孫洪偉，張　華，沙　勇

(長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012)

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寒期湖岸曲墻凍脹規(guī)律解析

孫洪偉，張華，沙勇

(長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012)

摘要：湖岸曲線形擋土墻為“曲墻”。據(jù)原位觀測(cè)采集的長(zhǎng)春雕塑公園中心湖岸曲墻的水平凍脹位移數(shù)據(jù)，繪制了位移曲線，分析了不同凸曲形狀曲墻水平凍脹位移規(guī)律和“凍害”程度。

關(guān)鍵詞：曲墻；凍脹水平位移；凍縮水平位移；“凍害”程度

0前言

基于兩個(gè)寒期原位觀測(cè)采集的長(zhǎng)春雕塑公園中心湖岸曲墻的水平凍脹位移數(shù)據(jù)，建立凍脹位移與時(shí)間和寒期溫度二者間的關(guān)系，繪出曲墻的水平凍脹位移曲線。分析位移狀態(tài)，揭示曲墻凸曲方向不同所發(fā)生的不同凍脹位移規(guī)律。發(fā)現(xiàn)向湖內(nèi)凸曲的曲墻發(fā)生“正位移”，即出現(xiàn)凍脹水平位移，且位移增大快，曲墻“凍害”較重；

向湖外凸曲的曲墻產(chǎn)生“負(fù)

位移”，即出現(xiàn)“凍縮”水平位移，曲墻“凍害”輕微[1]。

1湖岸曲墻的凍脹(縮)水平位移數(shù)據(jù)

長(zhǎng)春雕塑公園中心湖環(huán)湖曲墻總長(zhǎng)2 km。曲墻依湖岸自然地勢(shì)修建。其凍脹位移的觀測(cè)選用鋼尺精密量距法[1]，據(jù)測(cè)量時(shí)氣溫，已對(duì)尺量數(shù)據(jù)溫度修正，保證推算的凍脹水平位移數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠。原位測(cè)量采集并修正后的凍脹水平位移數(shù)據(jù)見(jiàn)表1～2。

表1　雕塑公園湖岸曲墻實(shí)測(cè)凍脹、凍縮水平位移值　mm

表2　雕塑公園湖岸曲墻實(shí)測(cè)凍脹、凍縮水平位移值　mm

注： 1)“Li”代表在曲墻上設(shè)置的凍脹水平位移觀測(cè)點(diǎn)的編號(hào)；每一編號(hào)右側(cè)的水平欄內(nèi)是曲墻上某觀測(cè)點(diǎn)在寒期的不同觀測(cè)日測(cè)得的水平凍脹位移。 2)表中為實(shí)測(cè)曲墻水平凍脹位移數(shù)據(jù)。其中正值位移是曲墻產(chǎn)生向湖內(nèi)方向的凍脹水平位移，負(fù)值位移是和凍脹水平位移方向相反，是向岸邊方向的凍縮水平位移。3)5月16日位移測(cè)量數(shù)據(jù)與5月5日測(cè)量數(shù)據(jù)相同，故未例。

2湖岸曲墻凍脹水平位移規(guī)律研究

2.1湖岸曲墻“凍脹”水平位移特征曲線

據(jù)表1～2數(shù)據(jù)繪制的長(zhǎng)春雕塑公園中心湖岸曲墻2寒期的“凍脹”水平位移特征曲線、同期的氣溫變化曲線如圖1～2所示。

(a)曲墻水平凍脹位移曲線

(b)同期氣溫曲線

(a)曲墻水平凍脹位移曲線

(b)同期氣溫曲線

注：同期氣溫變化曲線是根據(jù)長(zhǎng)春氣象臺(tái)天氣預(yù)報(bào)的日最高氣溫和最低氣溫繪制的，單位為°C。

2.2湖岸曲墻凍脹水平位移規(guī)律分析

觀察曲墻的凍脹位移曲線：顯現(xiàn)凍脹土推動(dòng)湖岸曲墻產(chǎn)生了“正位移”和“負(fù)位移”。如圖1～2所示。研究發(fā)現(xiàn)：圖中的“正位移”是內(nèi)凸曲墻(如圖3所示的向湖內(nèi)凸曲的曲墻[1])產(chǎn)生的向湖內(nèi)的凍脹水平位移；“負(fù)位移”是外凸曲墻(如圖4所示的向湖外凸曲的曲墻)發(fā)生的凍縮水平位移，即外凸曲墻產(chǎn)生了向湖岸方向的位移,和凍脹水平位移方向相反。凍脹位移曲線反映出在寒期不同溫度時(shí)段，內(nèi)、外凸曲墻的位移大小和狀態(tài)是不同的。

