劉修圣,毛文友,朱明陽

(1.黑龍江省引嫩工程管理處,黑龍江安達(dá) 151400;2.泰來農(nóng)場水務(wù)局,黑龍江泰來 162414)

降低或消除切向凍脹力的措施很多,諸如:基側(cè)保溫法、基側(cè)換土法、改良水土條件法、人工鹽漬化法、使土顆粒聚集或分散法、憎水處理法以及基礎(chǔ)錨固法等等。這些方法中有的不太經(jīng)濟(jì),有的不能耐久,有的施工不便,還有的會(huì)遺留副作用。尋求效果顯著、施工簡便、造價(jià)低廉的防切向凍脹力的措施仍是必要的。

1 概 述

關(guān)于其截面為上小下大斜面基礎(chǔ)防切向凍用力的問題早有簡單報(bào)導(dǎo),但都認(rèn)為它是錨固基礎(chǔ)的一種,即用下部基礎(chǔ)斷面中的擴(kuò)大部分來阻止切向凍脹力將基礎(chǔ)抬起,類似于帶擴(kuò)大板的自錨式基礎(chǔ)。國際凍土力學(xué)著名學(xué)者俄羅斯的B.O.奧爾洛夫教授等人認(rèn)為基礎(chǔ)斜邊的傾角β僅有 2°～3°即可解決問題。這種作用對(duì)將基礎(chǔ)設(shè)在凍層之內(nèi)的淺基礎(chǔ)毫無意義,因它沒有伸入凍層之下起錨固作用的部分。再者,沒有配置受拉鋼筋的一般基礎(chǔ),也無法承受由切向凍脹力作用所產(chǎn)生的上拔力。

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》G B 50007-2002編制組在各種不同凍脹率、包括 15%左右的特強(qiáng)凍凍脹土的場地上進(jìn)行了多種傾斜角多年度的觀測試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果上看土與基礎(chǔ)作用的相互關(guān)系中,所表現(xiàn)出的并不像上述提及“對(duì)切向凍脹力阻止的自錨作用”?；A(chǔ)穩(wěn)定的原因不是由于切向凍脹力被下部擴(kuò)大部分給錨住;而是由于在傾斜表面上出現(xiàn)拉力分量與冷縮分量疊加之后的開裂,切向凍脹力退出工作所造成。

2 理論分析

現(xiàn)分析斜面的受力情況。取一單位長度截面為正梯正形的鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)埋置在凍脹性土的地基中,斜面基礎(chǔ)的底角為 α,將凍層內(nèi)的地基土分成 n層,每層的高度為Δh,并認(rèn)為凍脹只在溫度為零度的凍結(jié)界面一次完成,當(dāng)溫度繼續(xù)降低不再膨脹反而出現(xiàn)冷縮。

在冬初當(dāng)?shù)谝粚油羶鼋Y(jié)時(shí),土產(chǎn)生凍脹,并同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)方向膨脹:沿水平方向膨脹基礎(chǔ)受一水平作用力 H1;垂直向上膨脹基礎(chǔ)受一作用力V1。V1可分解成兩個(gè)分力,即沿基礎(chǔ)斜邊 τ12和沿基礎(chǔ)斜邊法線方向的 N12,τ12即是由于土有向上膨脹趨勢對(duì)基礎(chǔ)施加的切向凍脹力,V12是由于土有向上膨脹的趨勢基礎(chǔ)斜邊法線方向作用的拉應(yīng)力。水平凍脹力 H1也可分解成兩個(gè)分力,其一是τ11,其一是N11,τ11是由于水平凍脹力的作用施加在基礎(chǔ)斜邊上的切向凍脹力,N11則是由于水平凍脹力作用施加在基礎(chǔ)斜邊上的正壓力(見圖 1受力分布圖)。此時(shí),第一層土作用于基側(cè)的切向凍脹力為τ1=τ11+τ12。正應(yīng)力N1=N11+N12。由于N12為正拉力,它的存在將降低基側(cè)受到的正壓力數(shù)值。當(dāng)凍結(jié)界面發(fā)展到第二層土?xí)r,除第一層的原受力不變之外又疊加了第二層土凍脹時(shí)對(duì)第一層的作用。由于第二層土凍脹時(shí)受到第一層的約束,使第一層土對(duì)基側(cè)的切向凍脹力增加至 τ1=τ11+τ12+τ22,而且凍結(jié)第二層土?xí)r第一層土所處位置的土溫又有所降低,土在產(chǎn)生水平凍脹后出現(xiàn)冷縮,令凍土層的冷縮拉力為Nc,此時(shí)正壓力為N1=N11-N12-Nc。當(dāng)凍層發(fā)展到第三層土?xí)r,第一、二層重又出現(xiàn)一次上述現(xiàn)象。

