【正文】 方向且垂直于基礎(chǔ)或結(jié)構(gòu)物側(cè)面的凍脹力，此即所謂的水平法向凍脹力，簡稱水平凍脹力。(2) 水平凍脹力的發(fā)展過程在土凍結(jié)過程中，水平凍脹力是怎樣產(chǎn)生和發(fā)展的呢?圖 是 L 型擋墻在凍結(jié)過程中墻頂?shù)奈灰谱兓^程線，圖 是模型墻背不同深度水平凍脹力發(fā)展過程線。從 b 點到 C 點，曲線斜率增大，說明隨凍層溫度降低，水平凍脹力迅速增長。在水平凍脹力作用時，可以認(rèn)為土壓力等于零?？梢钥闯?，凍結(jié)前期在擋墻墻背側(cè)面上部，等溫線與墻背斜交，說明土體受雙向凍結(jié)，因而凍結(jié)速度最快。上述分析可知，影響水平凍脹力大小的主要因素有兩類:其一是決定填土凍脹敏感性的因素。墻背側(cè)土體上部含水量小，中下部含水量大，所以水平凍脹力亦上部小、中下部大。其中，對于粗顆粒填土，不論擋土墻基礎(chǔ)埋置深度多少，均采用圖 的三角形分布圖式。粗顆粒填土的最大水平凍脹力由實體墻測得。(1) 試驗擋土墻結(jié)構(gòu)形式選擇常用及可能具有良好抗凍能力的重力式、懸臂式、扁殼式、簡支裝配板式、拱式、涵管式擋土墻，外露地表高度 ， 。地表以下土質(zhì)分布情況 :040cm 為黑色粉質(zhì)壤土， 40~600cm 為黃色重粉質(zhì)壤土，土質(zhì)物理性質(zhì)列于年從 11 月土旬開始穩(wěn)定凍結(jié)，至翌年 3 月中下旬地表融化，在 6 月中旬前后凍土層方可融透。 相對墻高 ~ 時為 。但沿墻高各點的數(shù)值均是外包絡(luò)線的最大統(tǒng)計值，實際上不可能達(dá)到壓強(qiáng)圖形的最大值，因此需要按實測值壓強(qiáng)圖與最大壓強(qiáng)圖進(jìn)行對比修正。 1983年與水利電力部松遼水利委員會研究所共同對季節(jié)凍土區(qū)水工錨定板擋土墻進(jìn)行了試驗研究，先后在吉林省修建了兩座試驗工程，其中一座是灌溉抽水站的進(jìn)水池?fù)鯄?，另一座是土壩濫流段進(jìn)水口的導(dǎo)流墻。黑龍江省低溫建筑科學(xué)研究所從 1982 年開始在閻家崗凍土站采暖試驗房屋中連續(xù)進(jìn)行了 4個年度(周期)的觀測，得出了采暖房屋凍脹力的計算公式，并進(jìn)一步驗證了我國現(xiàn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范所列有關(guān)防凍害措施的幾點規(guī)定(劉鴻緒， 1989) 。在試驗站自然場地的力學(xué)試驗區(qū)內(nèi)，相應(yīng)安置了三個與采暖房屋試驗基礎(chǔ)同類型、同構(gòu)造的對比試驗基礎(chǔ) 17 、13 和92. 試驗觀測結(jié)果(1) 場地基本資料試驗場地 19821983 年度氣溫、凍深、凍脹量及地下水位隨冬季歷時而變化的過程繪于圖 中2) 試驗房屋室溫 ‘(3) 各試驗基礎(chǔ)凍脹力觀測結(jié)果基礎(chǔ) 20 的觀測結(jié)果見圖 ，其中基礎(chǔ) 17 是與 20 相同的對比基礎(chǔ)，并附有凍脹力觀測期間場地的凍深線。采暖情況下基礎(chǔ)凍脹力的減小，更主要的是地基土的室內(nèi)一側(cè)(直線段為二分之一)不凍結(jié)或只存在很薄(基側(cè)橫向)、很淺(基側(cè)豎向)的一層凍結(jié)層，因此 4 形成不了很大的凍脹力。在采暖房屋中計算外墻下樁基的切向凍脹力或基礎(chǔ)的法向凍脹力時，僅考慮采暖對凍深的影響系數(shù)是不夠的，基礎(chǔ)所受到的凍脹力不僅與凍深線的深淺有關(guān)，還與基礎(chǔ)在凍脹力作用下受力情況有關(guān)。 P 0 為在同等條件下裸露場地的凍脹力 。模型試驗裝置為一合金鋁制圓柱體，如圖 9.♂ 7 所示。2. 試驗結(jié)果及討論冰壓力模型試驗施加的荷載強(qiáng)度分別為 : 、 、 、 及 肌1Pa，所測不同水體厚度 B 對應(yīng)的凍脹變形列于表 中。于是導(dǎo)出了冰壓力的計算模式為式中， B 為冰體厚度， rnm。在某一荷載下，只有水體凍結(jié)時產(chǎn)生的冰膨脹壓力超過其上的附加荷載壓力時，才會出現(xiàn)膨脹量。C時出現(xiàn)最大膨脹變形，溫度低于一 1439。其原因在于混凝土襯砌與基巖體間隙內(nèi)充水，結(jié)冰時形成封閉系統(tǒng)，此時水體凍結(jié)產(chǎn)生大的冰壓力所致，襯砌的剛度愈大，允許的變形量愈小，則產(chǎn)生的冰壓力就愈大，就愈百能將襯砌脹裂。 II (直線段)mp= 。再則，條基與凍脹敏感性基土全面接觸，而墩基的接觸面小得多，這樣由于凍脹的不均勻性而導(dǎo)致破壞的機(jī)率，墩基比條基的要少。 看，基礎(chǔ)儼與基礎(chǔ)23 比較，凍脹力大了近6 倍。沿三個斷面布置了熱電偶 121 組，并沿房屋四周設(shè)置了凍土器 11個 (2232) 。五、采暖房屋地基凍脹力在自然場地凍脹力的研究方面，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的工作。3. 其他季節(jié)凍土區(qū)現(xiàn)場試驗觀測(1) 水工錨定板擋土墻季節(jié)凍土地區(qū)的水工建筑物，因地基土凍脹造成的破壞現(xiàn)象很普遍，其中又以擋土墻的凍害數(shù)量最多，一般因凍害的擋土墻占破壞工程總數(shù)的 60% 70% 。