圖3　內(nèi)凸曲墻　　　　　　　　　　　　　　　　 圖4　外凸曲墻

注：σ1：墻背凍土層產(chǎn)生的水平凍脹應(yīng)力；σ2：冰凍結(jié)對(duì)曲墻產(chǎn)生的水平凍脹應(yīng)力。

2.2.1內(nèi)凸曲墻凍脹位移規(guī)律分析

第2寒期圖2(a)中的上曲線組為內(nèi)凸曲墻凍脹水平位移曲線組，總體呈“駝峰型”變化，顯現(xiàn)隨氣溫升降多時(shí)段的變化規(guī)律。對(duì)應(yīng)寒期的持續(xù)負(fù)溫、正負(fù)溫波動(dòng)、正溫波動(dòng)各時(shí)段，內(nèi)凸曲墻的凍脹水平位移相應(yīng)經(jīng)歷了增大—減小—基本恒定的3時(shí)段變化。

1)持續(xù)負(fù)溫時(shí)段——?dú)鉁卦谪?fù)溫下的持續(xù)波動(dòng)階段，為長(zhǎng)春地區(qū)每年的11月至次年的2月中下旬或更晚一些。此時(shí)段中內(nèi)凸曲墻的凍脹水平位移增大快，位移曲線陡峭上升，平均位移速度在0.38～0.55 mm/d之間，位移的平均值在35～55 mm之間，最大凍脹水平位移發(fā)生在該時(shí)段的末期，即次年的2月下旬左右，最大凍脹水平位移可達(dá)69～71 mm。

該時(shí)段內(nèi)，內(nèi)凸曲墻背土凍深不斷加厚，不斷加大的水平凍脹應(yīng)力持續(xù)推動(dòng)曲墻，使墻體水平位移繼續(xù)加大。持續(xù)負(fù)溫的末期，氣溫不再下降，凍土層增厚緩慢并接近終止，凍脹水平位移接近最大值后不再增大。最大凍脹水平位移發(fā)生在持續(xù)負(fù)溫時(shí)段向正負(fù)溫波動(dòng)時(shí)段的過(guò)渡期，即每年的2月下旬左右，如圖1和圖2中的(a)圖所示。

另一因素是在持續(xù)負(fù)溫的末期，負(fù)溫下的氣溫波動(dòng)頻繁，引起凍土層熱脹冷縮，頻繁熱脹發(fā)生的凍脹力推動(dòng)墻體也額外增大了凍脹水平位移。

研究發(fā)現(xiàn)，此時(shí)段內(nèi)凸曲墻的凍脹水平位移及引起“凍害”[2]破壞程度遠(yuǎn)超過(guò)其他墻型，與外凸曲墻相比，產(chǎn)生的凍脹水平位移是后者凍縮位移的2.4倍，比后者大130%，凍脹水平位移引起的傾斜、裂縫甚至局部坍塌等“凍害”破壞相對(duì)嚴(yán)重。原因是內(nèi)凸曲墻背土凍結(jié)產(chǎn)生的水平凍脹應(yīng)力σ1作用于曲墻的內(nèi)拱一側(cè)，處于最不利的“拱內(nèi)受壓”[3]狀態(tài)，承載力低，在凍土大凍脹應(yīng)力的推動(dòng)下[4]，必然會(huì)產(chǎn)生向湖內(nèi)一側(cè)較大的水平位移，并發(fā)展較快。位移曲線陡峭上升也證實(shí)了這一點(diǎn)。另外，墻前湖冰層產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力σ2的反方向作用，將加劇內(nèi)凸曲墻的傾斜和扭轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)裂縫及坍塌等“凍害”破壞。

