【正文】 模量與很多因素有關(guān)，當(dāng)其他條件一定時，土的負(fù)溫度就成了主要的影響因素，溫度越低，彈性模量越大。在凍結(jié)深度發(fā)展到某凍結(jié)面處時，在對稱軸點 G 上(以后所研究各點的應(yīng)力都是對稱軸上的，不再注明) ，當(dāng)該凍結(jié)界面上土的凍脹應(yīng)力 m ，小于 a 點上雙層地基的壓應(yīng)力 n 時，則地基土受荷m/n屬雙層地基的狀況，（nm）/n仍屬尚未改變的單層的狀況，當(dāng)凍脹應(yīng)力 m 等于雙層地基的壓力 n 時，地基就變成完全雙層的應(yīng)力狀態(tài)。上下層的彈性特征參數(shù)分別為 E1 (凍土的彈性模量) ，μ1 (凍土的側(cè)膨脹系數(shù))和 Ez (未凍的變形模量)、內(nèi)(未凍土的側(cè)膨脹系數(shù))。通過雙層彈性空間半元限體問題計算，求得地基土在凍結(jié)過程中所發(fā)生力的一系列變化及其內(nèi)力分布。影響土凍脹應(yīng)力大小的因素很多，如土壤種類、顆粒成分及其礦物質(zhì)的質(zhì)、干容重及滲透系數(shù)的大小、含水量及地下水、土中溫度及溫度梯度等。 11 為在壓力 ρ 時的凍脹率。(3) E. Penner 法 采用 . Linell 和 C. 的算式，利用基礎(chǔ)側(cè)面凍脹變形曲線來計算凍結(jié)鋒面處的垂直凍脹應(yīng)力數(shù)值:式中，守。p 為產(chǎn)生下沉的壓力，即法向凍脹力。3. 法向濤、脹力的計算方法在計算方法中，這里僅介紹如下幾種:(1) . KHCeJIeB 法提出基底接觸凍脹力為 Nf = ()式中， σ 為假定的凍結(jié)界面上的凍脹應(yīng)力，并等于常數(shù)，即 σ=。四個場地的凍脹率分別為平 % 、和= % 、 7}3 = % 及加 =% 。 為了實地測定凍脹力，我國有許多科學(xué)研究與生產(chǎn)部門在北方各地建立了眾多的大型試驗觀測場。為工程實用目的，進(jìn)行現(xiàn)場試驗測定，將提供更宏觀、綜合當(dāng)?shù)馗饕蛩氐膬雒浟崪y值，但必須強調(diào)，其試驗條件應(yīng)該與實際工程結(jié)構(gòu)的運營狀態(tài)相一致。C/3 隊在Pa ，一 39。C時的最大凍脹力 σu與冷卻面溫度 T 成線性關(guān)系，即 :σu= [ 參見圖 及式 ()] ，并且認(rèn)為 σu 與土質(zhì)無關(guān)。若按毛細(xì)吸水原動力理論，最大凍脹力為式 () :σu=2σiw/r 川式中 σ陽為冰與水之間的表面張riw冰與水接觸面的平均曲率半徑。 對于土工支檔結(jié)構(gòu)，如擋土墻以及采暖建筑周邊基礎(chǔ)，特別是條形基礎(chǔ)，都要受到水平法向凍脹力的作用。1. 切向凍脹力 所示，當(dāng)基礎(chǔ)埋于凍結(jié)層中時，沿著土凍脹方向作用于基礎(chǔ)側(cè)面的凍脹力，稱為切向凍脹力丑。此處不考慮由于剛性基礎(chǔ)引起的不均勻應(yīng)力分布，近似假定基礎(chǔ)是柔性、應(yīng)力分布是均勻的。一凍脹力的宏觀分類當(dāng)土層表面受到建筑結(jié)構(gòu)荷載的限制，甚至不允許土凍結(jié)時出現(xiàn)凍脹時，則建筑物基礎(chǔ)的底面與側(cè)面將受到凍脹力的作用，原土表層的自由凍脹量被約束得愈多，則土凍結(jié)時對建筑物作用的凍脹力就愈大。