2. 长春市新立城水库管理局, 长春 130119
2. Changchun Xinlicheng Reservoir Authority, Changchun 130119, China
0 前言
季冻土区[1]湖泊、水库、池塘及人工湖临水内、外拱护墙结构冻害多发，较严重的是内拱护墙结构平位移冻害；其具体表现为内拱护墙结构受冰、冻土平冻胀应力[2]作用产生内向冻胀平位移(向湖内方向的位移)过大，引起墙体结构出现裂缝、倾斜和坍塌破坏。冻害影响内拱护墙结构正常使用，存在安全隐患，破损的护墙结构还会引起水土流失和环境污染。冻害发生时，普遍做法是选择拆除重建，但季冻土区临水内、外拱护墙结构以拆建方式解决冻害，不仅造成严重浪费，还会造成环境污染。迄今为止，鲜有针对临水内、外拱护墙结构冻胀平位移冻害原位监测、机理分析及防治方面的研究报道。鉴于护墙结构冻害多发，揭示冻胀机理、对症施治十分紧迫。笔者以长春某湖泊临水内、外拱护墙结构为研究对象，将冻胀平位移观测和冻害防治试验同步进行，据原位观测采集的内、外拱护墙结构冻胀平位移数据构建冻胀平位移状态曲线，分析其变化规律，揭示冻胀平位移冻害特征和机理；并设计了隔离层防冻害装置，在内拱护墙上安装试验，监测其防冻害效果，以期为内、外拱护墙结构冻害特征研究治理提供参考。
1 观测试验 1.1 试验场地条件以长春地区某湖泊临水内、外拱护墙结构为平位移冻害特征及冻害防治实验对象。湖泊内、外拱护墙结构环湖总长为2.4 km，墙高3.6 m，厚0.8 m，基础埋深1.8 m。墙体为浆砌毛石[3]。迎水面入水深1.3 m，护墙结构按重力式设计。冬季，墙前湖水和墙后湖岸地坪土裸露受冻。地质勘探[4-5]表明：极寒年份环湖区域平地土最大冻深1.7 m，冻深内上层土为厚0.4~0.6 m的松散中密杂填土，含水量为23.6%，为冻胀土；下层为1.1~1.3 m厚的中压缩性粉质黏土，含水量为26.2%，可塑、中密、较湿、中压缩性、分布均匀，属强冻胀性地基土。护墙结构基础埋置于未冻的中压缩性粉质黏土层内。地表下2.7 m左右有地下水，主要为埋藏在黏性土层中的孔隙水，属弱透水层，受大气降水和湖水补充。水位随季节变化。内、外拱护墙结构形式如图 1所示。
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| 1.内、外拱护墙(浆砌毛石墙体)；2.护墙内面与湖水面交接线；3.隔离层防冻害装置(对应墙段Ⅴ)；4.护墙结构平位移观测基准点测桩(编号为JDi，i=1，2，3，…，10)；5.护墙结构平位移观测点(编号为Di，i=1，2，3，…，10)。Ⅰ、Ⅱ.自然冻胀的内拱护墙结构段；Ⅲ、Ⅳ.自然冻胀的外拱护墙结构段；Ⅴ.设隔离层防冻害装置的内拱护墙结构试验段。 图 1 长春某湖泊区临水内外、拱护墙结构冻胀平位移观测布点 Fig. 1 Observation points to horizontal frost heaving displacement of the inner and outer waterfront arch parapet structures of certain lake region in Changchun |
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选取观测年1(20101110 20110531)、观测年2(20131110 20140531)、观测年3(20171110 20180531)，在3个观测年内选用钢尺量距法[6]分别量测临水内、外拱墙平位移动态。如图 1所示，在选择的内、外拱墙段迎水面的弧形墙面上设置平位移观测点Di，于平位移观测点处拱墙弧面切线法上岸边地坪选定距离，对应埋设平位移观测基准点测桩JDi。观测年土冻结前(长春地区一般为11月初)，首先用钢尺量测出各观测点与对应基准点测桩间的基期距离lj(mm)，用标准拉力量测，控制钢尺水平。然后，在观测年各气温时段的观测日，量测对应的观测点和基准点的实际距离ls(mm)，实际距离与基期距离的差值为各观测点的平位移，见式(1)。