2)正負(fù)溫波動(dòng)時(shí)段——是從持續(xù)負(fù)溫時(shí)段末期至正溫時(shí)段初的氣溫區(qū)間，即長(zhǎng)春地區(qū)的2月下旬至3月下旬之間。該時(shí)段內(nèi)氣溫在正負(fù)溫間波動(dòng)，且中后期白天出現(xiàn)正溫的頻率增多。如圖1～2顯示，正負(fù)溫波動(dòng)時(shí)段，內(nèi)凸曲墻的凍脹水平位移曲線逐漸下降，凍脹水平位移逐漸減小。

此時(shí)段位移減小的因素有兩方面[1-2]：其一，氣溫的正負(fù)溫波動(dòng)使內(nèi)凸曲墻背的凍土層產(chǎn)生頻繁的熱脹冷縮而開(kāi)裂，另外，空氣干燥也促使凍土層產(chǎn)生干縮裂縫，裂縫的產(chǎn)生在一定程度上消減了作用在內(nèi)凸曲墻上的凍脹應(yīng)力，使得墻體回彈，凍脹水平位移減??；其二，正負(fù)溫波動(dòng)時(shí)段的中后期，頻繁的正溫出現(xiàn)，內(nèi)凸曲墻后凍土層由淺入深逐漸融化，凍土對(duì)墻體的凍脹力逐漸減弱，墻體在自身的整體彈性作用下逐漸產(chǎn)生彈性恢復(fù)，這也會(huì)使凍脹水平位移逐漸減小。內(nèi)凸曲墻的凍脹水平位移減小是以上兩種因素同時(shí)作用的結(jié)果，減小的速度在0.33～0.66 mm/d之間。

3)正溫波動(dòng)時(shí)段——該時(shí)段氣溫在正溫內(nèi)波動(dòng)，即長(zhǎng)春地區(qū)每年的3月下旬至5月中下旬，時(shí)段內(nèi)氣溫在正溫內(nèi)持續(xù)波動(dòng)上升。對(duì)應(yīng)此時(shí)段的位移曲線呈接近直線平緩下降，下降幅度很小，說(shuō)明該時(shí)段內(nèi)凸曲墻背凍土層在正溫下融化接近完成，土的凍脹應(yīng)力消失，墻體的彈性回復(fù)也接近終止，表現(xiàn)出凍脹水平位移減小的速度減緩。如：此時(shí)段的位移減小的速度為0.116～0.315 mm/d，僅為正低溫波動(dòng)時(shí)段的1/3～1/2。剩余的位移為內(nèi)凸曲墻經(jīng)歷一個(gè)寒期的水平凍脹位移的殘余量，為最終凍脹水平位移值。內(nèi)凸曲墻過(guò)大的凍脹水平位移是引起墻體傾斜、裂縫、坍塌等“凍害”破壞的根源。

2.2.2湖岸外凸曲墻凍縮水平位移規(guī)律分析

第2寒期圖2(a)中的下曲線組為外凸曲墻凍縮位移曲線組，曲線總體呈下凹小幅度“負(fù)增長(zhǎng)”趨勢(shì)，并接近線性發(fā)展，并顯現(xiàn)凍縮位移對(duì)氣溫變化不太敏感。原因是外凸曲墻合理的受力特性限制了凍脹位移的發(fā)生。如圖4所示，外凸曲墻在平面上相當(dāng)于“拱”，且拱外側(cè)承受土層水平凍脹應(yīng)力σ1的壓力作用，即外凸曲墻類(lèi)似“正拱受力”[3]狀態(tài)。“正拱受力”具有承載力大的特點(diǎn)，自然對(duì)凍土水平凍脹應(yīng)力的抵抗作用大。正拱與凍土水平凍脹應(yīng)力相持階段，有蠕變特性的凍土?xí)a(chǎn)生應(yīng)力重分而對(duì)正拱的壓力減弱，而寒期溫度波動(dòng)引起的正拱(外凸曲墻)熱脹推動(dòng)壓力減弱的凍土產(chǎn)生了向岸邊的位移——即以上提及的外凸曲墻的凍縮位移。隨正拱熱脹對(duì)凍土的壓應(yīng)力的持續(xù)增大，凍土逐漸被壓實(shí)，耐壓能力增強(qiáng)，正拱(外凸曲墻)熱脹受阻使得凍縮位移速度逐漸減小直至終止。表現(xiàn)出外凸曲墻產(chǎn)生的向岸邊的凍縮位移發(fā)展到一定程度后終止。綜上，外凸曲墻非但沒(méi)有產(chǎn)生向湖內(nèi)的位移，卻產(chǎn)生了向岸邊的位移，由于岸邊土層的支撐，墻體產(chǎn)生傾斜破壞等“凍害”的隱患降低。觀測(cè)證實(shí)：實(shí)際外凸曲墻遠(yuǎn)比內(nèi)凸曲墻產(chǎn)生的“凍害”輕微。這是外凸曲墻“正拱受力”特征決定的。

