【正文】 冰川凍土研究所的有關(guān)試驗(yàn)資料，結(jié)合東北季節(jié)凍土地區(qū)的具體條件，劉鴻緒 (1981 ，1983) 提出了一個(gè)用于秸性土的算式為 E] = Eo + kl 咀= 130 + 430 ()式中， Eo 為 T 在 O39。 T 為土中溫度，以正值代人， 為計(jì)算方便，將 T=(hf z)代入上式后得 E] = 130 + 59(hf z) ()未凍土的變形模量 E2 = 90 (100kPa) ，考慮到凡是凍脹39。泊松比主要取決于內(nèi)摩擦角的大小，在凍結(jié)過程中，由于地基在應(yīng)力作用下已達(dá)到穩(wěn)定，其內(nèi)摩擦角會大些，泊松比就小些。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。到目前為止，關(guān)于考慮彈性模量隨深度變化的雙層地基的計(jì)算，精確的解析方法還解決不了，只能解出彈性模量為常數(shù)的問題，這里用有限元法作的圓形基礎(chǔ)在垂直均布荷重作用下的數(shù)值計(jì)算，屬于近似方法。這種擴(kuò)散的角度是以對比試驗(yàn)為基礎(chǔ)而提出的，就是先在凍前的該地基上做載荷試驗(yàn)，然后當(dāng)凍結(jié)深度達(dá)到要求的某深度后，再做一次同樣的載荷試驗(yàn)，求出破壞時(shí)的壓力比值，再通過換算求出凍土層的壓力擴(kuò)散角，擴(kuò)散角的大小與彈性特征參數(shù) E 的比值有關(guān)，若比值小，擴(kuò)散的角度也小，比值大，擴(kuò)散的角度也大。求凍土層壓力擴(kuò)散角的原位載荷試驗(yàn)，尚未見做過。有關(guān)法向凍脹應(yīng)力與面積關(guān)系的問題。由于地基中的應(yīng)力狀態(tài)不同，使基底的接觸凍脹應(yīng)力也不同。其中， αd 為應(yīng)力系數(shù) 。h1/r 為凍土層厚度與基礎(chǔ)半徑之比。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 。應(yīng)力系數(shù) αd 與 h/r有如圖 曲線所示的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。對直徑為 30cm 和 50cm 圓形基礎(chǔ)板分別在凍前及不同的凍層厚度中進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果列于表 中，同時(shí)給出了凍前單層的應(yīng)力系數(shù)與雙層凍結(jié)界面上的應(yīng)力系數(shù)。 在 50cm 深度處，凍結(jié)前后應(yīng)力系數(shù)的變化由 減少到 ，降低了近 73%地基中在持力層范圍內(nèi)，凍后的應(yīng)力系數(shù)要比凍前的小很多，應(yīng)力減小過程即相當(dāng)于卸荷現(xiàn)象，相應(yīng)地產(chǎn)生回彈變形，而基礎(chǔ)有上抬現(xiàn)象，這種上抬與基土的凍脹上抬是有本質(zhì)區(qū)別的?，F(xiàn)仍以 50cm 的基礎(chǔ)為例，當(dāng)凍土厚度為 25cm 時(shí)，應(yīng)力減小了一半，不但不會出現(xiàn)壓縮反而有回彈上升，如果說建筑物的整體性較好，該基礎(chǔ)的凍脹屬局部性不均勻凍脹，當(dāng)凍脹力超過上部荷載后，隨著凍脹變形的出現(xiàn)，在建筑物中引起內(nèi)力重分布，使該基礎(chǔ)的荷載變大，但是當(dāng)凍脹力加大到原荷載的 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。當(dāng)凍土厚度發(fā)展到 50cm 時(shí)，凍脹合力比基礎(chǔ)原有荷載大 4 倍，凍結(jié)界面上的壓力才與凍前相當(dāng)，凍土厚度繼續(xù)發(fā)展，需有更大的凍脹力才能使凍結(jié)界面上的壓力與凍前相等。利用雙層地基的計(jì)算結(jié)果，可以求出地基中凍結(jié)界面上的垂直凍脹應(yīng)力。這是加拿大學(xué)者 Penner 所做的試驗(yàn):圓形基礎(chǔ)板的直徑為 ，最大凍深為 85cm ， ，% ，相當(dāng)強(qiáng)凍脹性土，試驗(yàn)是用測力計(jì)法得出的。土的凍脹應(yīng)力數(shù)值是法向凍脹力計(jì)算的基本數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)無法計(jì)算，是通過試驗(yàn)提供但由于計(jì)算的配合可簡化試驗(yàn)步驟在其他條件不變的情況下，利用上述凍脹應(yīng)力數(shù)據(jù)可以推算出任何尺寸基礎(chǔ)所受到的凍脹力大小。 劉鴻緒等的研究工作表明，土的凍脹應(yīng)力與士的凍脹率及凍深有密切的函數(shù)關(guān)系，為方便查閱，他們繪制了如圖 土的平均凍脹率與凍脹應(yīng)力關(guān)系曲線。三切向凍脹力 在討論切向凍脹力問題時(shí)，有必要首先研究分析建筑物基礎(chǔ)，特別是樁基在土中的受力情況。 = ~ 年我國的林區(qū)公路工程設(shè)計(jì)規(guī)程也有相同規(guī)定，幾乎所有兄弟單位的論文也執(zhí)行此項(xiàng)規(guī)定，因此樁基的抗凍拔錨固力減少了近半。劉鴻緒指出， ，地基土的受力情況見圖 ，變形和破壞情況見圖 。 ，G)=~τ 時(shí)為圖 ，只有當(dāng)(N + G) ~ r (N + G + ~ j) 時(shí)，不凍土的摩阻力 f 才是向上的(如圖 ) 。(1) 試驗(yàn)測定裝直與圖 土凍脹應(yīng)力測試裝置中的框架錨固系統(tǒng)一樣，只是建筑基礎(chǔ)一般埋深較大，切向凍脹力就作用在基礎(chǔ)側(cè)面?？偭Τ曰鶄?cè)面積，即單位切向凍脹力。鐵道部科學(xué)研究院西北研究所于 1974~1977 年間在青藏高原多年凍土區(qū)風(fēng)火山地區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)觀測，基礎(chǔ)的材料有漿砌片石、木材、鋼材、混凝土等，地基土有砂礫石、礫砂、蒙古砂土及砂蒙古土，在不同基礎(chǔ)埋深下測定切向凍脹力。