圖1 斜面基礎(chǔ)基側(cè)受力分布圖

由以上分析可以看出,某層的切向凍脹力隨凍深的發(fā)展而逐步增加,而該層位置基礎(chǔ)斜面上受到的凍脹壓應(yīng)力隨凍深的發(fā)展數(shù)值逐漸變小,當(dāng)凍深發(fā)展到第n層,第一層的切向凍脹力超過基側(cè)與土的凍結(jié)強(qiáng)度時(shí),基礎(chǔ)便與凍土產(chǎn)生相對(duì)位移,切向凍脹力不再增加而下滑,出現(xiàn)卸載現(xiàn)象。N1由一開始凍結(jié)產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力,當(dāng)達(dá)到一定程度,隨著凍深向下發(fā)展、土溫下降、下層土的凍脹等作用,拉力分量在不斷地增長,當(dāng)達(dá)到一定程度,N1由壓力變成拉力。所以當(dāng)達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限時(shí),基側(cè)與土將開裂,由于凍土的受拉呈脆性破壞,一旦開裂很快沿基側(cè)向下延伸擴(kuò)展,這一開裂,使基礎(chǔ)與基側(cè)土之間產(chǎn)生空隙,切向凍脹力也就不復(fù)存在了。

應(yīng)該說明的是在凍脹土層范圍之內(nèi)的基礎(chǔ)擴(kuò)大部分根本起不到錨固作用,因在上層凍脹時(shí)基礎(chǔ)下部所出現(xiàn)的錨固力,等凍深發(fā)展到該層時(shí),隨著該層的凍脹而消失了,只有處在下部未凍土中基礎(chǔ)的擴(kuò)大部分才起錨固作用,但我們所說的淺埋基礎(chǔ)根本不存在這一伸入未凍土層中的部分。

3 試驗(yàn)觀測

在閆家崗凍土站不同凍脹性土的場地上進(jìn)行了多組方錐形(截頭錐)樁基礎(chǔ)的多年觀測。觀測結(jié)果表明,當(dāng) β角大于等于9°時(shí),基礎(chǔ)即是穩(wěn)定的,見圖 2?；A(chǔ)穩(wěn)定的原因不是由于切向凍脹力被下部擴(kuò)大部分給錨住;而是由于在傾斜表面上出現(xiàn)拉力分量與冷縮分量疊加之后的開裂,切向凍脹力退出工作所造成,見圖 3的試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 斜面基礎(chǔ)的抗凍拔試驗(yàn)

圖3 斜面基礎(chǔ)的防凍脹試驗(yàn)

4 斜面基礎(chǔ)防切向凍脹的特點(diǎn)

1)在凍脹作用下基礎(chǔ)受力明確,技術(shù)可靠。當(dāng)其傾斜角β大于等于 9°時(shí),將不會(huì)出現(xiàn)因切向凍脹力作用而導(dǎo)致的凍害事故發(fā)生。

2)不但可以在地下水位之上,也可在地下水位之下應(yīng)用。

3)耐久性好,在反復(fù)凍融作用下防凍效果不變。

4)不用任何防凍脹材料就可解決切向凍脹問題。

該種基礎(chǔ)施工時(shí)較常規(guī)基礎(chǔ)相比稍有麻煩,當(dāng)基礎(chǔ)側(cè)面較粗糙時(shí),可用水泥砂漿將基礎(chǔ)側(cè)面抹平。

