【正文】 加大到原荷載的 2 倍時(shí)，界面上的壓應(yīng)力才剛好與凍前一樣，沒有任何變形。從圖 可見，當(dāng)凍層厚度一定時(shí)，應(yīng)力系數(shù)隨著基礎(chǔ)直徑的增大而加大，但當(dāng)基礎(chǔ)直徑一定時(shí)，則曲線的斜率隨凍層的減薄越來越大，這些曲線有兩個(gè)漸近線，即當(dāng)面積為元限大時(shí)(足夠大) ，應(yīng)力系數(shù) αd= 1，當(dāng)面積足夠小時(shí)，應(yīng)力系數(shù) αd:=:::::O 。有關(guān)法向凍脹應(yīng)力與面積關(guān)系的問題。土凍結(jié)后，溫度越低內(nèi)摩擦角愈大，所以凍土的泊松比較小。其中 h 為計(jì)算瞬時(shí)自基礎(chǔ)底面算起的凍結(jié)深度， z 為從基礎(chǔ)底面算起的凍土層中某點(diǎn)的豎向坐標(biāo)值。在凍結(jié)深度發(fā)展到某凍結(jié)面處時(shí)，在對(duì)稱軸點(diǎn) G 上(以后所研究各點(diǎn)的應(yīng)力都是對(duì)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(diǎn)上雙層地基的壓應(yīng)力 n 時(shí)，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(shí)，地基就變成完全雙層的應(yīng)力狀態(tài)。通過雙層彈性空間半元限體問題計(jì)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。 11 為在壓力 ρ 時(shí)的凍脹率。p 為產(chǎn)生下沉的壓力，即法向凍脹力。四個(gè)場(chǎng)地的凍脹率分別為平 % 、和= % 、 7}3 = % 及加 =% 。為工程實(shí)用目的，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定，將提供更宏觀、綜合當(dāng)?shù)馗饕蛩氐膬雒浟?shí)測(cè)值，但必須強(qiáng)調(diào)，其試驗(yàn)條件應(yīng)該與實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)相一致。C時(shí)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(wú)關(guān)。 對(duì)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。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。與此同時(shí)，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。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(shí)推開其顆粒間隙的力的平均值，稱為凍脹力。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。其影響因素與其他凍脹力類同，主要通過實(shí)體試驗(yàn)測(cè)定，亦可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算之。 日本學(xué)者研究式 () ，隨著溫度降低，凍脹力增長(zhǎng)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)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法不外為兩類:一類為實(shí)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。 在我國(guó)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定單位豎向凍脹力標(biāo)準(zhǔn)值如表 所示。eo 為孔隙比。(4) 木下誠(chéng)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(yàn)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。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。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。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(shì)以及不同年份等因素的影響，甚至還有較大的波動(dòng)幅度。通過計(jì)算表明，泊松比取值稍有出入，對(duì)整個(gè)計(jì)算結(jié)果的影響是不大的。