【正文】 N ，總凍脹力為 20920N ，小于外荷載，故穩(wěn)定。四、水平凍脹力上面已經(jīng)闡述過，冰晶沿?zé)崃鞣较蛟鲩L，故凍脹應(yīng)力亦沿?zé)崃鞣较虬l(fā)育。我國在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行過實(shí)體工程水平凍脹力的觀測(cè)試驗(yàn)工作不少，如鐵道部科學(xué)研究院西北研究所、黑龍江省水利科學(xué)研究所、吉林省水利科學(xué)研究所與水電部松遼水利委員會(huì)和東北勘察設(shè)計(jì)院科研所、黑龍江省水利勘察設(shè)計(jì)院與黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院、中國科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所等單位取得了許多實(shí)用數(shù)據(jù)，為我國凍土區(qū)支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。1. 多年凍土區(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)觀測(cè)(1) 實(shí)體試驗(yàn)工程概況水平凍脹力是作用于凍土支擋建筑物上的主要力系，它較之庫侖壓力要大幾倍甚至十幾倍() 。為了研究上述問題，在青藏高原多年凍土區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)條件下，進(jìn)行了實(shí)體擋墻和模型擋墻實(shí)驗(yàn)觀測(cè)(丁靖康， 1983a) 。模型擋墻為層疊式分層鋼筋混凝土擋墻，每層高 、 、長3m ，墻后填土為細(xì)顆粒土。從圖 可以看出，在凍結(jié)初期，由于土溫降低，土體冷卻收縮，土壓力減小，L 型擋墻墻體向后產(chǎn)生變位(位移為負(fù)值)。在這段時(shí)間里，地面由凍融交替過渡到穩(wěn)定凍結(jié)。墻體在水平凍脹力作用下向前變位(位移為正值)。在這段時(shí)間里，水平凍脹力隨著凍深增加而穩(wěn)步上升。 C 點(diǎn)至o d 點(diǎn)曲線變緩，說明水平凍脹力的增長與水平凍脹力的松弛基本上處于平衡狀態(tài)，這時(shí)水平凍脹力達(dá)最大值。經(jīng)三年觀測(cè)，得出了完全類似的曲線。從圖 可以看出，隨著穩(wěn)定凍結(jié)的出現(xiàn)，水平凍脹力產(chǎn)生。 12 月底至次年 1 月中旬，凍土溫度雖有降低，但水平凍脹力的松弛和增長趨勢(shì)大體平衡，曲線作幅度不大的擺動(dòng)從上面的分析可以看出，水平凍脹力和土壓力的作用是不同步的。在土壓力作用時(shí)，水平凍脹力等于零(3) 水平凍脹力沿深度分布及其主要影響因素 水平凍脹力沿墻背側(cè)面的分布是不均勻的。從圖 和圖 可以看出，作用于墻背側(cè)面的水平凍脹力主要分布在擋墻中部和下部。而最大水平凍脹力的出現(xiàn)位置，墻背后充填細(xì)顆粒土和粗顆粒土?xí)兴煌?，?xì)顆粒土的最大水平凍脹力出現(xiàn)在擋墻墻背側(cè)面的中部和中下部，而粗顆粒土的最大水平凍脹力則出現(xiàn)在擋墻墻背側(cè)面的下部。圖 是模型墻墻背側(cè)的溫度分布曲線。在墻背側(cè)中部，等溫線與墻面近于平行，說明中部土體近于一維凍結(jié)。而墻背側(cè)面下部(墻前為地面位置以下)的土體，在凍結(jié)過程中，散熱條件差，從而凍結(jié)速度最慢。另一方面，墻背側(cè)填土中水分在重力作用下向下遷移，而形成墻背側(cè)上部含水少，中部、下部含水量多的水分分布規(guī)律() 。