將 a、b、 、e 各點連接直線，即為全約束擋土墻背側(cè)水平凍脹力壓強(qiáng)圖(圖 ) 。C. 擋土墻背側(cè)水平凍脹力自 ~ 范圍，力值趨向減小。C 。 隋鐵齡等， 1990) 。在相同條件下，細(xì)顆粒填土作用于擋墻上的最大水平凍脹力應(yīng)小于此值。(4) 水平凍脹力的計算圖式從水平凍脹力分布規(guī)律可知，在一般情況下，分布于墻背側(cè)面的水平凍脹力是上部小、下部大，近似三角形分布。從圖 可以出，細(xì)顆粒填土的水平凍脹力不論是最大值還是平均值都較粗顆粒填土的大。在細(xì)顆粒土凍結(jié)過程中，水分向凍結(jié)鋒面聚集，使凍結(jié)鋒面附近土體含水量增大。水平凍脹力的這種分布規(guī)律是由以下幾方面的因素決定的: A. 散熱條件的變化:擋土墻修建后，墻后土體在凍結(jié)過程中，由原來的一維散熱條件變成二維散熱條件。從 10 月初到 11 月中旬，季節(jié)融化層開始逐步凍結(jié)，水平凍脹力逐漸增長 (11 月中旬季節(jié)融化層全部凍結(jié) )0 11 月中旬至 12月底，隨著凍土溫度降低，水平凍脹力迅速增長至最大值。在凍深達(dá)到季節(jié)融化層厚度時，曲線達(dá) b 點。實體擋墻為鋼筋混凝土 L 型擋墻，墻高分4m 和 5m 兩種，長 15mo 4m 墻后填土為細(xì)顆粒土， 5m 墻后土為粗顆粒土。當(dāng)凍到 時，總凍脹力為 32700N ，仍略小于外荷，故還是安全的。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。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。為基礎(chǔ)影響范圍之外地面自由凍脹率。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。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。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。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。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。 所示。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。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。b. 地基土在凍結(jié)過程中產(chǎn)生凍脹。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。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。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。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%。D 為基礎(chǔ)直徑 。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)。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。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)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?；A(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。為當(dāng)壓力為零時的凍脹率 。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(kuò)展的面積。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。C /13MPa 及 39。按 Takagi 的抽吸力理論，由式 () 計算，凍脹力為 σ=σ1 一 ρw39。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。 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。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。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。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。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。C/3 隊在Pa ，一 39。 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。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=。(3) E. Pe