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(wú)關(guān)系，受到影響的只是地基中的應(yīng)力狀態(tài)。而中間存在一個(gè)反彎點(diǎn)，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(diǎn)出現(xiàn)的越遲。對(duì)一般剛度和強(qiáng)度不是特別好的建筑物，這時(shí)也差不多該出裂縫了。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。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(shí)為圖 ，當(dāng)(N+39。A. 試驗(yàn)觀測(cè)區(qū)中土質(zhì)、水分狀態(tài)、凍脹情況(表 )從各場(chǎng)地不同地基土類凍脹量沿深度分布的結(jié)果看。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。單位切向凍脹力的發(fā)展過程亦具有相似的特點(diǎn)。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。由表 可以看出，對(duì)于埋深大于 30cm 的基礎(chǔ)，四種地基土對(duì)于四種材料基礎(chǔ)的單位切向凍脹力均在 以下。II一山前緩坡之亞教土、亞砂土，上限為 左右。當(dāng)凍深超過 2/3 最大凍結(jié)深度以下時(shí)，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(shí)例也能說明這點(diǎn)。河谷階地中礫石土的切向凍脹大于亞蒙古土，這是因?yàn)閮鼋Y(jié)初期由山間溝谷地下水補(bǔ)給礫石層所致。為此，俄國(guó)學(xué)者綜合眾人觀測(cè)結(jié)果，按稠度 B 將土的凍脹敏感性分為強(qiáng)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 。而水結(jié)冰后與墩身側(cè)面的單位切向凍脹力，對(duì)混凝土可取 190kPa。(3) 用雙層地基的計(jì)算方法用雙層地基的計(jì)算方法計(jì)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(cè)力計(jì)法進(jìn)行凍脹力的原位測(cè)試，由于試驗(yàn)所得基底的接觸凍脹壓力較高，因此它不再是直線變形體。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(qiáng)度與土溫的關(guān)系(或查相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范)，找出各點(diǎn)的凍結(jié)強(qiáng)度，求出每段的總凍結(jié)力。例如，圓形柱式基礎(chǔ)，直徑 D = ，基礎(chǔ)埋深 ，每根柱承受的外荷為33000N ，最大凍深為 ，地基土屬凹類凍脹性土，為了不產(chǎn)生凍害，基側(cè)面采取了防凍切措施，凍結(jié)力降低到值的 5% ，求算基礎(chǔ)是否穩(wěn)定。以下介紹鐵道部科學(xué)研究院西北研究所在青藏高原多年凍土地區(qū)及黑龍江省水利科學(xué)研究所在哈濱季節(jié)凍土區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果和其他主要結(jié)果，以及我國(guó)目前各類規(guī)范中所采用的數(shù)值。在土壓力減小到最小值而水平凍脹力尚未出現(xiàn)之前，向后變位達(dá)最大值，曲線達(dá)a 點(diǎn)。L型擋墻在凍結(jié)過程中的變位過程，反映了水平凍脹力的產(chǎn)生、發(fā)展過程。圖 是 L 型擋墻墻背面水平凍脹力的分布曲線，圖 是模型墻背側(cè)面水平凍脹力的分布曲線。其凍結(jié)速度與天然地面情況相近。在第一類因素中，主要有土的類型、含水量、溫度和凍結(jié)速率等。從圖 可以看出，水平凍脹力的增長(zhǎng)趨勢(shì)與地溫曲線的降低趨勢(shì)是一致的。水平凍脹力是由土體凍脹而產(chǎn)生的，它的大小和分布與土體的凍脹特性和墻體變形特征有關(guān)，而與擋土墻的高度元關(guān)。于上述理由，對(duì)于一般情況，在按三角形分布圖式計(jì)算時(shí)，建議細(xì)顆粒填土的最大水平凍脹力取 X 105~ X 105pa ，粗顆粒填土取 X 105~ X 105Pa2. 季節(jié)凍土區(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)觀測(cè)季節(jié)凍土區(qū)擋土墻因墻后土體的凍、融作用，要分別承受水平凍脹力及主動(dòng)土壓力。55N ，12503839?，F(xiàn)在按實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪出各月水平凍脹力壓強(qiáng)分布圖，將各月水平凍脹力最大壓強(qiáng)分布圖做外包絡(luò)圖，即求出年水平凍脹力最大壓強(qiáng)分布圖。