(1) 式中：f为护墙结构平位移，mm；δ为测量时钢尺读数温度改正值，mm，δ=Tα，其中T为测量时气温，α为钢尺的线胀系数，取12×10-5，1/℃。
观测年内每15天量测1次。观测原理见图 2。量测基期距离和实际距离时，增加或扣减气温变化引起的δ[6]；再按量距允许误差(精度)[6]校核基期距离和实际距离量测值；最后，取校核合格的实际距离和对应的基期距离按式(1)求出f。若f为正值，说明护墙结构发生内向冻胀平位移；若f为负值，则为外向冻胀平位移(图 2)。
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| 1.临水内、外拱护墙结构冻胀平位移观测基准测量桩；2.钢尺；3.临水内、外拱护墙结构冻胀平位移观测点；4.量距限位尺；5.冰层；6.水层；7.地坪；8.临水内、外拱拱护墙结构钢筋混凝土基础、压顶；9.临水内、外拱护墙结构浆砌块石墙体；10.土覆盖层；11.塑料布隔离层；12.聚苯乙烯板保温层；13.炉渣保温层。σ1.冻土对护墙结构的平冻胀应力，kN/m2；σ2.冰层对护墙结构的平冻胀应力，kN/m2。 图 2 临水内、外拱护墙平位移观测原理 Fig. 2 Observation principle to horizontal displacement of waterfront inner and outer arch parapet |
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钢尺量距读数控制：钢尺标准读数气温为15 ℃，气温低于15 ℃，钢尺读数减读数温度改正值为有效距离；气温高于15 ℃，钢尺读数加读数温度改正值为有效距离。各观测年宜用同一钢尺测距，利于读数误差控制。
距离量测的允许误差校核：钢尺量距允许误差为±2 mm[6]。量测某实际距离时，在考虑钢尺读数温度改正后，取3次量测实际距离均值为有效实际距离。若量测的3个实际距离中有1个与均值之差小于-2 mm或大于2 mm，该均值无效，应重新量测该实际距离，直至各实际距离与均值之差不大于2 mm或不小于-2 mm，则均值为有效实际距离。入冬前首次量测的基期距离也按以上方法校核。用校核合格的实际距离和基期距离带入式(1)计算平位移。
1.2.3 基准点测桩维护基准点测桩为量距基准，应采取防冻维护措施保护其在观测年内位置和标高恒定[7]。防冻维护措施为：入冬前，先按长春地区最大冻土深度将基准点测桩处的土方挖掉，在坑中垂直打入基准点测桩贯入未冻土层，使其垂直稳固；然后，在基准点测桩四周分层交替铺设聚苯乙烯板、塑料布、炉渣等保温材料(图 2)，构筑保温隔冻层增加冷阻[8]，隔离周围冻土对基准点测桩的冻胀作用，确保其不因土冻胀作用失准。
1.2.4 观测实施本研究将自然冻胀的内、外拱护墙结构的冻胀平位移冻害监测与加装隔离层防冻害装置的内拱护墙结构防冻害监测同步进行。选择图 1中自然冻胀的内拱护墙结构段Ⅰ、Ⅱ和外拱护墙结构段Ⅲ、Ⅳ为冻胀平位移冻害监测试验墙段，选加装隔离层防冻害装置的内拱护墙结构段Ⅴ为平位移冻害防治试验墙段，各观测年用钢尺量距法量测Ⅰ Ⅴ墙段的平位移状态。
2 临水内拱护墙结构冻胀特征和机理分析 2.1 总体特征和机理分析1) 观测年1、观测年2、观测年3护墙结构的内向冻胀平位移曲线呈相似的“半驼峰型”[7]。各观测年气温同经历持续降温—持续低温—持续升温—正温时段，气温变化自然规律相同，仅各年气温高低有差异。同样的气温变化规律使内拱护墙结构前后冰凹拱和冻土凸拱[9]产生了相似的冻融机理(图 3)。各年内拱护墙背冻土凸拱的平冻胀应力与墙前冰凹拱平冻胀应力抵消后的净平冻胀应力(σ1-σ2=Δσ)增强和弱化效果相似[2]，作用于内拱护墙产生了相似的位移形态，即“半驼峰型”(图 4)。
