【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 水分遷移特性決定的。細(xì)顆粒土在凍結(jié)過(guò)程中，水分向凍結(jié)鋒面遷移和聚集，在凍結(jié)鋒面形成冰透鏡體和冰夾層，體積劇烈膨脹，從而切向凍脹力在凍結(jié)前期發(fā)展很快。而粗顆粒土凍結(jié)過(guò)程中，在重力作用下水分離開(kāi)凍結(jié)鋒面向深處遷移和聚集，從而在深部聚集了較多水分，這些水分直至凍結(jié)末期才完全凍結(jié)。所以，粗顆粒土的切向凍脹力主要在凍結(jié)后期發(fā)展。單位切向凍脹力的發(fā)展過(guò)程亦具有相似的特點(diǎn)。對(duì)于細(xì)顆粒土，在凍結(jié)初期隨凍深增加，單位切向力迅速增大，至某一深度后達(dá)最大值。而后隨凍深增加，單位切向凍脹力減小。粗顆粒土的單位切向凍脹力具有隨凍深增加而增大的特點(diǎn)。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。另一種是影響基礎(chǔ)表面親水程度和摩擦特性因素。前者主要涉及地基土的粒度成分、含水量、溫度等，后者主要與基礎(chǔ)材料的性質(zhì)和基礎(chǔ)表面的粗糙程度有關(guān)。從圖 可以看出，切向凍脹力與地基土的粒度成分有著密切關(guān)系。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。含水量對(duì)切向凍脹力的影響如圖 。從圖 可以看出，含水量增加，切向凍脹力增大。這是由于含水量增加，基礎(chǔ)與土顆粒之間的冰膠結(jié)增加，凍結(jié)強(qiáng)度增大，且凍脹量增大，所以切向凍脹力增大。 所示。從圖 可以看出:在四種材料中，鋼材單位切向凍脹力最大，最小者為混凝土。如果以混凝土的單位切向凍脹力為1，則鋼材的單位切向凍脹力為 ，漿砌片石為 ，木材為 。 D. 切向凍脹力的取值和計(jì)算 不同材料基礎(chǔ)，在不同地基土中測(cè)得的單位切向凍脹力值和最大單位切向凍脹力值列于表 中。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。其中粗顆粒土對(duì)于 1 昆凝土基礎(chǔ)的單位切向凍脹力在 X 105Pa 以下。而最大單位切向凍脹力，細(xì)顆粒土達(dá) X 105Pa ，粗顆粒土達(dá) X 105Pao在基礎(chǔ)穩(wěn)定性計(jì)算中，怎樣來(lái)考慮最大單位切向凍脹力的作用呢?從圖 可以看出，最大單位切向凍脹力的出現(xiàn)與最大切向凍脹力的出現(xiàn)是不同步的。無(wú)論是粗顆粒土還是細(xì)顆粒土地基，在最大單位切向凍脹力出現(xiàn)時(shí)，其切向凍脹力都不是最大值，均為較小值。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。單位切向凍脹力的計(jì)算值，在基礎(chǔ)材料為 1 昆凝土?xí)r，粗顆粒土取 X 1Q5Pa ， X 105Pa 是適宜的，對(duì)于其他材料基礎(chǔ)，其單位切向凍脹力計(jì)算值，可用混凝土的單位切向凍脹力計(jì)算值乘以材料修正系數(shù)。原中國(guó)科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所于 19741976 年在青藏高原風(fēng)火山地區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)觀測(cè)。A. 試驗(yàn)場(chǎng)地試驗(yàn)場(chǎng)地共四處 :1一一河漫灘階地之礫石土，多年凍土上限為 左右 。II一山前緩坡之亞教土、亞砂土，上限為 左右。因一風(fēng)火山高臺(tái)地，以亞教土為主，~。 凹一風(fēng)火山低臺(tái)地，以亞砂土為主，上限為 左右。除 I 場(chǎng)地能見(jiàn)到暫時(shí)性凍結(jié)層上水外，其余各場(chǎng)地都可以認(rèn)為是封閉系統(tǒng)。8~9 月埋設(shè)試樁，讓其預(yù)沉 1 個(gè)月左右， 10 月上、中旬至翌年 2~3 月進(jìn)行觀測(cè)。974~1976 年共進(jìn)行了 97 個(gè)試驗(yàn)樁基的切向凍脹力測(cè)定。B. 發(fā)展過(guò)程及沿深度變化大量資料證明，切向凍脹力伴隨著凍脹過(guò)程而發(fā)生、發(fā)展(圖 )0 整個(gè)冬季，在O~1I3 或 O~1I2 的最大凍結(jié)深度內(nèi)，是切向凍脹力急劇增長(zhǎng)階段，單位切向凍脹力可達(dá)最大值。當(dāng)凍深達(dá) 2/3 最大凍結(jié)深度時(shí)，凍脹總力緩慢增至最大值，而單位切向凍脹力卻減少。