與此同時，未凍區(qū)中水分不斷向凍結(jié)前緣遷移，并通過凍結(jié)緣區(qū)域向冰透鏡體聚集，即所謂熱力誘導(dǎo)復(fù)冰現(xiàn)象，從而出現(xiàn)凍脹變形。第九章士凍結(jié)過程的力學(xué)特性如前所述，土凍結(jié)時，由于土溫降到土壤水的冰點以下，孔隙水將原位凍結(jié)，相應(yīng)體積膨脹。因此，發(fā)生凍脹現(xiàn)象，必須推開土顆粒間的間隙，孔隙水侵入其中并凍結(jié)，這種含水多孔介質(zhì)凍脹時推開其顆粒間隙的力的平均值，稱為凍脹力。 為了工程中實用起見，將凍結(jié)時產(chǎn)生的對建筑物或基礎(chǔ)的凍脹力，按其作用于基礎(chǔ)表面的方向，分為兩類。其二，在土壤內(nèi)部的凍結(jié)界面上或在土壤水劇烈相變溫度范圍之內(nèi)的土層中，單位面積上的凍脹力稱為土的凍脹應(yīng)力。作用在基礎(chǔ)周圍單位寬度上的切向凍脹力，稱為相對切向凍脹力τ1及單位側(cè)面積上之平均切向凍脹力r ，表示如下: 式中，!Lc 為基礎(chǔ)周長， h 為基礎(chǔ)伸入凍土層中的厚度。其影響因素與其他凍脹力類同，主要通過實體試驗測定，亦可按經(jīng)驗公式計算之。按 Takagi 的抽吸力理論，由式 () 計算，凍脹力為 σ=σ1 一 ρw39。 日本學(xué)者研究式 () ，隨著溫度降低，凍脹力增長到什么程度呢?他們發(fā)現(xiàn)在高于某一臨界溫度之前，式 () 成立，而后則不同土質(zhì)均有其極限凍脹力值(如圖 所示)。C /13MPa 及 39。現(xiàn)場試驗的方法不外為兩類:一類為實加荷法，即在基礎(chǔ)頂部不斷加荷，保持基凍脹量始終不超過某一預(yù)定值，其最后加荷載的總和即為總凍脹力。如原中國科學(xué)院蘭州冰川凍土所曾先后在祁連山區(qū)、青藏高原公路與鐵路線沿線及大興安嶺與大慶地區(qū)、鐵道部西北科學(xué)研究院在青藏鐵路沿線、水電部東北勘測設(shè)計院研究所與吉林省水利科學(xué)研究所及黑龍江省水利科學(xué)研究所分別在吉林與黑龍江省內(nèi)、黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院在哈爾濱等地、以及大慶石油科學(xué)研究院在大慶地區(qū)，都建立了長期觀測場、站。 在我國《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定單位豎向凍脹力標(biāo)準(zhǔn)值如表 所示。F 為凍結(jié)面上產(chǎn)生凍脹力的范圍為自基礎(chǔ)邊緣開始沿 450 角向外擴展的面積。eo 為孔隙比。為當(dāng)壓力為零時的凍脹率 。(4) 木下誠一法 根據(jù)凍脹力與凍脹率成正比的關(guān)系，提出的經(jīng)驗公式為式中， ρ 為法向凍脹應(yīng)力， 為凍脹量， Hf 為凍結(jié)深度， E 為凍土的彈性模量。基礎(chǔ)法向凍力的計算，是在土的凍脹應(yīng)力、基礎(chǔ)幾何形狀、尺寸大小、基礎(chǔ)的埋置深度以及基底之下的凍結(jié)深度等均為已知，然后通過計算來求出基底的接觸凍脹應(yīng)力。由于我們只求直法向凍脹力，所以僅研究垂直均勻荷重的問題。 