蒙古性土地基表層凍脹最大，向深部迅速遞減，至多年凍土上限處又略有增大，這是典型的多年凍土區(qū)蒙古性土內(nèi)凍脹沿深度的分布特點(diǎn)。B. 切向凍脹力的發(fā)生與發(fā)展切向凍脹力的產(chǎn)生必須滿足兩個(gè)條件 : 。如果凍結(jié)力不存在，即使地基土出現(xiàn)強(qiáng)烈凍脹，作用于基礎(chǔ)的切向凍脹力也是很小的。圖 為切向凍脹力隨凍結(jié)深度的增長過程線。細(xì)顆粒士在凍結(jié)前期，切向凍脹力隨凍結(jié)深度增加而增大，并達(dá)到最大值。粗顆粒土的切向凍脹力發(fā)展與此不同，在整個(gè)凍結(jié)過程中，切向凍脹力均隨凍深的增加而增大，并且主要在凍結(jié)后期發(fā)展，在凍深達(dá)最大時(shí)，切向凍脹力達(dá)最大值。細(xì)顆粒土在凍結(jié)過程中，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。所以，粗顆粒土的切向凍脹力主要在凍結(jié)后期發(fā)展。對于細(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。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)。另一種是影響基礎(chǔ)表面親水程度和摩擦特性因素。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。含水量對切向凍脹力的影響如圖 。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。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。 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。其中粗顆粒土對于 1 昆凝土基礎(chǔ)的單位切向凍脹力在 X 105Pa 以下。無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。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)。A. 試驗(yàn)場地試驗(yàn)場地共四處 :1一一河漫灘階地之礫石土，多年凍土上限為 左右 。因一風(fēng)火山高臺地，以亞教土為主，~。除 I 場地能見到暫時(shí)性凍結(jié)層上水外，其余各場地都可以認(rèn)為是封閉系統(tǒng)。974~1976 年共進(jìn)行了 97 個(gè)試驗(yàn)樁基的切向凍脹力測定。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。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。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。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。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)。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)過程中產(chǎn)生水分重分布現(xiàn)象。3. 俄國實(shí)測值摘錄 . KHCeJIeB 于 1974 年匯集了俄國 30 多年來的現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果。各試驗(yàn)觀測者所得數(shù)據(jù)歸納于表 中。由此不難看出，要用一地的實(shí)測值應(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，否則無可比性。 于 1974 年提出按土的凍脹等級及冬季地基土的凍深來確定切向凍脹力，如表 。(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》所引用。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)。(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，其中對表面光滑的預(yù)制樁，其單位切向凍脹力要乘以 系數(shù)。 (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 為土溫的絕對值 c 。(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?？蔀樵趬毫?ρ 作用下的凍脹率 。α 為根據(jù)土壤類型不同給出的常數(shù)(負(fù)值)。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) 。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 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)板離開該板任意深度上的應(yīng)力系數(shù)(可用內(nèi)插法)。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 。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。切向凍脹力如果小于凍結(jié)力，則多余的凍結(jié)力對凍脹不起作用。切向凍脹力只要不超過外加荷載就是安全的。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。其計(jì)算過程與結(jié)果見表 。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 5220