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| a.观测年1；b.观测年2；c.观测年3。1—4.内拱护墙结构内向平位移曲线；5.平位移回归曲线；6.平均气温线。 图 4 研究区各观测年自然冻胀内拱护墙结构内向冻胀平位移曲线 Fig. 4 Inward horizontal frost heaving displacement curve of natural frost heaving in each observation year in the study area |
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2) 各观测年内向冻胀平位移峰值不同。各观测年不同低气温水平冻结冻土凸拱、冰凹拱生成不同的年冻胀强度，形成不同年强度水平的净平冻胀应力推动内拱护墙结构，产生了峰值不同的年内向冻胀平位移。如图 4a，观测年1寒冷期(11月下旬至翌年3月中旬)平均气温仅为-7 ℃。冻土凸拱和冰凹拱年冻胀强度弱，产生的净平冻胀应力小，推动内拱护墙出现的内向平位移较小，平位移曲线上升幅度低。观测年1比其他观测年内向冻胀平位移峰值小，位移峰值仅为53 mm。相比之下，观测年2、3寒期(12月上中旬至翌年3月中旬)平均气温分别为-15 ℃和-11 ℃，气温偏低，冻土凸拱和冰凹拱年冻胀强度高，产生较大净平冻胀应力，推动内拱护墙结构发生较大的内向冻胀平位移，位移曲线凸陡，峰值较大，分别达71和66 mm(图 4b，c)。
3) 内向冻胀平位移不同。影响因素如下：①刚度影响[10]。就内拱护墙本构而言，不同刚度具有不同的抗推力R，内拱护墙发生的变形不同，表现在发生的内向平位移大小不同。内拱护墙结构块石搭砌咬合紧密且黏接好的墙体密实坚固[6]，形成的刚度强，抗推力大，净平冻胀应力推动时发生的内向冻胀平位移小；反之，发生的内向冻胀平位移大。以内向冻胀平位移水平最高的观测年2的内拱护墙段Ⅰ、Ⅱ为例(图 4b)，内拱护墙段Ⅰ的内向冻胀平位移明显低于墙段Ⅱ。勘验表明，墙段Ⅰ净平冻胀应力推动产生的内向冻胀平位移较小，其上观测点D1、D2最大内向冻胀平位移仅分别为44 mm和57 mm；相反，墙段Ⅱ密实性差坚固性降低，刚度弱，抗推力小，内向冻胀平位移较大，其上观测点D3、D4最大内向冻胀平位移分别达71 mm和63 mm，较墙段Ⅰ大6~27 mm。此外，由于墙段本身各处刚度不同，同一内拱护墙段产生的内向冻胀平位移也有差异，上述两墙段各自的观测点内向冻胀平位移大小不同说明了这一点。可见，同观测年内向冻胀平位移不同。②朝向和地形影响。建于不同朝向和地形的内拱护墙因光照差异引起地温不同，也会导致内拱护墙段产生的内向冻胀平位移不同[7]。
2.2 阶段性特征和机理分析1) 持续降温时段：观测年气温向低温的下降期，11月中旬至12月中下旬，一般为30~40 d。各观测年平均气温在-14~ -6 ℃区间。时段末日最低气温达-26 ℃。
持续降温时段的降温作用使内拱护墙结构先发生向湖外的冷缩位移，后出现向湖内方向的内向冻胀平位移。平位移曲线以最大冷缩位移[7]出现时刻为临界点，将持续降温时段分为前期和后期，前期缓慢下降而后期上升。前期缓慢下降是内拱护结构受降温影响逐渐发生冷缩位移。前期冷缩时间占持续降温时段1/2~2/3，前期末最大冷缩位移达3 mm。后期增长的净平冻胀应力推动护墙结构出现逐渐增大的内向冻胀平位移段，位移曲线上升(图 4)。
持续降温时段初期，随气温逐渐降低，墙背冻土凸拱渐渐冻结，冻深浅，冻胀强度低，生成的平冻胀应力σ1较小；同时，墙前水面渐渐冻结成薄冰凹拱，冰晶结构弱，冻胀强度也较低，生成的平冻胀应力σ2也较小(图 3)。但相比之下，σ1要比σ2大得多。原因如下：①随土温降低，冻土中的未冻水继续冻结成冰使冻土体积膨胀，冻土凸拱平冻胀应力加剧；②冻土凸拱长期受内拱护墙环状约束，使其冻胀时作用于内拱护墙的平冻胀应力持续而有效地发挥；③内拱护墙背的冻土凸拱受来自地平面和墙立面双向冷空气侵袭冻结，为“二维冻结”，冻结厚度远比仅受上方冷空气一维冻结的冰凹拱大。数年寒期对冻土凸拱和冰凹拱钻孔取样观察，距护墙较远处土冻深达1.2 ~1.5 m，护墙处可达2.0 m左右，而冰仅为0.3 ~ 0.4 m。大冻深的冻土凸拱产生的平冻胀应力较冰凹拱大。