凍結(jié)之前，在外荷作用下的附加應(yīng)力分布屬于均質(zhì)單層的狀況，當(dāng)凍深發(fā)展到基底以后，地基就變成了兩層，但是如果地基土屬不凍脹的，則地基中的應(yīng)力分布仍保持原先單層的狀況。如果土的凍脹敏感性很小，可能到最后也不能完全達(dá)到雙層地基的應(yīng)力分布。根據(jù)我國東北地區(qū)中部凍結(jié)深度在 2m 左右地溫的實測結(jié)果，在土的凍結(jié)層中，自上而下土溫逐漸升高，到凍結(jié)界面處為零。凍結(jié)深度與地基中的溫度在同一地區(qū)還受到土的熱物理參數(shù)、地勢以及不同年份等因素的影響，甚至還有較大的波動幅度。性比較大的地基土，其力學(xué)性質(zhì)都是比較差的，因此，取值應(yīng)偏低一些。通過計算表明，泊松比取值稍有出入，對整個計算結(jié)果的影響是不大的。像哈爾濱這樣凍深在2m 左右的區(qū)域，大約在 3 月中旬以前(氣溫顯著回升以前)凍土層中的土溫沿深度的變化規(guī)律是:越向下溫度越高，也就是說，凍層越薄的平均彈性模量越小，凍深越大的平均彈性模量也越大，因此，彈性模量的比值是一個變數(shù)。土的垂直凍脹應(yīng)力是在既定條件下在凍結(jié)過程中表現(xiàn)出來的一種力學(xué)性質(zhì)，它與基礎(chǔ)的面積毫無關(guān)系，受到影響的只是地基中的應(yīng)力狀態(tài)。D 為基礎(chǔ)直徑 。而中間存在一個反彎點，如圖 所示的曲線，其中凍層厚度問 h2h1 ，凍層的厚度越大，曲線越平緩，反彎點出現(xiàn)的越遲。直徑50cm 的基礎(chǔ)在 25cm 的深度上，應(yīng)力系數(shù)為 ，但地基土凍結(jié)膨脹形成雙層地基后，在同一點上，應(yīng)力系數(shù)由原來的 減少為 ，降低了 50%。對一般剛度和強度不是特別好的建筑物，這時也差不多該出裂縫了。由于在哈爾濱現(xiàn)有凍土站的試驗基礎(chǔ)都是方形的，而本文所用計算程序是圓形的，為了介紹和說明用雙層地基計算解決法向凍脹力問題的方法，現(xiàn)以 Penner 的 1970 年的試驗結(jié)果為例，各有關(guān)數(shù)據(jù)是從圖上量得的，試驗曲線修正后，經(jīng)過單位轉(zhuǎn)換繪在圖 中。例如求直徑 50cm 的基礎(chǔ)上所受的接觸凍脹力大小(見圖 的曲線 3及表 ) ，用應(yīng)力系數(shù)去除土的凍脹應(yīng)力即可求得基底的接觸凍脹應(yīng)力，接觸凍脹應(yīng)力乘以基礎(chǔ)面積得出凍脹總力。劉鴻緒 () 提出， 1980年我國的工業(yè)與民用建筑灌注樁設(shè)計規(guī)程中規(guī)定，驗算基礎(chǔ)受切向凍脹力的抗拔穩(wěn)定性時，凍結(jié)線之下的不凍土中的摩阻力要乘上一個降低系數(shù)192。凍土地基卻不然，其受力情扭見圖 ，樁身受力見圖 元，地基受力中，當(dāng) (N+:G) ~r 時為圖 ，當(dāng)(N+39。若建筑物基礎(chǔ)埋深在季節(jié)凍結(jié)活動層以內(nèi)，則在基礎(chǔ)底面至活動層一定深度內(nèi)作墊層處理，使其基底不受垂直法向凍脹力作用，這樣所測定的總力即為切向凍脹力，總力除以基礎(chǔ)周邊長度，即單寬切向凍脹力，又稱相對切向凍脹力。