垫层。土壤中含有一定的硫酸钠，如硫酸钠含量超出设计规定范围，当温度降到一定数值时，含盐浓度大于土壤中硫酸钠的溶解度，便开始了结晶过程。在结晶过程中，土壤形态发生了变化，表面松散，硬质表面形成盐皮、盐壳或盐盘等状，体积膨胀，容重急剧降低。这种现象称之为盐胀。

    盐胀在气温高于零度的低温条件下就开始产生，冬季最大盐胀量时开始稳定，回落时间是从次年气温在零度左右，结束时间比冻胀的全部解冻时间延迟数日。

    3、冻胀与盐胀的区别

    冻胀与盐胀二者既有相同之处，也有根本的区别。相同之处：都产生于低温季节，都是土壤上部的混凝土面上翘而导致破坏。不同之处：冻胀多半是将土体向上隆起，而盐胀大多数是将土体顶松体积膨胀向上隆起；冻胀在气温零度以下的寒冷冬季里发生，而盐胀则是地温在零度以上的秋冬季交替季节就可发生；从密实度和地下水位观测可知，土壤的干容重较大时，冻胀比盐胀要弱，干容重小时，较盐胀强；含盐量均等时，土壤干容重愈高，盐胀量愈大；地下水位高时，冻胀较盐胀强，地下水位低时，冻胀较盐胀弱。

    4、冻胀与盐胀对混凝土造成破坏原因及存在的问题

    4.1  对渠道混凝土板衬砌的破坏

    预制混凝土或现浇混凝土衬砌面板经冻胀和盐胀后延伸缩缝、沉降缝错位，局部不规则地翘起。其原因是：受外界水源的补给，冻结土壤中的水分增加，浸润到土壤毛细管的水源不断地补充增加。冻胀受土壤含水量的影响。通常是土壤含水量越大，冻结变形就越大；含水量越小，冻结变形就越小。大多灌溉渠道在冬季停水期，处于无水状态，水分主要由衬砌板底部下层的回归水补充，对混凝土入侵结成冰晶，使土体空隙中的冰晶数量剧增，水分结冰使体积膨胀，受水平方向挤压或推力产生水平位移，迫使结构发生改变。没有经过护面的土渠，每到春季气温回升、土壤水分融化解冻后，边坡便坍塌，影响了渠道断面的正常运行，同时也影响了渠道断面的整体性及外观。 

    4.2  对水工和其他建筑物产生直接的变化破坏

    4.2.1对水闸上下游扭坡产生纵横向裂缝和剥皮的破坏

    由于扭坡结构面积较大，所承受的冻胀力较小，建筑物水闸的扭坡段，扭向下游的板面逐渐减薄，较薄的面层承受的冻胀力较大，常常在这些部位出现水平和横向冻胀裂缝。

    受盐胀和反复的季节性变化的影响，当含水量超过塑限以后或高于最大含水量时，含水量越大，盐胀量越小，水工建筑物埋土面上下的混凝土表面则出现多处裂缝和剥落，造成局部截面减少，承载力和强度降低。

    4.2.2盐胀对墙基产生剥落破坏

    在秋冬交替土壤开始冻结时，含水量较大且盐分含量较大的土壤，对于没有防潮和防潮不彻底或只有水平防潮没有垂直防潮的工程项目，受反复的昼夜温差交替变化和阶段性气温波动的影响而产生的盐胀，使土层变得特别松软，建筑物表面多处出现裂缝。混凝土基础表层或砖砌基础表面层层剥落。例如：房屋和围墙的墙基，由于墙基与地基之间的毛细管通道没能完全被切断，基础土壤中的盐分和水分仍在向上浸润，受气候和其他因素的影响，墙基土壤中的盐分随着水分一起向外蒸发，由于盐胀的原因，出现了层层剥落直至工程剥蚀破坏报废。

    5、对策措施

    5.1 渠道混凝土衬砌板破坏对策

    在工程施工前的设计阶段，应对地质状况进行勘测，化验土壤的含水量及含盐量的成分，各地根据不同的土质，找出最佳或土壤最低含盐量和变形的临界值；施工前对于超标的土壤应换填彻底，换填时应因地制宜，有条件的地方，混凝土板以下回填80cm砂砾石垫层，以防止冻害的发生。尤其在渠道的阴坡面及渠底，应做彻底的砂砾石换填处理。

    灌溉渠道在冬季应将渠水放空，上游进水闸止水严密，减少冻胀；在混凝土衬砌板底部40cm处铺设防渗膜，铺设时，应保持土坡斜面的平整，防渗膜搭接应顺水流方向搭接，搭接采用电烙铁进行热焊接处理，搭接长度为15-20cm为宜，衬砌时应注意不要将防渗膜滑落或损坏。

    5.2 对建筑物的地面上下部分采用防水处理的对策措施

    对盐分较重、含水量较高的土壤，在高出设计回填高程以上80cm至低于设计回填高程30~50cm段，加上一定比例的防水粉，做成防水混凝土。房屋的勒脚在贴面装修前，抹防水砂浆处理，切断毛细管水的通道，使基础土壤和混凝土砖体保持干燥。在地下水位较高的地区，以盐分较大的土壤作基础时，应做换填处理，土料的硫酸根含量宜为0.6以内；若无换土条件或成本很大， 也可在承重部位下铺设一层细砂垫层，再铺设水平和垂直防渗膜，效果会更佳，这样既可防冻胀也可防盐胀，同时还可以减少春天“翻浆”对基础的影响。

    6、结 语

    通过对扬水渠道发生冻胀及盐胀情况比较分析，在渠道的阴坡面及渠底存在次类问题，设计单位应根据土质的情况及地下水位深度，进行认真勘测，施工单位在实际施工过程中，若发现与设计不吻合的，应向设计单位、建设单位提出合理建议，做出合理的设计方案和施工措施，以保证建成工程的使用寿命。