斜面基礎(chǔ)在基礎(chǔ)防止切向凍脹力中的應(yīng)用

劉修圣,毛文友,朱明陽

(1.黑龍江省引嫩工程管理處,黑龍江安達 151400;2.泰來農(nóng)場水務(wù)局,黑龍江泰來 162414)

降低或消除切向凍脹力的措施很多,諸如:基側(cè)保溫法、基側(cè)換土法、改良水土條件法、人工鹽漬化法、使土顆粒聚集或分散法、憎水處理法以及基礎(chǔ)錨固法等等。這些方法中有的不太經(jīng)濟,有的不能耐久,有的施工不便,還有的會遺留副作用。尋求效果顯著、施工簡便、造價低廉的防切向凍脹力的措施仍是必要的。

1 概 述

關(guān)于其截面為上小下大斜面基礎(chǔ)防切向凍用力的問題早有簡單報導(dǎo),但都認(rèn)為它是錨固基礎(chǔ)的一種,即用下部基礎(chǔ)斷面中的擴大部分來阻止切向凍脹力將基礎(chǔ)抬起,類似于帶擴大板的自錨式基礎(chǔ)。國際凍土力學(xué)著名學(xué)者俄羅斯的B.O.奧爾洛夫教授等人認(rèn)為基礎(chǔ)斜邊的傾角β僅有 2°～3°即可解決問題。這種作用對將基礎(chǔ)設(shè)在凍層之內(nèi)的淺基礎(chǔ)毫無意義,因它沒有伸入凍層之下起錨固作用的部分。再者,沒有配置受拉鋼筋的一般基礎(chǔ),也無法承受由切向凍脹力作用所產(chǎn)生的上拔力。

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》G B 50007-2002編制組在各種不同凍脹率、包括 15%左右的特強凍凍脹土的場地上進行了多種傾斜角多年度的觀測試驗。從試驗結(jié)果上看土與基礎(chǔ)作用的相互關(guān)系中,所表現(xiàn)出的并不像上述提及“對切向凍脹力阻止的自錨作用”?；A(chǔ)穩(wěn)定的原因不是由于切向凍脹力被下部擴大部分給錨住;而是由于在傾斜表面上出現(xiàn)拉力分量與冷縮分量疊加之后的開裂,切向凍脹力退出工作所造成。

2 理論分析

現(xiàn)分析斜面的受力情況。取一單位長度截面為正梯正形的鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)埋置在凍脹性土的地基中,斜面基礎(chǔ)的底角為 α,將凍層內(nèi)的地基土分成 n層,每層的高度為Δh,并認(rèn)為凍脹只在溫度為零度的凍結(jié)界面一次完成,當(dāng)溫度繼續(xù)降低不再膨脹反而出現(xiàn)冷縮。

在冬初當(dāng)?shù)谝粚油羶鼋Y(jié)時,土產(chǎn)生凍脹,并同時出現(xiàn)兩個方向膨脹:沿水平方向膨脹基礎(chǔ)受一水平作用力 H1;垂直向上膨脹基礎(chǔ)受一作用力V1。V1可分解成兩個分力,即沿基礎(chǔ)斜邊 τ12和沿基礎(chǔ)斜邊法線方向的 N12,τ12即是由于土有向上膨脹趨勢對基礎(chǔ)施加的切向凍脹力,V12是由于土有向上膨脹的趨勢基礎(chǔ)斜邊法線方向作用的拉應(yīng)力。水平凍脹力 H1也可分解成兩個分力,其一是τ11,其一是N11,τ11是由于水平凍脹力的作用施加在基礎(chǔ)斜邊上的切向凍脹力,N11則是由于水平凍脹力作用施加在基礎(chǔ)斜邊上的正壓力(見圖 1受力分布圖)。此時,第一層土作用于基側(cè)的切向凍脹力為τ1=τ11+τ12。正應(yīng)力N1=N11+N12。由于N12為正拉力,它的存在將降低基側(cè)受到的正壓力數(shù)值。當(dāng)凍結(jié)界面發(fā)展到第二層土?xí)r,除第一層的原受力不變之外又疊加了第二層土凍脹時對第一層的作用。由于第二層土凍脹時受到第一層的約束,使第一層土對基側(cè)的切向凍脹力增加至 τ1=τ11+τ12+τ22,而且凍結(jié)第二層土?xí)r第一層土所處位置的土溫又有所降低,土在產(chǎn)生水平凍脹后出現(xiàn)冷縮,令凍土層的冷縮拉力為Nc,此時正壓力為N1=N11-N12-Nc。當(dāng)凍層發(fā)展到第三層土?xí)r,第一、二層重又出現(xiàn)一次上述現(xiàn)象。

圖1 斜面基礎(chǔ)基側(cè)受力分布圖

由以上分析可以看出,某層的切向凍脹力隨凍深的發(fā)展而逐步增加,而該層位置基礎(chǔ)斜面上受到的凍脹壓應(yīng)力隨凍深的發(fā)展數(shù)值逐漸變小,當(dāng)凍深發(fā)展到第n層,第一層的切向凍脹力超過基側(cè)與土的凍結(jié)強度時,基礎(chǔ)便與凍土產(chǎn)生相對位移,切向凍脹力不再增加而下滑,出現(xiàn)卸載現(xiàn)象。N1由一開始凍結(jié)產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力,當(dāng)達到一定程度,隨著凍深向下發(fā)展、土溫下降、下層土的凍脹等作用,拉力分量在不斷地增長,當(dāng)達到一定程度,N1由壓力變成拉力。所以當(dāng)達到抗拉強度極限時,基側(cè)與土將開裂,由于凍土的受拉呈脆性破壞,一旦開裂很快沿基側(cè)向下延伸擴展,這一開裂,使基礎(chǔ)與基側(cè)土之間產(chǎn)生空隙,切向凍脹力也就不復(fù)存在了。