而粗顆粒土則與此相反，在凍結(jié)過程中水分離開凍結(jié)鋒面向深部遷移，從而使凍結(jié)鋒面土體含水量減小。其二是決定墻體可變形性的因素。第二類因素主要是墻體的結(jié)構(gòu)類型和截面尺寸等。在邊界條件相同時(shí)，細(xì)顆粒土的凍脹敏感性較粗顆粒土的大，所以，細(xì)顆粒填土產(chǎn)生的水平凍脹力較粗顆粒填土的大。圖 中水平凍脹力分布曲線還反映了土體含水量對(duì)水平凍脹力的影響。 水平凍脹力隨溫度降低而增大。墻體可變形性的大小表現(xiàn)在對(duì)凍脹變形的阻礙作用大小。反之，產(chǎn)生的水平凍脹力就越大。根據(jù)粗顆粒填土和細(xì)顆粒填土最大水平凍脹力的分布位置不同，可將水平凍脹力的計(jì)算圖式簡化成不同的三角形(圖 ) 。對(duì)于細(xì)顆粒填土，應(yīng)視擋墻基礎(chǔ)埋置情況分別采用圖 或 b 的分布圖式。（5) 水平凍脹力的實(shí)測(cè)值及按圖 的計(jì)算值表 列出了用層疊式模型擋墻所測(cè)得的水平凍脹力值。從上兩表列數(shù)值可以看出，對(duì)于飽和礫石填土，其最大水平凍脹力為 X 105pa ，對(duì)于含水量接近于流限的細(xì)顆粒填土，其最大水平凍脹力為 X 105Pao細(xì)顆粒填土的最大水平凍脹力是用模型墻測(cè)得的， 左右，而一般擋土墻的變形總大于此值。所以細(xì)顆粒土的最大水平凍脹力上限值取 是適宜的。% ，考慮粗顆粒土中粉薪粒含量的可能上限值，取粗顆粒填土的最大水平凍脹力為1 X 105Pa 是適宜的。由于水平凍脹力比融土的主動(dòng)土壓力大數(shù)倍至十幾倍，以及墻后壓強(qiáng)分布型式的不同，僅按主動(dòng)土壓力設(shè)計(jì)的擋土墻常遭到破壞。 1982~1987 年，黑龍江省水利科學(xué)研究所在哈爾濱萬家土試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了分層水平凍脹力(隋鐵齡、那文杰， 1989。由歷年實(shí)測(cè)水平凍脹力壓強(qiáng)分布圖形可知，壓強(qiáng)分布圖在時(shí)間和空間上是動(dòng)態(tài)變化的。(2) 試驗(yàn)場(chǎng)自然條件哈爾濱試驗(yàn)站地理位置為 4504339。 47E 。C ，最低氣溫可達(dá)丁 39。凍土試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)地勢(shì)平坦，土質(zhì)分布較均勻。影響擋土墻水平凍脹力的場(chǎng)地自然特征值見表 。再將歷年水平凍脹力最大壓強(qiáng)分布圖做折線型外包絡(luò)圖，最后得出細(xì)顆粒填土全約束擋土墻水平凍脹力最大壓強(qiáng)分布圖(圖 ) 。所以用平行墻體方向直線連接。外露墻高底部的壓強(qiáng)約占最大值的D. 擋土墻背側(cè)水平凍脹力沿墻高方向的相對(duì)比例是:當(dāng)相對(duì)墻高為 時(shí)，值比例為 。 相對(duì)墻高 ~ 。在墻高 ~ 范圍的b 及 C 點(diǎn)按表 選取最大力值 σhmax。 墻基最大凍深處 e 點(diǎn)的力值等于零。全約束擋土墻背側(cè)水平凍脹力壓強(qiáng)圖(圖 ) ，反映了水平凍脹力時(shí)空變化的規(guī)律。修正的方法是將每年各月選定的最大壓強(qiáng)圖與實(shí)測(cè)壓強(qiáng)圖對(duì)比。按修正壓強(qiáng)系數(shù)計(jì)算平均壓強(qiáng)檢驗(yàn)誤差，計(jì)算精度在 89%~100% 左右，平均誤差為 5% 。