5 斜面基礎(chǔ)最小埋深計(jì)算與一般樁、墩基礎(chǔ)穩(wěn)定計(jì)算的比較

1)季節(jié)性凍土地基的設(shè)計(jì)凍深 zd應(yīng)按下式計(jì)算:

式中:zd為設(shè)計(jì)凍深。若當(dāng)?shù)赜卸嗄陮?shí)測資料時(shí),也可:zd=h1-△z,h1和△z分別為實(shí)測凍土層厚度和地表凍脹量;z0為標(biāo)準(zhǔn)凍深。系采用在地表平坦、裸露、城市之外的空曠場地中不少于10 a實(shí)測最大凍深的平均值。當(dāng)無實(shí)測資料時(shí),按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄 F采用;ψzs為土的類別對(duì)凍深的影響系數(shù),按表 5;ψzw為土的凍脹性對(duì)凍深的影響系數(shù),按表2;ψze為環(huán)境對(duì)凍深的影響系數(shù),見表3。

表1 土的類別對(duì)凍深的影響系數(shù)

表2 土的凍脹性對(duì)凍深的影響系數(shù)

表3 環(huán)境對(duì)凍深的影響系數(shù)

2)切向凍脹力作用下,樁、墩基礎(chǔ)穩(wěn)定應(yīng)按下式計(jì)算:

式中:τdi為第i層土中單位切向凍脹力的設(shè)計(jì)值(k P a),應(yīng)按實(shí)測資料取用。如缺少試驗(yàn)資料時(shí)可按《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》表C.1.1的規(guī)定取用,在同一凍脹類別內(nèi)含水量高者取大值;AτI為與第 i層土凍結(jié)在一起的樁側(cè)表面積,m2;Gk為作用于基礎(chǔ)上永久荷載的標(biāo)準(zhǔn)值(k N),包括基礎(chǔ)自重的部分(砌體、素混凝土基礎(chǔ))或全部(配抗拉鋼筋的樁基礎(chǔ)),基礎(chǔ)在地下水中時(shí)取浮重度;n為設(shè)計(jì)凍深內(nèi)的土層數(shù);Ra為樁和墩基礎(chǔ)伸入凍脹土層之下地基土所產(chǎn)生錨固力的設(shè)計(jì)值(對(duì)素混凝土和砌體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不考慮該力),k N。

3)斜面基礎(chǔ)底面之下允許有一定厚度的凍土層,可用下式計(jì)算基礎(chǔ)的最小埋深:

式中:hmax為基礎(chǔ)底面下允許殘留凍土層的最大厚度,按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》G B 50007-2002附錄G.0.2查取。

當(dāng)有充分依據(jù)時(shí),基底下允許殘留凍土層厚度也可根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定。

6 結(jié) 論

一般樁、墩基礎(chǔ)以作用于基礎(chǔ)上永久荷載、樁和墩基礎(chǔ)伸入凍脹土層之下地基土所產(chǎn)生錨固力來抵抗切向凍脹力作用;承受由切向凍脹力作用所產(chǎn)生上拔力的基礎(chǔ)必須按計(jì)算配置受拉鋼筋,并滿足構(gòu)造要求。

斜面基礎(chǔ)穩(wěn)定的原因不是由于切向凍脹力被下部擴(kuò)大部分給錨住;而是由于在傾斜表面上出現(xiàn)拉力分量與冷縮分量疊加之后的開裂,切向凍脹力退出工作所造成。斜面基礎(chǔ)底面之下允許有一定厚度的凍土層,可以采用素混凝土和砌體結(jié)構(gòu)等圬工基礎(chǔ)。對(duì)凍土層位于地下水位以下,作用于基礎(chǔ)上永久荷載小,例如小河流或渠道上的小型橋梁的重力式橋墩,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益;且施工簡便,可以就地取材。

[1] 中華人民共和國城鄉(xiāng)建設(shè)環(huán)境保護(hù)部.G B 50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.