冰凹拱平冻胀应力较小的原因：①冰受很小压力即发生“塑性流动”[1-2, 11]，使其对墙面压应力减小，该作用持续发生降低了冰凹拱平冻胀应力的稳定性和强度；②冰凹拱环向约束弱，在一定时间产生应力松弛引起平冻胀应力降低；③内拱护墙石砌体凸拱面挤压冰凹拱，机械“劈冰”使冰凹拱受剪，冰凹拱因抗剪强度较石砌体低被剪切破坏，平冻胀应力被削弱；④冰凹拱的冻结厚度比冻土凸拱薄，对内拱护墙产生的总平冻胀力较冻土凸拱小。寒期上述削弱作用使冰凹拱平冻胀应力小于冻土凸拱平冻胀应力，持续降温时段前期亦如此。冰凹拱和冻土凸拱平冻胀应力抵消剩余的净平冻胀应力Δσ，推动内拱护墙结构发生内向冻胀平位移冻害。
持续降温时段前期Δσ < R，护墙结构无内向冻胀平位移发生；随降温时间延长，冻土凸拱冻深和冻胀强度继续增大，Δσ增大；达到最大冻缩位移时，Δσ=R，内拱护墙结构达到平冻胀临界状态；至持续降温时段后期，Δσ＞R，护墙结构发生内向冻胀平位移。
2) 持续低温时段：观测年最寒冷期，气温低(负)温波动，一般从12月中下旬至翌年2月上旬或中旬，约60 d，时段末气温在负温下略有回升。各年该时段平均气温为-16~-9 ℃，最低气温在12月下旬至翌年1月中旬，日最低气温达-28 ℃左右。持续低温使冻土凸拱充分冻结加深，冰凹拱也冻结增厚。
由图 4可知，各观测年持续低温时段内拱护墙结构内向冻胀平位移曲线陡峭攀升，发展迅速，位移平均增长速率为0.54 mm/d，最大速率达0.68 mm/d。除上述内向冻胀平位移增大的成因外，位移增大尚有如下原因：①持续低温时段进入严冬，气候寒冷，持续低气温为土冻结提供高强度和稳定冷源。冷空气持续向土层深部传导，表层冻土残余未冻水充分冻结，再冻胀形成冻胀强度更高的固体冻土[1-2]，随地温向深部持续降低，冻胀强度增大，冻土凸拱作用于内拱护墙背的平冻胀应力持续增大，平位移速度加快。②地下水持续迁移冻结[2, 11-12]，冻土凸拱冻深加大，导致内拱护墙作用面积增大，平冻胀应力加大 [4]。上述加强作用使持续低温时段净平冻胀应力保持Δσ＞R的增长水平，推动内拱护墙结构发生较快的内向冻胀平位移。
持续低温时段末气温在负温下回升，冷源变弱，土向深部冻结缓慢，接近最大冻结深度[1-2]，内向冻胀平位移不再发展。此时的位移为观测年最大内向冻胀平位移(图 4)，各观测年的位移均值达46.8 mm，出现在2月中下旬。可见，持续低温时段冻土凸拱持续增大的净平冻胀应力推动内拱护墙结构产生了快速增长的内向冻胀平位移。
3) 持续升温时段：气温向正温的升高期，2月中旬至3月中下旬，一般为30~40 d，平均气温在-4~8 ℃区间波动上升。持续升温时段末期，日高温达12 ℃左右，为冻土融化提供热源。
持续升温时段内拱护墙结构内向冻胀平位移曲线缓落[13-15]，内向冻胀平位移缓慢减小，减小速率较内向冻胀平位移增长速率慢。如各观测年内向冻胀平位移平均减小速率在0.23~0.40 mm/d之间，比内向冻胀平位移速率小40%~43%。持续升温时段随气温逐渐升高，冻土凸拱从表面向深部吸热解冻，同时“热床作用”[1-2]使冻土从深部融土层向上解冻，为“双向解冻”，平冻胀应力逐渐减小；高气温和太阳热辐射作用下，冰凹拱表面吸热向下解冻，同时太阳的热辐射透过冰层使冰层下水吸热温度升高，冰凹拱自下向上解冻，也发生“双向解冻”。随冻土凸拱和冰凹拱逐渐解冻，净平冻胀应力减小，内拱护墙结构逐渐卸载缓慢弹性回缩，内向冻胀平位移缓慢减小，冻胀平位移曲线回落。