壓強(qiáng)修正系數(shù)及誤差檢驗(yàn)計(jì)算見表 。為了尋找防止凍害、經(jīng)濟(jì)的新型水工建筑支擋結(jié)構(gòu)，吉林省水利科學(xué)研究所于 1980年開始做部分室內(nèi)試驗(yàn)及前期工作。墻高均為 4m①圖 為東阿拉錨定板擋墻(即進(jìn)水池?fù)鯄? ，試驗(yàn)表明。(2)東風(fēng)水庫擋土墻黑龍江省水利勘察設(shè)計(jì)院和黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院于 19791981 年，在黑龍江省巴彥縣東風(fēng)水庫對(duì)擋土墻水平凍脹力進(jìn)行了實(shí)地測(cè)定，其水平凍脹力沿墻背側(cè)的分布如圖 所示。從該表中可以看出最大水平凍脹力隨土凍脹率的變化趨勢(shì)。但絕大多數(shù)的工業(yè)與民用建筑物在寒冷季節(jié)都是采暖的，采暖條件下作用在外墻基礎(chǔ)上凍脹力的大小和計(jì)算問題，尚無人系統(tǒng)研究。1. 試驗(yàn)概況閻家崗凍土站位于哈爾濱市西南三十公里的市郊，地貌單元屬于松花江一級(jí)階地，地層的上部由上更新世沖積、沖積和湖沼沉積物組成，地勢(shì)較平坦。 ， ，一般凍脹率在20% 以上，屬 VI 類強(qiáng)凍脹土中較強(qiáng)者，其土的物理力指標(biāo)見表 ，為亞勃土。根據(jù)使用要求，房屋隔成值班室、宿舍、辦公室和試驗(yàn)室四個(gè)房間。試驗(yàn)基礎(chǔ) 20 、22 系獨(dú)立基礎(chǔ)，基底面積為 100cm x 100cm，埋深 50cm ，有50cm 的砂墊層，試驗(yàn)基礎(chǔ) 21 為 1m 長的條形基礎(chǔ)，埋深為 50cm ，有50cm 厚的砂墊層，基底寬度60m二基礎(chǔ)兩端的地基土各挖一道寬 25~30cm 的溝，其中填滿中、粗砂，深度為 溝向室外延伸 ，溝寬兩側(cè)襯以油紙，見圖 驗(yàn)基礎(chǔ) 21 為 1m 長的條形基礎(chǔ)，埋深為 50cm ，有50cm 厚的砂墊層，基底寬度為60cm二基礎(chǔ)兩端的地基土各挖一道寬 25~30cm 的溝，其中填滿中、粗砂，深度為 ，該溝向室外延伸 ，溝寬兩側(cè)襯以油紙，見圖 試驗(yàn)基礎(chǔ) 23 為一直徑 40cm ， 的灌注樁，見圖 。基礎(chǔ) 21 觀測(cè)結(jié)果見圖 ，其中基礎(chǔ)13為對(duì)比基礎(chǔ)?；A(chǔ) 23 的觀測(cè)結(jié)果見圖 ，其中基礎(chǔ)儼為對(duì)比基礎(chǔ)?；A(chǔ)13 與基礎(chǔ) 21 比較，凍脹力大了約 3 倍。由此可得出一個(gè)結(jié)論:在房屋采暖情況中，基礎(chǔ)所受到的凍脹力遠(yuǎn)比非采暖條件下自然場(chǎng)地基礎(chǔ)的凍脹力小，也不只是相差一個(gè)采暖對(duì)凍深的響系數(shù) ~ 的問題。圖 中基礎(chǔ) 23 凍脹力比基礎(chǔ)圳小很多，其中原因之一是它處在向陽一側(cè)，從兩組熱電偶 118 位置處的凍深曲線可見，樁基內(nèi)外兩側(cè)的最大凍深在 50~80cm 之間，平均凍深線為 60cm 。從表 看到，采暖期間三年來的平均室溫逐年下降，主要是由于采暖鍋爐受水垢影響使散熱效率降低，以及屋面漏雨、墻壁潮濕、保溫性能降低所致由圖 可知，基礎(chǔ) 21 中單位長度條基的凍脹力為 43kN/m ，一般單層房屋的結(jié)構(gòu)自重不足以平衡該力值，但對(duì)兩磚厚度外墻開窗不多的二層樓房是無問題的，這就是在正常使用條件下二層以上樓房很少或不出現(xiàn)凍害事故的原因眾所周知，防凍害的有效措施之一是采用獨(dú)立基礎(chǔ)(樁基或墩基)代替條形基礎(chǔ)，本試驗(yàn)驗(yàn)證了其合理性。