3結(jié)語(yǔ)

湖岸曲墻的凍脹規(guī)律和機(jī)理綜述：

1)對(duì)應(yīng)寒期的持續(xù)負(fù)溫時(shí)段、正負(fù)溫波動(dòng)時(shí)段、正溫波動(dòng)時(shí)段內(nèi)凸曲墻的凍脹水平位移呈3時(shí)段變化規(guī)律。持續(xù)負(fù)溫時(shí)段是內(nèi)凸曲墻的凍脹水平位移的“增長(zhǎng)期”。持續(xù)負(fù)溫使墻背土層不斷凍結(jié)增厚，水平凍脹應(yīng)力持續(xù)增長(zhǎng)，推動(dòng)內(nèi)凸曲墻使凍脹水平位移快速加大，凍脹水平位移曲線陡峭上升印證了這一點(diǎn)；正負(fù)溫波動(dòng)時(shí)段是內(nèi)凸曲墻的凍脹水平位移“回落期”。正負(fù)溫波動(dòng)引起墻背凍土層熱脹冷縮和空氣干燥引起的土層開(kāi)裂，使得凍脹力得到部分消減，內(nèi)凸曲墻回彈凍脹水平位移減小。表現(xiàn)為此時(shí)段的凍脹水平位移曲線下降；正溫波動(dòng)時(shí)段，凍土層接近完全融化，作用于內(nèi)凸曲墻背的凍脹應(yīng)力消失，凍脹水平位移趨于恒定。

內(nèi)凸曲墻產(chǎn)生的傾斜、裂縫、坍塌等“凍害”嚴(yán)重[1-2]，原因是其“拱內(nèi)受力”產(chǎn)生的凍脹水平位移過(guò)大所致，應(yīng)盡量避免建造此種墻型。

2)外凸曲墻的凍縮水平位移與寒期氣溫的相關(guān)性不強(qiáng)，是因其墻體“正拱受力”有較大的抗力而限制了位移的發(fā)展。表現(xiàn)其位移曲線趨于線性平緩下降，凍縮位移不大。此類(lèi)墻型的“凍害”輕微，是較理想的抗凍墻型。

參考文獻(xiàn)

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The Analysis of Frost-Heaving Laws on Lakeshore Curved Wall in Cold Season

SUN Hong-wei,etc.

(SchoolofCivilEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：Lakeshore curved retaining wall is called as “curved wall”.According to the frost-heaving horizontal displacement data collected from the center lakeshore cured wall in Changchun Sculpture Park by situ-observation，the displacement curve has been drew in this article. The frost-heaving horizontal displacement laws and “freezing” degrees to different curved walls with different curved shapes have also been analyzed.

Key words：curvedwall;frost-heaving horizontal displacement; frost-condensation horizontal displacement;“freezing” degree

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-8984(2016)01-0005-05

中圖分類(lèi)號(hào)：TU445

作者簡(jiǎn)介：孫洪偉(1963-)，男(漢)，吉林永吉，高級(jí)工程師，副教授

基金項(xiàng)目：吉林省教育廳資助項(xiàng)目(吉教科合字第227號(hào))

收稿日期：2016-01-30

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.002

主要研究土木工程施工技術(shù)及教學(xué)。