【正文】 中便發(fā)生著一系列的應(yīng)力變化，內(nèi)力在進行著重新調(diào)整，即內(nèi)力重分布。 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。假設(shè)凍土與未凍土每層均為各向同性、均質(zhì)與直線變形的雙層彈性連續(xù)體系，就是由一定厚度的土層連續(xù)支承在一個彈性半空間體上。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。將凍結(jié)深度逐漸發(fā)展著的地基看作一種特殊地基，即凍土與未凍土是具兩種不同彈性特征參數(shù)的兩層土壤(如圖 所示)。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。(5) 雙層地基計算法 1981 和 1983 年，劉鴻緒建議要想求得基底的接觸凍脹應(yīng)力，首先必須了解凍結(jié)鋒面土的凍脹應(yīng)力。(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。ρ 為作用壓力，即凍脹應(yīng)力。為當(dāng)壓力為零時的凍脹率 。 為自由凍脹量。eo 為孔隙比。h 為觀測瞬間凍土層的厚度 。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。表 已被《巖土工程勘測設(shè)計手冊》正式引用。 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準值如表 所示。 圖 圖 為黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院在哈爾濱市郊閻家崗凍土站中四個不同凍脹敏感性場地上進行的法向凍脹力觀測結(jié)果，其中正方形基礎(chǔ)截面積 A = ，凍土厚度為 ，基礎(chǔ)埋深為零。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。另一類為框架錨固法(如圖所示)，將框架錨固在地基深層，用測力測定凍脹過程基礎(chǔ)對框架的最大作用力，為凍脹總力，此法的關(guān)鍵是錨固的穩(wěn)定性框架受力彎曲時梁的剛度要足夠大，使基凍脹變形值限制在預(yù)定范圍內(nèi)?，F(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。應(yīng)該說，這些數(shù)據(jù)是有條件的。C /13MPa 及 39。C/ ， 39。 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)。而 Radd 及 Ocertle 實驗測定的結(jié)果表明，最大凍脹力取決于冷卻面的溫度，他們測得1839。按 Takagi 的抽吸力理論，由式 () 計算，凍脹力為 σ=σ1 一 ρw39。因此約束力愈大，凍脹力也愈大，但凍脹量則變小，直到某一極值將不發(fā)生凍脹，此時的凍脹力稱為最大凍脹力 σmax 。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。3. 水平法向凍脹力 沿著土的凍脹方向、與地表平行并垂直于基礎(chǔ)表面的凍脹力，稱為水平法向凍脹力，其單位面積上的平均值稱為水平法向凍脹應(yīng)力( 所示)。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。土的凍脹應(yīng)力是土在凍結(jié)過程中所表現(xiàn)出的一種力學(xué)性質(zhì)，它與土的其他物理力學(xué)性質(zhì)一樣，是由試驗來獲得的() ，它受土質(zhì)及其有關(guān)的物理性質(zhì)、土中水及其分布情況、土中溫度及其溫度梯度等主要因素的影響。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。實際上包括了兩個內(nèi)容:其一，在基礎(chǔ)底面與凍土接觸面間，由于下臥土層的凍脹而產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力，屬于基礎(chǔ)底面的接觸凍脹應(yīng)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。 由于冰晶增長的方向與熱流的方向一致，因此，凍脹力只能沿?zé)崃鞣较虺霈F(xiàn)。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。在凍結(jié)過程中，此過程不斷循環(huán)，則冰透鏡體在不同位置出現(xiàn)。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。并且在熱力度誘導(dǎo)下，土層中應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，如孔隙水壓力、附加應(yīng)力、冰壓力及有效應(yīng)力的相應(yīng)變化，出現(xiàn)第二凍脹理論所描述的關(guān)于當(dāng)某層土中有效應(yīng)力等于零時出現(xiàn)冰透鏡體現(xiàn)象。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。