内向冻胀平位移减小的其他因素：①冷缩。夜间冻土凸拱降温冷缩，对内拱护墙的挤压减弱，内拱护墙结构产生瞬时弹性回缩，冻胀平位移减小。昼夜温差变化使冻土凸拱热胀冷缩而产生纵横裂隙，其整体性被削弱，对内拱护墙的净平冻胀应力减弱，利于内拱护墙结构弹性回缩。②光照。光照地表温度升高，冻土凸拱表层冻土融化平冻胀应力消失，作用于内拱护墙结构的净平冻胀应力减小，内拱护墙弹性回缩位移减小。③气候。冬春季刮风多、干燥，冻土凸拱表层失水干缩，出现干缩裂缝削弱表层冻土净平冻胀应力，也利于内拱护墙弹性回缩位移减小。持续升温时段以上因素耦合作用使内拱护墙结构内向冻胀平位移缓慢减小。
4) 正温时段：气温0 ℃以上持续升高期，为3月中下旬至5月末，一般为30~60 d。正温时段平均气温在5 ~ 18 ℃之间，个别日最高气温达27 ℃。
正温时段持续高温，冻土凸拱、冰凹拱全融化，平冻胀应力消失(σ1=0, σ2=0)，墙前后仅承受水和融土压应力。此时段中后期内拱护墙结构弹性回缩趋于终止，内向平位移曲线趋于平态延伸，出现残余内向冻胀位移。各年墙段Ⅰ、Ⅱ残余内向冻胀平位移均值达26.3 mm，易发生倾斜、裂缝冻害。
综上分析：各观测年持续降温—持续低温—持续升温—正温时段，内拱护墙结构对应发生冻胀平位移减小—增长—减小—稳定残余的位移运动，为净平冻胀应力生成—增长—减弱—消失作用引发。位移运动经历年重复发生引起内拱护墙结构产生倾斜、裂缝冻害。
3 临水外拱护墙结构冻胀特征选取观测年1、观测年2、观测年3外拱护墙结构段Ⅲ、Ⅳ的外向冻胀平位移数据，构建与观测年气温的关系曲线(图 5)。对外向冻胀平位移与气温相关分析发现总体形态有如下特征。
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| a.观测年1；b.观测年2；c.观测年3。1—4.临水外拱护墙结构外向冻胀平位移曲线；5.外向冻胀平位移回归曲线；6.平均气温线。 图 5 研究区各观测年自然冻胀外拱护墙结构外向冻胀平位移曲线 Fig. 5 Outward horizontal frost heaving displacement curve of natural frost heaving in each observation year in the study area |
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1) 各观测年外拱护墙结构的外向冻胀平位移曲线呈“波浪型”。持续降温时段外拱护墙结构外向冻胀平位移曲线先短期下行，时段后期开始直到持续升温时段的负温期(11月下旬或12月中旬至翌年2月中下旬或3月上旬)呈小幅“波浪型”运行，至正温初略升转而平直伸展。除持续降温时段前期出现与内拱护墙结构相似的冻缩位移，其后长期位移大小和方向和变化形态均与内拱护墙不同，发生了外向冻胀平位移，与内拱护墙结构方向相反。冻胀平位移曲线出现与内拱护墙“驼峰型”迥异的“波浪型”，位移幅度骤减，各观测年外向冻胀平位移比内拱护墙结构内向冻胀平冻位移减小59%~65%。
外拱护墙结构无内向冻胀平位移得益于其拱结构[12-14]且居于有利受力状态。外拱护墙结构外凸拱面受冻土凹拱平冻胀应力σ1′挤压时(图 6)，具有很强抗推刚度和抗推力R′，长期抗变形能力强，因而不产生内向冻胀平位移。
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| 1.冰凸拱；2.冻土凹拱。σ1′.冻土凹拱的平冻胀应力，kN/m2；σ2′.冰凸拱的平冻胀应力，kN/m2；R′.外拱护墙结构抗推力，kN/m2。 图 6 临水外拱护墙结构冻胀机理 Fig. 6 Frost damage mechanism of the waterfront outer arch parapet structure |