當(dāng)凍深超過(guò) 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(shuō)明這點(diǎn)。例如，某鋼筋混凝土橋，上部荷載總重 532t ，基礎(chǔ)人土深度 ，當(dāng)橋墩上舉時(shí)間正好是凍深達(dá) 2/3 的最大凍結(jié)深度之時(shí)，按照此時(shí)的凍深反算到的單位切向凍脹力可達(dá) 1. 7 X 105Pa。由此可見(jiàn)，取 2/3 最大凍結(jié)深度范圍內(nèi)的最大單位切向凍脹力值作為基準(zhǔn)值來(lái)分類，可保持工程建筑物的穩(wěn)定性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定，余下的 113 凍結(jié)深度所產(chǎn)生的切向凍脹總力約為 2/3 凍結(jié)深度范圍內(nèi)最大凍脹總力的 33% 左右。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(jì)算。季節(jié)凍土地區(qū)，余下 113 凍深所產(chǎn)生的切向凍脹力可不予考慮。C. 試驗(yàn)結(jié)果兩年多的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果匯集于表 。由表看出，不同地段土層凍結(jié)時(shí)作用于礎(chǔ)側(cè)面的切向凍脹力不同，與土層中的水分多寡有關(guān)。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。相反，山前緩坡地?zé)o水源補(bǔ)給，處于封閉狀態(tài)，僅在凍結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生水分重分布現(xiàn)象。 19751976 年，因壓力傳感器的量程比較小，不少試樁的切向凍脹力都超出了傳感器的量程而不得不終止試驗(yàn)，所以該年度的觀測(cè)值肯定要偏小些。3. 俄國(guó)實(shí)測(cè)值摘錄 . KHCeJIeB 于 1974 年匯集了俄國(guó) 30 多年來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果。他們的測(cè)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(cè)力法。各試驗(yàn)觀測(cè)者所得數(shù)據(jù)歸納于表 中。從表 中可以看出，各試驗(yàn)者所觀測(cè)得到的切向凍脹力值變化較大，可能因土質(zhì)、水分、氣候條件及基礎(chǔ)材料與錨固剛度(或允許變形量)等的差異所致。由此不難看出，要用一地的實(shí)測(cè)值應(yīng)用于其他地方，或?qū)⒏鞯財(cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，必須注意當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，否則無(wú)可比性。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(lái)確定切向凍脹力值的大小，如表 。 于 1974 年提出按土的凍脹等級(jí)及冬季地基土的凍深來(lái)確定切向凍脹力，如表 。4. 我國(guó)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值(1) 水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范 (DL/f50821998)中的單位切向凍脹力標(biāo)準(zhǔn)值，是指表面平整的混凝土樁、墩基礎(chǔ)無(wú)豎向位移的條件下，相鄰?fù)羶雒洉r(shí)沿基礎(chǔ)側(cè)表面單位面積產(chǎn)生的向上作用力，如表 所列。(2) 凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 (JG]l18 98) 中的切向凍脹力的設(shè)計(jì)值列入表 ，以正常施工的混凝土預(yù)制樁為標(biāo)準(zhǔn)，其表面粗糙程度系數(shù)冉取 ，當(dāng)基礎(chǔ)表面粗糙時(shí)，其表面粗糙程度系數(shù)冉取 ~表 也已被《巖土工程勘察設(shè)計(jì)手冊(cè)》所引用。實(shí)際上，表 的取值是在收集國(guó)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(shí)具備時(shí)才收錄的。所獲數(shù)據(jù)合計(jì) 232 個(gè)，其中弱凍脹土 28 個(gè)，凍脹土 32 個(gè)，強(qiáng)凍脹土 113 個(gè)和特強(qiáng)凍脹土 59 個(gè)。 