注意，決不能將凍脹誤解為土中水凍結(jié)時其體積膨脹約9% 所產(chǎn)生的力，這種情況只適用于飽水的封閉系統(tǒng)凍脹時，決不適合凍結(jié)時有外來孔隙水出入的開放系統(tǒng)的凍脹。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。沿著土凍脹方向，且垂直于地表及基礎(chǔ)底面的凍脹力，稱為垂直法向凍脹力，單位面積上的垂直法向凍脹力稱為垂直法向凍脹應(yīng)力( 中所示)。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?；A(chǔ)接觸凍脹力，只有通過對基礎(chǔ)底面以下持力層范圍之內(nèi)的應(yīng)力分布形狀和大小的分析與計算才可得到解決，它屬于凍土地基的計算問題，不僅受土的凍脹應(yīng)力影響，還受基礎(chǔ)的幾何形狀、底面尺寸、基礎(chǔ)埋深以及凍結(jié)深度等因素的影響。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。與法向凍脹力一樣， r 也受控于土質(zhì)、水分及溫度等條件，也與基礎(chǔ)變形受束縛程度及基礎(chǔ)材料與粗糙度等有關(guān)，可以通過實地試驗求得，也可通過經(jīng)驗公式計算得到。 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。二、垂直法向凍脹力1. 實驗測定在開放系統(tǒng)中，凍脹力是克服約束力、擴大土顆粒相互間隙的平均力。若按毛細吸水原動力理論，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。 式中， σ1 為約束力，Pw 為孔隙水壓力。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 ()] ，并且認為 σu 與土質(zhì)無關(guān)。對于標準砂、七尾粉土、根岸粉土及組橋新土，其臨界溫度與極限凍脹力分別為:一 39。C/3 隊在Pa ，一 39。C /35MPa以上是在實驗室里完全受限制的條件下測得的。為工程實用目的，進行現(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。但此法的實比較麻煩。 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。為我國各類規(guī)范的制定提供了大量實測資料。四個場地的凍脹率分別為平 % 、和= % 、 7}3 = % 及加 =% 。 黑龍江省水利廳《水利涵閘工程抗凍技術(shù)》叢書中，根據(jù)黑龍江省水利科學(xué)研究所的實測數(shù)據(jù)，并綜合分析國內(nèi)外資料，得到在全約束條件下、不同面積載板、在不同凍脹性土地基上可能產(chǎn)生的法向凍脹力極值(如表 ) 。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=。(2) 10. T. KYJIHKOB 法 在首先假定基礎(chǔ)是不動的，土壤凍結(jié)膨脹時，只能壓密下部未凍土層，即自由凍脹量于持力層的壓縮量的條件下，得出了一個凍結(jié)界面上的法向凍脹應(yīng)力的計算公式:式中， ρ 為土的容重 。p 為產(chǎn)生下沉的壓力，即法向凍脹力。電為壓縮系數(shù) 。(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。α 為土壤類型的常數(shù)(負值) 。 11 為在壓力 ρ 時的凍脹率。 上述這些計算方法，都是利用了凍土的某一特征來建立關(guān)系進行計算的。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。 劉鴻緒的這個新的計算方法，就是用雙層地基的計算理論來解決季節(jié)凍土地區(qū)的法凍脹力問題。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。本計算只適用于季節(jié)性凍土地區(qū)，而年凍土地區(qū)屬三層地基問題。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))。因為介質(zhì)中的任何一點沒有變形增量(在無約束條件時) ，就不會產(chǎn)生力的增量，沒有力的增量也就不能引起力的重新分布。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)。但是凡是達不到雙層地基應(yīng)力狀態(tài)的這種地基土，對建筑物一點危害都沒有，計算凍脹力的必要性不大。 雙層地基中的上層是凍土層，凍土的彈性模量與很多因素有關(guān)，當(dāng)其他條件一定時，土的負溫度就成了主要的影響因素，溫度越低，彈性模量越大。另外，凍層越薄，則溫度梯度越大凍層越厚溫度梯度越小，所以沿整個凍結(jié)深度的平均溫度梯度是凍結(jié)深度或時間的函數(shù)，大致到 1 月下旬，凍深在 左右時溫度梯度為 39。其中 h 為計算瞬時自基礎(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的豎向坐標值。 凍土的彈性模量與溫度的關(guān)系，參照 . 且，OKY 咀eB 等及原中國科學(xué)院蘭州