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外拱护墙结构产生的外向冻胀位移是冰凸拱、外拱护墙结构、冻土凹拱三者冻胀作用的结果。冰凸拱的平冻胀应力σ2′推动外拱护墙，护墙高硬度外凸石墙体挤压冻土凹拱使其收缩[1-2, 11]，外拱护墙顺势发生外向冻胀平位移。平位移曲线波谷为较大的外向冻胀平位移；当冰凸拱和外拱护墙挤压相持时，受外拱护墙高硬度石砌体挤压，冰凸拱产生塑性流动[1-2, 11]，平冻胀应力减小，外拱护墙结构又产生少量弹性回缩，外向冻胀平位移减小，位移曲线波峰为减小后的外向冻胀平位移。同时，被压缩的冻土凹拱继续冻胀产生的平冻胀应力也助推外拱护墙回缩。持续降温时段后期直至持续升温时段的负温期，以上冻胀作用反复发生，引起外向冻胀平位移的增大和减小波动出现，外向冻胀平位移曲线呈“波浪型”。
外拱护墙挤压使冻土凹拱产生的塑性收缩有限[1-2, 11]，外向冻胀平位移受限；同时冰塑性流动使冰凸拱平冻胀应力减小至再冻胀增大又出现塑性流动的过程呈往复性，表现出冰凸拱的平冻胀应力不够稳定且强度不高，不足以推动外拱护墙形成较大的外向冻胀平位移；此外，外拱护墙外凸拱面受力具有很强的抗内向变形能力又限制了外向冻胀平位移的减小。受这些因素制约，外向冻胀平位移只能在冻土凹拱可压缩范围内小幅变化，幅度和极差不大，外向冻胀平位移曲线呈小幅“波浪型”平位运行。图 5可见，各观测年最大外向冻胀平位移(幅度)在15~ 20 mm之间，在6 ~20 mm范围内波动。
各观测年持续升温时段后期和正温期(3月上旬至5月末)，外拱护墙的外向冻胀平位移曲线趋近平位延伸。随气温升高，冻土凹拱和冰凸拱逐渐解冻至全融化，平冻胀应力减小至消失(σ1′=0，σ2′=0)。墙前后压力减小，外拱护墙靠部分弹性回缩，冻胀平位移减小趋于定值，形成残余外向冻胀位移。各年的残余外向冻胀平位移均值为9.2 mm。查验各外拱护墙段实体，无倾斜、裂缝等冻害发生。
2) 各观测年外拱护墙外向冻胀平位移谷值不同。如图 5a，观测年1气温偏高，寒冷期平均气温仅为-7 ℃，冰凸拱的冻结速率慢，冻层薄，冻胀强度弱，产生年水平较小的平冻胀应力作用于外拱护墙，使其发生的外向平位移总体较小，平位移曲线下凹幅度最小，最大谷值仅为15 mm，比其余年份外向冻胀平位移谷值小得多。相比之下，观测年2、3寒冷期平均气温分别为-15 ℃和-11 ℃，气温偏低，冰凸拱冻胀强度较大，形成年水平较大的平冻胀应力，推动外拱护墙结构产生较大谷值的外向冻胀平位移，平位移曲线下凹幅度较大，最大谷值分别达20 mm和18 mm(图 5b，c)。
3) 同观测年外拱护墙外向冻胀平位移不同。其原因是：①刚度影响[10]。与内拱护墙结构一样，不同外拱护墙结构段刚度不同和同一墙段刚度不均匀，同观测年外向冻胀平位移也不同。观测年2(图 5b)外拱护墙段Ⅳ的外向冻胀平位移总体比墙段Ⅲ小7~11 mm。这是由于墙段Ⅳ块石搭砌咬合紧密程度和黏结效果优于墙段Ⅲ(据施工质量验收规范[3]规定)，因此其比墙段Ⅲ更加坚固，形成的刚度比墙段Ⅲ更大；故而产生的外向冻胀平位移较小。另外，观测年2(图 5b)外拱护墙结构段Ⅲ的两观测点D5、D6虽处同一墙段，但外向冻胀平位移也不相同，最大外向冻胀平位移分别是20 mm和18 mm。这也是因为D6部位墙体比D5部位更密实坚固[3]，形成的刚度大，产生的外向冻胀平位移较小；而D5部位墙体刚度相对小，产生外向冻胀平位移相对大一些。可见，不同墙段刚度不同和同墙段各部位刚度不均匀，发生的外向冻胀平位移不同。其余观测年也呈以上特征(图 5a、c)。②朝向和地形影响。如，外拱护墙段Ⅲ地势平坦，日照好，地温偏高，冻土凹拱冻胀强度相对低，对外拱护墙段Ⅲ约束减弱，冰凸拱推动发生的外向冻胀平位移稍大；相反，外拱护墙段Ⅳ地势低洼，四周树木遮蔽，日照差，地温低，冻土凹拱冻胀强度相对高，对外拱护墙段Ⅳ约束增强，发生的外向冻胀平位移较小。
观测试验发现：各观测年自然冻胀的外拱护墙结构段Ⅲ、Ⅳ残余外向冻胀平位移均值仅为9.2 mm，比内拱护墙结构减小65%。墙段Ⅲ、Ⅳ无裂缝、倾斜冻害，墙体完好。外拱护墙外凸拱面刚度强抗推力大，具有长期抵御冻土凹挤压的能力，遏制了内向冻胀平位移发生。
