斜面基础在基础防止切向冻胀力中的应用

刘修圣,毛文友,朱明阳

(1.黑龙江省引嫩工程管理处,黑龙江安达 151400;2.泰来农场水务局,黑龙江泰来 162414)

降低或消除切向冻胀力的措施很多,诸如:基侧保温法、基侧换土法、改良水土条件法、人工盐渍化法、使土颗粒聚集或分散法、憎水处理法以及基础锚固法等等。这些方法中有的不太经济,有的不能耐久,有的施工不便,还有的会遗留副作用。寻求效果显著、施工简便、造价低廉的防切向冻胀力的措施仍是必要的。

1 概 述

关于其截面为上小下大斜面基础防切向冻用力的问题早有简单报导,但都认为它是锚固基础的一种,即用下部基础断面中的扩大部分来阻止切向冻胀力将基础抬起,类似于带扩大板的自锚式基础。国际冻土力学著名学者俄罗斯的B.O.奥尔洛夫教授等人认为基础斜边的倾角β仅有 2°～3°即可解决问题。这种作用对将基础设在冻层之内的浅基础毫无意义,因它没有伸入冻层之下起锚固作用的部分。再者,没有配置受拉钢筋的一般基础,也无法承受由切向冻胀力作用所产生的上拔力。

《建筑地基基础设计规范》G B 50007-2002编制组在各种不同冻胀率、包括 15%左右的特强冻冻胀土的场地上进行了多种倾斜角多年度的观测试验。从试验结果上看土与基础作用的相互关系中,所表现出的并不像上述提及“对切向冻胀力阻止的自锚作用”。基础稳定的原因不是由于切向冻胀力被下部扩大部分给锚住;而是由于在倾斜表面上出现拉力分量与冷缩分量叠加之后的开裂,切向冻胀力退出工作所造成。

2 理论分析

现分析斜面的受力情况。取一单位长度截面为正梯正形的钢筋混凝土条形基础埋置在冻胀性土的地基中,斜面基础的底角为 α,将冻层内的地基土分成 n层,每层的高度为Δh,并认为冻胀只在温度为零度的冻结界面一次完成,当温度继续降低不再膨胀反而出现冷缩。

在冬初当第一层土冻结时,土产生冻胀,并同时出现两个方向膨胀:沿水平方向膨胀基础受一水平作用力 H1;垂直向上膨胀基础受一作用力V1。V1可分解成两个分力,即沿基础斜边 τ12和沿基础斜边法线方向的 N12,τ12即是由于土有向上膨胀趋势对基础施加的切向冻胀力,V12是由于土有向上膨胀的趋势基础斜边法线方向作用的拉应力。水平冻胀力 H1也可分解成两个分力,其一是τ11,其一是N11,τ11是由于水平冻胀力的作用施加在基础斜边上的切向冻胀力,N11则是由于水平冻胀力作用施加在基础斜边上的正压力(见图 1受力分布图)。此时,第一层土作用于基侧的切向冻胀力为τ1=τ11+τ12。正应力N1=N11+N12。由于N12为正拉力,它的存在将降低基侧受到的正压力数值。当冻结界面发展到第二层土时,除第一层的原受力不变之外又叠加了第二层土冻胀时对第一层的作用。由于第二层土冻胀时受到第一层的约束,使第一层土对基侧的切向冻胀力增加至 τ1=τ11+τ12+τ22,而且冻结第二层土时第一层土所处位置的土温又有所降低,土在产生水平冻胀后出现冷缩,令冻土层的冷缩拉力为Nc,此时正压力为N1=N11-N12-Nc。当冻层发展到第三层土时,第一、二层重又出现一次上述现象。

图1 斜面基础基侧受力分布图

由以上分析可以看出,某层的切向冻胀力随冻深的发展而逐步增加,而该层位置基础斜面上受到的冻胀压应力随冻深的发展数值逐渐变小,当冻深发展到第n层,第一层的切向冻胀力超过基侧与土的冻结强度时,基础便与冻土产生相对位移,切向冻胀力不再增加而下滑,出现卸载现象。N1由一开始冻结产生较大的压应力,当达到一定程度,随着冻深向下发展、土温下降、下层土的冻胀等作用,拉力分量在不断地增长,当达到一定程度,N1由压力变成拉力。所以当达到抗拉强度极限时,基侧与土将开裂,由于冻土的受拉呈脆性破坏,一旦开裂很快沿基侧向下延伸扩展,这一开裂,使基础与基侧土之间产生空隙,切向冻胀力也就不复存在了。