I 將所有收集到的數(shù)據(jù)繪圖如圖 所示，并標(biāo)出不同規(guī)范之取值。(3) 公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 JTJ 02485 ，規(guī)定季節(jié)凍土區(qū)的單位切向凍脹力如表 所列，其中對(duì)表面光滑的預(yù)制樁，其單位切向凍脹力要乘以 系數(shù)。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。 (1) 原蘇聯(lián)學(xué)者原蘇聯(lián)學(xué)者多用求凍結(jié)強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算切向凍脹力，即略去微量之后(因 α0) 得式中， ITI 為土溫的絕對(duì)值 c 。 c 、b 為系數(shù)，與土的類別、含水狀態(tài)有關(guān)。(2) 加拿大學(xué)者加拿大學(xué)者 Penner 于 1970 年計(jì)算基礎(chǔ)約束范圍內(nèi)凍結(jié)界面上的垂直凍脹應(yīng)力，然后求得切向凍脹力式中， η。為基礎(chǔ)影響范圍之外地面自由凍脹率?？蔀樵趬毫?ρ 作用下的凍脹率 。ρ 為作用壓力 。α 為根據(jù)土壤類型不同給出的常數(shù)(負(fù)值)。(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。而計(jì)算時(shí)應(yīng)用非線性方法，計(jì)算所得凍深在 2m 左右的東北地區(qū)土的凍脹應(yīng)力及其沿深度的分布(圖 、圖9，20) 。圖 為不同深度處凍脹應(yīng)力與基土平均凍脹率之間的關(guān)系，圖 為不同凍脹率的基土凍脹應(yīng)力與凍結(jié)界面深度的關(guān)系。由該兩圖可查得任意凍脹敏感性基土在任意深度的凍脹應(yīng)力(可用內(nèi)插法)。圖 、圖 為按線性方法對(duì)圓形基礎(chǔ)板計(jì)算所得的應(yīng)力系數(shù)沿深度的分布。圖 為不同凍層厚度凍結(jié)界面上的應(yīng)力系數(shù)與基礎(chǔ)板直徑的關(guān)系，圖 為不同基礎(chǔ)板直徑的應(yīng)力系數(shù)與界面同該基礎(chǔ)板的距離的關(guān)系，由此可查得任意直徑的基礎(chǔ)板離開(kāi)該板任意深度上的應(yīng)力系數(shù)(可用內(nèi)插法)。季節(jié)凍土區(qū)的樁基在凍前是單層的應(yīng)力分布，隨著土的凍脹，應(yīng)力進(jìn)行著重分布，其結(jié)果是逐漸過(guò)渡到雙層的應(yīng)力狀態(tài)。計(jì)算 時(shí)，首先把凍深范圍內(nèi)的樁身分成若干段(如圖 所示)，根據(jù)當(dāng)?shù)氐販刭Y料找出沿深度各點(diǎn)的土溫或用 T=(h z) 公式計(jì)算凍層中的土溫 (h 為基礎(chǔ)板下的凍深度 。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。再以樁的橫斷面作為基礎(chǔ)板，根據(jù)每段中心與凍結(jié)界面的距離查出應(yīng)力關(guān)系，用應(yīng)力系數(shù)去除該凍結(jié)界面上土的凍脹應(yīng)力，得出當(dāng)量荷重，當(dāng)量荷重乘以斷面積得出該段所受的總切向凍脹力。如果算出的切向凍脹力大于算出的凍結(jié)力，則只有與凍結(jié)力相等的那部分才有效，土凍脹應(yīng)力的剩余部分是產(chǎn)生下段切向凍脹力的力源。切向凍脹力如果小于凍結(jié)力，則多余的凍結(jié)力對(duì)凍脹不起作用。最后把各段的切向凍脹力加起來(lái)，即是該樁所受的總切向凍脹力。切向凍脹力只要不超過(guò)外加荷載就是安全的。由于建筑物有一定的整體剛度，在地基不均勻變形的情況下具有一定內(nèi)力重分布的幅度，所以變形超過(guò)不多也是允許的。如果基礎(chǔ)砌置在凍層之中，既受切向凍脹力又受法向凍脹力之作用時(shí)的總凍脹力，要比各單獨(dú)作用時(shí)之和小得多。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。其計(jì)算過(guò)程與結(jié)果見(jiàn)表 。凍深在 時(shí)，計(jì)算出切向凍脹力為 15700N ，剩余的外荷還有 17300N ，產(chǎn)生15700N (只要不超過(guò))切向凍脹力后，界面土的凍脹力還剩余 O. 1244 X 105Pa。土的凍脹應(yīng)力為 X 105pa ，應(yīng)力系數(shù)為 X 105Pa 時(shí)，法向凍脹力則為 5220N ，總凍脹力為 2