4 临水内拱护墙结构冻胀平位移冻害防治 4.1 方案设计和实施冻土凸拱的净平冻胀应力推动内拱护墙结构发生内向冻胀平位移冻害。结合勘察总结和文献[1-2, 3, 11-12]对此类结构冻害程度的评估，以内向冻胀平位移均值大小划分：均值在15 mm内，内拱护墙无冻害；均值为16 ~20 mm，出现局部倾斜和微裂缝轻微冻害；均值为21 ~30 mm，出现多区域倾斜、裂缝宽度加大，冻害较重；均值超过30 mm，倾斜、裂缝严重，局部坍塌，冻害严重，功能丧失。本工程自然冻胀内拱护墙段残余内向冻胀平位移均值达26.3 mm，出现裂缝、倾斜冻害。预先采取冻害治理措施的关键是切断冻土凸拱与内拱护墙接触，使内拱护墙免受冻土凸拱净平冻胀应力作用。笔者设计了弹性隔离层防内向冻胀平位移冻害装置安装于内拱护墙段Ⅴ，隔断冻土凸拱和护墙的接触，监测防冻害效果。安装方式如图 7所示。
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| 1.地面方砖；2.钢筋混凝土盖板；3.盖板钢筋混凝土支托；4.盖板找平层；5. SBS卷材封闭层；6.聚苯乙烯板保温层；7.隔离层；8.隔离层内中、粗砂；9.隔离层内橡胶颗粒；10. TP9000多路温度数据记录仪。σ3.冻土凸拱对隔离层的平冻胀应力，kN/m2；σ3′.融土对隔离层的主动土压应力，kN/m2。其他图例同图 2。 图 7 内拱护墙“隔离层”防内向冻胀平位移冻害装置安装方式剖面图 Fig. 7 Installation methods to anti-freezing device with "isolation layer" against inward horizontal frost heaving displacement of inner arch parapet |
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隔离层埋深按大于内拱护墙处最大冻深设计。实测内拱护墙处冻深达2.0 m左右，并兼顾构造要求，隔离层埋深实际选定2.6 m。除去其他构造层厚，隔离层有效埋深为2.3 m，厚度为0.5 m[4]。隔离层材料选中粗砂掺橡胶颗粒形成弹性隔离体。中粗砂与橡胶颗粒体积比为7:3。其中，控制中粗砂级配连续。橡胶颗粒(顺-1，4-聚异戊二烯天然橡胶)粒径5~8 mm。隔离层界面用SBS高分子改性沥青防水卷材封闭提高防水能力，保持干燥，长期发挥弹性效能；护墙背地坪加铺150 mm厚聚苯乙烯板保温隔热层增加冷阻[7-8]，维护地坪下冻土温度不至过低以降低冻土凸拱的冻胀性，减小平冻胀应力；苯板保温层上加设钢筋混凝土盖板和支托，构建牢固的支架结构增强墙背区域空间稳定性，防止地坪土融化沉陷。另外，钢筋混凝土盖板也是隔离层和苯板保温层的保护层。
4.1.2 隔离层防冻害设计原理隔离层隔开冻土凸拱和内拱护墙结构并在其间做“弹簧运动”。冻土凸拱为隔离层(弹簧)的一侧支撑面，护墙为另一侧支撑面，受冻土凸拱冻胀产生的平冻胀应力σ3挤压，隔离层被弹性压缩体积减小，冻土凸拱获得自由冻胀空间而大量释放平冻胀应力。释放后剩余较小的平冻胀应力通过隔离层弹性传递至内拱护墙，产生的内向冻胀平位移会大幅减小，甚至不出现冻胀平位移。隔离层发挥弹簧压缩效应释放平冻胀应力；春、夏、秋季融土主动土压应力σ3′锐减(σ3′为σ3的1/30~1/40 [1-2])，隔离层约束减弱，做弹簧回弹运动恢复原状，与融土凸拱挤密。隔离层在各寒暑期反复做弹簧运动，消减冻土凸拱的平冻胀应力，减小内向冻胀平位移以遏制冻害。
实施方案中，在安装隔离层装置的内拱护墙结构段Ⅴ布设内向冻胀平位移观测点D9、D10，对应在岸边埋设基准点测桩JD9、JD10(图 1)。用钢尺量距法监测加设隔离层装置的内拱护墙段Ⅴ平位移动态，检验隔离层装置防冻害效果。
4.2 隔离层装置防冻害效果评估构建3个观测年加装隔离层防冻害装置的内拱护墙结构试验墙段Ⅴ的平位移和对应观测年气温的关系曲线(图 8)。