应该说明的是在冻胀土层范围之内的基础扩大部分根本起不到锚固作用,因在上层冻胀时基础下部所出现的锚固力,等冻深发展到该层时,随着该层的冻胀而消失了,只有处在下部未冻土中基础的扩大部分才起锚固作用,但我们所说的浅埋基础根本不存在这一伸入未冻土层中的部分。

3 试验观测

在闫家岗冻土站不同冻胀性土的场地上进行了多组方锥形(截头锥)桩基础的多年观测。观测结果表明,当 β角大于等于9°时,基础即是稳定的,见图 2。基础稳定的原因不是由于切向冻胀力被下部扩大部分给锚住;而是由于在倾斜表面上出现拉力分量与冷缩分量叠加之后的开裂,切向冻胀力退出工作所造成,见图 3的试验结果。

图2 斜面基础的抗冻拔试验

图3 斜面基础的防冻胀试验

4 斜面基础防切向冻胀的特点

1)在冻胀作用下基础受力明确,技术可靠。当其倾斜角β大于等于 9°时,将不会出现因切向冻胀力作用而导致的冻害事故发生。

2)不但可以在地下水位之上,也可在地下水位之下应用。

3)耐久性好,在反复冻融作用下防冻效果不变。

4)不用任何防冻胀材料就可解决切向冻胀问题。

该种基础施工时较常规基础相比稍有麻烦,当基础侧面较粗糙时,可用水泥砂浆将基础侧面抹平。

5 斜面基础最小埋深计算与一般桩、墩基础稳定计算的比较

1)季节性冻土地基的设计冻深 zd应按下式计算:

式中:zd为设计冻深。若当地有多年实测资料时,也可:zd=h1-△z,h1和△z分别为实测冻土层厚度和地表冻胀量;z0为标准冻深。系采用在地表平坦、裸露、城市之外的空旷场地中不少于10 a实测最大冻深的平均值。当无实测资料时,按《建筑地基基础设计规范》附录 F采用;ψzs为土的类别对冻深的影响系数,按表 5;ψzw为土的冻胀性对冻深的影响系数,按表2;ψze为环境对冻深的影响系数,见表3。

表1 土的类别对冻深的影响系数

表2 土的冻胀性对冻深的影响系数

表3 环境对冻深的影响系数

2)切向冻胀力作用下,桩、墩基础稳定应按下式计算:

式中:τdi为第i层土中单位切向冻胀力的设计值(k P a),应按实测资料取用。如缺少试验资料时可按《冻土地区建筑地基基础设计规范》表C.1.1的规定取用,在同一冻胀类别内含水量高者取大值;AτI为与第 i层土冻结在一起的桩侧表面积,m2;Gk为作用于基础上永久荷载的标准值(k N),包括基础自重的部分(砌体、素混凝土基础)或全部(配抗拉钢筋的桩基础),基础在地下水中时取浮重度;n为设计冻深内的土层数;Ra为桩和墩基础伸入冻胀土层之下地基土所产生锚固力的设计值(对素混凝土和砌体结构基础不考虑该力),k N。

3)斜面基础底面之下允许有一定厚度的冻土层,可用下式计算基础的最小埋深:

式中:hmax为基础底面下允许残留冻土层的最大厚度,按《建筑地基基础设计规范》G B 50007-2002附录G.0.2查取。

当有充分依据时,基底下允许残留冻土层厚度也可根据当地经验确定。

6 结 论

一般桩、墩基础以作用于基础上永久荷载、桩和墩基础伸入冻胀土层之下地基土所产生锚固力来抵抗切向冻胀力作用;承受由切向冻胀力作用所产生上拔力的基础必须按计算配置受拉钢筋,并满足构造要求。

斜面基础稳定的原因不是由于切向冻胀力被下部扩大部分给锚住;而是由于在倾斜表面上出现拉力分量与冷缩分量叠加之后的开裂,切向冻胀力退出工作所造成。斜面基础底面之下允许有一定厚度的冻土层,可以采用素混凝土和砌体结构等圬工基础。对冻土层位于地下水位以下,作用于基础上永久荷载小,例如小河流或渠道上的小型桥梁的重力式桥墩,具有较好的经济效益;且施工简便,可以就地取材。

[1] 中华人民共和国城乡建设环境保护部.G B 50007-2002建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.