應(yīng)該說明的是在凍脹土層范圍之內(nèi)的基礎(chǔ)擴大部分根本起不到錨固作用,因在上層凍脹時基礎(chǔ)下部所出現(xiàn)的錨固力,等凍深發(fā)展到該層時,隨著該層的凍脹而消失了,只有處在下部未凍土中基礎(chǔ)的擴大部分才起錨固作用,但我們所說的淺埋基礎(chǔ)根本不存在這一伸入未凍土層中的部分。

3 試驗觀測

在閆家崗凍土站不同凍脹性土的場地上進行了多組方錐形(截頭錐)樁基礎(chǔ)的多年觀測。觀測結(jié)果表明,當(dāng) β角大于等于9°時,基礎(chǔ)即是穩(wěn)定的,見圖 2?；A(chǔ)穩(wěn)定的原因不是由于切向凍脹力被下部擴大部分給錨住;而是由于在傾斜表面上出現(xiàn)拉力分量與冷縮分量疊加之后的開裂,切向凍脹力退出工作所造成,見圖 3的試驗結(jié)果。

圖2 斜面基礎(chǔ)的抗凍拔試驗

圖3 斜面基礎(chǔ)的防凍脹試驗

4 斜面基礎(chǔ)防切向凍脹的特點

1)在凍脹作用下基礎(chǔ)受力明確,技術(shù)可靠。當(dāng)其傾斜角β大于等于 9°時,將不會出現(xiàn)因切向凍脹力作用而導(dǎo)致的凍害事故發(fā)生。

2)不但可以在地下水位之上,也可在地下水位之下應(yīng)用。

3)耐久性好,在反復(fù)凍融作用下防凍效果不變。

4)不用任何防凍脹材料就可解決切向凍脹問題。

該種基礎(chǔ)施工時較常規(guī)基礎(chǔ)相比稍有麻煩,當(dāng)基礎(chǔ)側(cè)面較粗糙時,可用水泥砂漿將基礎(chǔ)側(cè)面抹平。

5 斜面基礎(chǔ)最小埋深計算與一般樁、墩基礎(chǔ)穩(wěn)定計算的比較

1)季節(jié)性凍土地基的設(shè)計凍深 zd應(yīng)按下式計算:

式中:zd為設(shè)計凍深。若當(dāng)?shù)赜卸嗄陮崪y資料時,也可:zd=h1-△z,h1和△z分別為實測凍土層厚度和地表凍脹量;z0為標(biāo)準(zhǔn)凍深。系采用在地表平坦、裸露、城市之外的空曠場地中不少于10 a實測最大凍深的平均值。當(dāng)無實測資料時,按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》附錄 F采用;ψzs為土的類別對凍深的影響系數(shù),按表 5;ψzw為土的凍脹性對凍深的影響系數(shù),按表2;ψze為環(huán)境對凍深的影響系數(shù),見表3。

表1 土的類別對凍深的影響系數(shù)

表2 土的凍脹性對凍深的影響系數(shù)

表3 環(huán)境對凍深的影響系數(shù)

2)切向凍脹力作用下,樁、墩基礎(chǔ)穩(wěn)定應(yīng)按下式計算:

式中:τdi為第i層土中單位切向凍脹力的設(shè)計值(k P a),應(yīng)按實測資料取用。如缺少試驗資料時可按《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》表C.1.1的規(guī)定取用,在同一凍脹類別內(nèi)含水量高者取大值;AτI為與第 i層土凍結(jié)在一起的樁側(cè)表面積,m2;Gk為作用于基礎(chǔ)上永久荷載的標(biāo)準(zhǔn)值(k N),包括基礎(chǔ)自重的部分(砌體、素混凝土基礎(chǔ))或全部(配抗拉鋼筋的樁基礎(chǔ)),基礎(chǔ)在地下水中時取浮重度;n為設(shè)計凍深內(nèi)的土層數(shù);Ra為樁和墩基礎(chǔ)伸入凍脹土層之下地基土所產(chǎn)生錨固力的設(shè)計值(對素混凝土和砌體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不考慮該力),k N。

3)斜面基礎(chǔ)底面之下允許有一定厚度的凍土層,可用下式計算基礎(chǔ)的最小埋深:

式中:hmax為基礎(chǔ)底面下允許殘留凍土層的最大厚度,按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》G B 50007-2002附錄G.0.2查取。

當(dāng)有充分依據(jù)時,基底下允許殘留凍土層厚度也可根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗確定。

6 結(jié) 論

一般樁、墩基礎(chǔ)以作用于基礎(chǔ)上永久荷載、樁和墩基礎(chǔ)伸入凍脹土層之下地基土所產(chǎn)生錨固力來抵抗切向凍脹力作用;承受由切向凍脹力作用所產(chǎn)生上拔力的基礎(chǔ)必須按計算配置受拉鋼筋,并滿足構(gòu)造要求。

斜面基礎(chǔ)穩(wěn)定的原因不是由于切向凍脹力被下部擴大部分給錨住;而是由于在傾斜表面上出現(xiàn)拉力分量與冷縮分量疊加之后的開裂,切向凍脹力退出工作所造成。斜面基礎(chǔ)底面之下允許有一定厚度的凍土層,可以采用素混凝土和砌體結(jié)構(gòu)等圬工基礎(chǔ)。對凍土層位于地下水位以下,作用于基礎(chǔ)上永久荷載小,例如小河流或渠道上的小型橋梁的重力式橋墩,具有較好的經(jīng)濟效益;且施工簡便,可以就地取材。

[1] 中華人民共和國城鄉(xiāng)建設(shè)環(huán)境保護部.G B 50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.