E. 根據(jù)上述水平凍脹力壓強(qiáng)分布規(guī)律，細(xì)顆粒填土全約束擋土墻水平凍脹力壓強(qiáng)分布圖取值及繪制方法如下:位于墻頂 a 點(diǎn)處的力值為零。計(jì)算時(shí)選用 5 年中 12 月份至次年 3 月份共 20 個(gè)實(shí)測(cè)壓強(qiáng)圖形與按圖 選定的壓強(qiáng)圖相比，求出壓強(qiáng)修正系數(shù) c = 。對(duì)墻背側(cè)水平凍脹力沿高度的分布情況，基本上呈三角形分布。整個(gè)場(chǎng)地土的凍脹性比較均勻，最大凍脹量為 ， ， 之間?；A(chǔ) 22 的觀測(cè)結(jié)果見圖 。 另一原因是在地基土的凍層之下樁基存在一定的長(zhǎng)度，起著錨固作用，所以使凍脹力有所減少，因此所測(cè)出的力值偏小。陽(yáng)墻角 1(凸角)下不僅凍深線較深，且它四周的地基土中 3/4 (室外部分)是凍結(jié)的，將產(chǎn)生凍脹力而直線部分基礎(chǔ) E 的凍脹力僅有 1/2，處于二者之間。HfO 為標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度(查地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 )(m) 。圓柱體置于恒載壓力機(jī)上，由光電平衡裝置保持杠桿水平，確保載荷恒定。 11組， B = ~ 及田組，B = ，由回歸分析得不同水體厚度鳥、不同上覆荷載知時(shí)相應(yīng)的凍脹變形為可以看出，凍脹變形隨荷載增大，呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系減少。如對(duì)表 冰壓力模型試驗(yàn)中水膜分別為 、 及 的結(jié)果進(jìn)行多元回歸分析，則得到如下形式其相關(guān)系數(shù) r = 及偏差 s = 。并由此繪制得如圖 所示的冰壓力隨水膜厚度及襯砌允許位移而變化的曲線簇。近似預(yù)報(bào)時(shí)，可應(yīng)用下列綜合式子，即式 () 對(duì) ~，但對(duì) 的預(yù)報(bào)值，則隨荷載強(qiáng)度遞增而略偏小。在溫度由 1039。39。 比為采暖對(duì)凍深的影響系數(shù)(查地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 )。從圖 和圖 看出，當(dāng)埋深相同時(shí)，墩基比之相同長(zhǎng)度條基的凍脹力大不了多少，條基為 43kN ，墩基56kN ，墩基比條基大 13kN ，約30% 。3. 結(jié)果分析(1) 凍脹力對(duì)比對(duì)比圖 和圖 ，基礎(chǔ)17 與基礎(chǔ) 20 、22 比較，凍脹力大了近四倍之多。采暖試驗(yàn)房屋的建筑面積為 61. 75m2，基礎(chǔ)由八根直徑為 40cm、長(zhǎng)度為10m 的灌注樁所組成 (M1Mg) ，同時(shí)也作為四個(gè)試驗(yàn)基礎(chǔ)(20 23 勺的錨固樁。4. 實(shí)測(cè)最大水平凍脹力將各單位對(duì)墻背側(cè)填土在不同凍脹率下實(shí)測(cè)的最大水平凍脹力匯總于表 中。修正后的水平凍脹力壓強(qiáng)圖可在擋土墻抗凍脹設(shè)計(jì)中應(yīng)用。在外露墻高底部 h 處的力值為最大力值的 60% ，即 d 點(diǎn)等于 60%σhmax。從圖 中可知細(xì)顆粒填土全約束擋土墻水平凍脹力，沿外露墻高的分布有如下律A. 擋墻墻背側(cè)面上部，其水平凍脹力壓強(qiáng)分布的增長(zhǎng)方向是自墻頂至墻體中部趨于直線變化，因此位于相對(duì)墻高自零至 倍外露墻高 h 位置的水平凍脹力壓強(qiáng)按直線連接B. 擋土墻背側(cè)水平凍脹力壓強(qiáng)最大值在 ~。多年平均氣溫 39。為解決擋土墻抗凍脹設(shè)計(jì)問題，需要測(cè)定水平凍脹力值及壓強(qiáng)分布圖形。表 是根據(jù)墻體變位按圖 的計(jì)算圖式計(jì)算得的最大水平凍脹力。可變形性越大，阻礙凍脹作用越小，產(chǎn)生的水平凍脹力就越小。土的類型不同，其凍脹敏感性不同。墻背土體的這種凍結(jié)條件決定著墻背側(cè)面土體凍結(jié)過程的水分遷移和冰析環(huán)境B. 水分條件的變化:擋土墻修建后，形成新的傾向線路的上限面，兩側(cè)邊坡中的凍結(jié)層上水沿多年凍土上限向墻后聚集，使墻背側(cè)填土含水量增大。在擋墻墻背側(cè)面的上部，水平凍脹力較小。圖 中所示的水平凍脹力發(fā)展過程曲線證實(shí)了上面的分析。在穩(wěn)定凍結(jié)出現(xiàn)后，水平凍脹力產(chǎn)生，并且隨著凍深發(fā)展，水平凍脹力增大。因此，研究非對(duì)稱水平凍脹力的大小、分布規(guī)律以及產(chǎn)生條件，對(duì)凍土區(qū)支擋