按建筑物開間 ~ 計(jì)算，墩基的間距為 ~ ，墩基上的結(jié)構(gòu)自重比條基的大 ~，單層房屋的結(jié)構(gòu)自重起碼在 50kN 以上，基本能平衡地基土的凍脹力，使用樁基更為有利。按采暖設(shè)計(jì)的建筑物在遇到跨年度施工或使用中因特殊情況而隔年采暖時(shí)，必須采取有效措施或?qū)Φ鼗馏w保溫以消除凍脹，否則，其凍脹力將成倍增長，在實(shí)際工程中由于這方面原因釀成的教訓(xùn)是不少的。如圖 所其中陰墻角皿(凹角)下不僅基礎(chǔ)處的凍 深值小，而且其四周的地基土只有 1/4 (室外部分)的土凍結(jié)能產(chǎn)生凍脹力。(2) 外墻基礎(chǔ)凍脹力計(jì)算 采暖房屋外墻基礎(chǔ)的凍脹力，按下式計(jì)算(適用于樁基和埋深小于計(jì)算凍深的淺基礎(chǔ)，并且淺基礎(chǔ)的切向凍脹力要采取措施加以消除)式中， Ph 為采暖房屋基礎(chǔ)的凍脹力， 10kN。mp 為房間熱狀態(tài)對(duì)凍土平面分布的影響系數(shù)[按下列取值: 1 (凸墻角) mp =。 皿(凹?jí)? m p = 0 .25 ] 。mv 為房間熱狀態(tài)對(duì)凍層垂直向的影響系數(shù) 。H 為基礎(chǔ)的埋置深度 (m)。六、冰壓力模型試驗(yàn)1. 模型試驗(yàn) 寒冷地區(qū)隧道中經(jīng)常出現(xiàn)凍害，甚至隧道壁上出現(xiàn)漏水掛冰，道上形成冰椎，而影響車輛交通。因此，在冰壓力的模型試驗(yàn)中，采用封閉系統(tǒng)、有側(cè)限的試驗(yàn)條件，在給定荷載(即上壓力)下進(jìn)行凍結(jié)，測(cè)定其變形過程，求得在不同水層厚度、壓力下的相應(yīng)凍脹變形，研究分析在封閉系統(tǒng)中凍結(jié)時(shí)，相應(yīng)于不同水層厚度及襯砌可能出現(xiàn)最大變形時(shí)的冰膨脹力 O 然后，根據(jù)襯砌可能產(chǎn)生的位移，求得水變成冰時(shí)的膨脹壓力，作為隧道襯砌設(shè)計(jì)時(shí)附加荷載(王雅卿等， 1995) 。內(nèi)裝預(yù)定厚度的水體，由橡皮板密封，上覆蓋制冷壓頭，由高精度( :℃1)制冷循環(huán)液控制壓頭冷卻過程，使圓柱體內(nèi)水體逐漸凍結(jié)成冰。水體厚度 B 分別為 19mm~ 、 及 ，水體截面面積95cm1。C左右降至一 1439。C后出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，試樣四周包圍絕熱材料，保持其單向凍結(jié)，由百分位移傳感器量測(cè)凍脹變形。如將水體的厚度分為三組，即 I 組， B = 19rnm。其遞減速度隨水膜加厚有所遞增。不過，式 () 的物理意義非常明確，即在無附加荷載作用下水體凍結(jié)時(shí)體積膨脹量最大?？梢?，式 () 的另一含義為水體凍結(jié)并限制其膨脹變形量為 時(shí)，冰體產(chǎn)生的膨脹壓力為 p 。 為襯砌允許變形量， rnm。由式 () 得到冰壓力計(jì)算式子為式 () 和式 () 在其試驗(yàn)范圍內(nèi)計(jì)算結(jié)果非常接近，系一維凍結(jié)時(shí)冰壓力的計(jì)算公式?？梢苑奖愕馗鶕?jù)可能的水膜厚度 B、 ，求出相應(yīng)的水體結(jié)冰時(shí)對(duì)襯砌產(chǎn)生的附加冰