A. 試驗觀測區(qū)中土質(zhì)、水分狀態(tài)、凍脹情況(表 )從各場地不同地基土類凍脹量沿深度分布的結(jié)果看。b. 地基土在凍結(jié)過程中產(chǎn)生凍脹。從圖 可以看出:切向凍脹力隨凍深加大而增高，但是粗顆粒土和細(xì)顆粒土中的情況有所不同。粗顆粒土和細(xì)顆粒土切向凍脹力的發(fā)展規(guī)律，是由它們凍結(jié)過程中的水分遷移特性決定的。單位切向凍脹力的發(fā)展過程亦具有相似的特點。C. 影響切向凍脹力的主要因素影響切向凍脹力的主要因素有兩種:一種是影響地基土凍脹敏感性的因素。細(xì)顆粒土的凍脹敏感性大于粗顆粒土的，且細(xì)顆粒土的單位凍結(jié)力也大于粗顆粒土的，所以細(xì)顆粒土產(chǎn)生的切向凍脹力明顯大于粗顆粒土的切向凍脹力。 所示。由表 可以看出，對于埋深大于 30cm 的基礎(chǔ)，四種地基土對于四種材料基礎(chǔ)的單位切向凍脹力均在 以下。所以，在基礎(chǔ)穩(wěn)定性檢算中，可以假定單位切向凍脹力沿基礎(chǔ)表面均勻分布。II一山前緩坡之亞教土、亞砂土，上限為 左右。8~9 月埋設(shè)試樁，讓其預(yù)沉 1 個月左右， 10 月上、中旬至翌年 2~3 月進(jìn)行觀測。當(dāng)凍深超過 2/3 最大凍結(jié)深度以下時，切向凍脹總力已趨于穩(wěn)定，這些規(guī)律性恰與凍脹率的規(guī)律相一致，建筑物破壞的實例也能說明這點。因此，在工程抗凍脹檢算中切向凍脹力的取值為:在 2/3最大凍深范圍內(nèi)按規(guī)范規(guī)定取值，余下 113 凍深則按表規(guī)定相應(yīng)值的 113 計算。河谷階地中礫石土的切向凍脹大于亞蒙古土，這是因為凍結(jié)初期由山間溝谷地下水補給礫石層所致。他們的測試方法分為在基礎(chǔ)上直接加荷并阻止變形發(fā)展法，框架錨固并用傳感器測力法。為此，俄國學(xué)者綜合眾人觀測結(jié)果，按稠度 B 將土的凍脹敏感性分為強凍脹 (B)、中等凍脹 () 、弱凍脹() 及不凍脹 (BO) 四類，再根據(jù)不同土類地下水位離凍深的距離來確定切向凍脹力值的大小，如表 。實際上，表 的取值是在收集國內(nèi)外一些資料中，凡是土的平均凍脹率、樁的平均單位切向凍脹力等數(shù)據(jù)同時具備時才收錄的。而水結(jié)冰后與墩身側(cè)面的單位切向凍脹力，對混凝土可取 190kPa。為基礎(chǔ)影響范圍之外地面自由凍脹率。(3) 用雙層地基的計算方法用雙層地基的計算方法計算切向凍脹力，將季節(jié)凍土地基視為雙層地基，用錨固框架測力計法進(jìn)行凍脹力的原位測試，由于試驗所得基底的接觸凍脹壓力較高，因此它不再是直線變形體。圖 、圖 為按線性方法對圓形基礎(chǔ)板計算所得的應(yīng)力系數(shù)沿深度的分布。z 為基礎(chǔ)板下的縱坐標(biāo))，根據(jù)土與基礎(chǔ)側(cè)壁之間凍結(jié)強度與土溫的關(guān)系(或查相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范)，找出各點的凍結(jié)強度，求出每段的總凍結(jié)力。最后把各段的切向凍脹力加起來，即是該樁所受的總切向凍脹力。例如，圓形柱式基礎(chǔ)，直徑 D = ，基礎(chǔ)埋深 ，