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| a.观测年1；b.观测年2；c.观测年3。1—2.试验内拱护墙段Ⅴ观测点内向冻胀平位移曲线；3.平均内向冻胀平位移线；4.平均气温线。 图 8 研究区各观测年隔离层防内向冻胀平位移冻害试验护墙结构段Ⅴ冻胀平位移曲线 Fig. 8 Horizontal frost heaving displacement curve to experimental inner arch structure V with isolation layer against inward horizontal frost heaving displacement in each observation year in the study area |
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图 8显示：随各观测年气温剧烈波动，试验墙段Ⅴ内向冻胀平位移曲线呈小幅平位波动；除持续降温时段出现较小冻缩位移，其余时段发生的内向冻胀平位移都很小，各观测年残余内向冻胀平位移均值仅为4.4 mm。Ⅴ段均值比已发生冻害的自然冻胀的内拱护墙结构段Ⅰ、Ⅱ(各观测年残余内向冻胀平位移均值为27.6 mm)的残余内向冻胀平位移减小了83.92%，比未发生冻害的自然冻胀的外拱护墙结构段Ⅲ、Ⅳ(各观测年残余外向冻胀平位移均值为9.2 mm)残余外向冻胀平位移减小了51.74%。对比表明，加设隔离层装置后，内向冻胀平位移大幅减小。勘察内拱护墙结构试验段Ⅴ实体结构完好[3]，未发生开裂、倾斜或坍塌冻害破坏。验证了隔离层装置发挥出弹性吸收冻土凸拱冻胀变形，释放冻土凸拱平冻胀应力的功效，对遏制内拱护墙内向冻胀平位移冻害有实效。
各观测年局部剥露隔离层检验发现：冻土凸拱达到最大冻胀量时期(每年的2月中下旬)，隔离层的弹性收缩率为10.1%。冻土凸拱化为融土凸拱(4月中下旬)后隔离层自动弹性恢复原状，层内材料均质性无变化，橡胶颗粒无破损、无弹性损失，弹性收缩和恢复能力正常。隔离层装置系统结构稳定、无沉陷，可按设计使用年限长期服役。
此外，3个观测年寒期对苯板保温维护的冻土凸拱和无维护自然冻胀的冻土凸拱地温对比监测显示，苯板下冻土凸拱1.5 m深范围内地温均值依次分别为-0.1、-0.4、-0.2 ℃；而同深度无维护自然冻胀的冻土凸拱地温均值却依次为-0.6、-1.0、-0.8 ℃。显然，苯板下冻土凸拱土温略高。加设苯板保温层对降低土冻胀强度减轻平位移冻害是有益的。
加装隔离层防冻害装置的试验内拱护墙段Ⅴ仍有较小内向冻胀平位移的原因：①虽隔离层弹性吸收了大部分冻土凸拱的冻胀变形，使得平冻胀应力得到大量释放，但仍有释放剩余的平冻胀应力通过隔离层弹性传递至内拱护墙结构。剩余平冻胀应力虽不大但足以推动内拱护墙发生较小的内向平位移。②热胀冷缩。气温波动引起内拱护墙结构热胀冷缩运动也出现内向和外向位移，热胀冷缩位移也随气温变化波动。可推断，变化的剩余平冻胀应力和内拱护墙自身热胀冷缩是产生小内向冻胀平位移的原因。
季冻土区内拱护墙常规设计年限为8 a，应用隔离层防冻害装置后，内拱护墙结构使用年限预期可延长至16 a，节省一次拆建费用。笔者就本护墙工程规模测算，一次拆建损失费用达1 344万元，抵扣隔离层装置一次性建设费用384万元，预期节省冻害损失费960万元。此外，加装隔离层后内拱护墙结构使用期限延长，拆建次数减少，避免了拆建造成的坏境污染。
4 结论1) 内拱护墙结构内向冻胀平位移曲线呈“半驼峰型”。各观测年内向冻胀平位移峰值不同，同年大小不等。对应持续降温—持续低温—持续升温—正温时段，内向冻胀平位移呈减小—增大—减小—稳定残余的运动，是平冻胀应力生成—增长—减弱—消失作用形成。内向冻胀平位移过大内拱护墙发生冻害。
2) 外拱护墙结构外向冻胀平位移曲线呈“波浪型”，各观测年外向冻胀平位移谷值不同，同年大小不同。外拱护墙位移较小无冻害，本构具防冻害功能。
3) 隔离层装置消减内拱护墙结构内向冻胀平位移有实效，使用后墙体无冻害。
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