斜面基礎在基礎防止切向凍脹力中的應用

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.泰來農場水務局,黑龍江泰來 162414)

降低或消除切向凍脹力的措施很多,諸如:基側保溫法、基側換土法、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錨固法等等。這些方法中有的不太經濟,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

關于其截面為上小下大斜面基礎防切向凍用力的問題早有簡單報導,但都認為它是錨固基礎的一種,即用下部基礎斷面中的擴大部分來阻止切向凍脹力將基礎抬起,類似于帶擴大板的自錨式基礎。國際凍土力學著名學者俄羅斯的B.O.奧爾洛夫教授等人認為基礎斜邊的傾角β僅有 2°～3°即可解決問題。這種作用對將基礎設在凍層之內的淺基礎毫無意義,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,也無法承受由切向凍脹力作用所產生的上拔力。

《建筑地基基礎設計規范》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。從試驗結果上看土與基礎作用的相互關系中,所表現出的并不像上述提及“對切向凍脹力阻止的自錨作用”。基礎穩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埋置在凍脹性土的地基中,斜面基礎的底角為 α,將凍層內的地基土分成 n層,每層的高度為Δh,并認為凍脹只在溫度為零度的凍結界面一次完成,當溫度繼續降低不再膨脹反而出現冷縮。

在冬初當第一層土凍結時,土產生凍脹,并同時出現兩個方向膨脹:沿水平方向膨脹基礎受一水平作用力 H1;垂直向上膨脹基礎受一作用力V1。V1可分解成兩個分力,即沿基礎斜邊 τ12和沿基礎斜邊法線方向的 N12,τ12即是由于土有向上膨脹趨勢對基礎施加的切向凍脹力,V12是由于土有向上膨脹的趨勢基礎斜邊法線方向作用的拉應力。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的切向凍脹力為τ1=τ11+τ12。正應力N1=N11+N12。由于N12為正拉力,它的存在將降低基側受到的正壓力數值。當凍結界面發展到第二層土時,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,使第一層土對基側的切向凍脹力增加至 τ1=τ11+τ12+τ22,而且凍結第二層土時第一層土所處位置的土溫又有所降低,土在產生水平凍脹后出現冷縮,令凍土層的冷縮拉力為Nc,此時正壓力為N1=N11-N12-Nc。當凍層發展到第三層土時,第一、二層重又出現一次上述現象。

圖1 斜面基礎基側受力分布圖

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

應該說明的是在凍脹土層范圍之內的基礎擴大部分根本起不到錨固作用,因在上層凍脹時基礎下部所出現的錨固力,等凍深發展到該層時,隨著該層的凍脹而消失了,只有處在下部未凍土中基礎的擴大部分才起錨固作用,但我們所說的淺埋基礎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)樁基礎的多年觀測。觀測結果表明,當 β角大于等于9°時,基礎即是穩定的,見圖 2。基礎穩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的試驗結果。

圖2 斜面基礎的抗凍拔試驗

圖3 斜面基礎的防凍脹試驗

4 斜面基礎防切向凍脹的特點

1)在凍脹作用下基礎受力明確,技術可靠。當其傾斜角β大于等于 9°時,將不會出現因切向凍脹力作用而導致的凍害事故發生。

2)不但可以在地下水位之上,也可在地下水位之下應用。

3)耐久性好,在反復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。

該種基礎施工時較常規基礎相比稍有麻煩,當基礎側面較粗糙時,可用水泥砂漿將基礎側面抹平。

5 斜面基礎最小埋深計算與一般樁、墩基礎穩定計算的比較

1)季節性凍土地基的設計凍深 zd應按下式計算:

式中:zd為設計凍深。若當地有多年實測資料時,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為標準凍深。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。當無實測資料時,按《建筑地基基礎設計規范》附錄 F采用;ψzs為土的類別對凍深的影響系數,按表 5;ψzw為土的凍脹性對凍深的影響系數,按表2;ψze為環境對凍深的影響系數,見表3。

表1 土的類別對凍深的影響系數

表2 土的凍脹性對凍深的影響系數

表3 環境對凍深的影響系數

2)切向凍脹力作用下,樁、墩基礎穩定應按下式計算:

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

3)斜面基礎底面之下允許有一定厚度的凍土層,可用下式計算基礎的最小埋深:

式中:hmax為基礎底面下允許殘留凍土層的最大厚度,按《建筑地基基礎設計規范》G B 50007-2002附錄G.0.2查取。

當有充分依據時,基底下允許殘留凍土層厚度也可根據當地經驗確定。

6 結 論

一般樁、墩基礎以作用于基礎上永久荷載、樁和墩基礎伸入凍脹土層之下地基土所產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生上拔力的基礎必須按計算配置受拉鋼筋,并滿足構造要求。

斜面基礎穩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構等圬工基礎。對凍土層位于地下水位以下,作用于基礎上永久荷載小,例如小河流或渠道上的小型橋梁的重力式橋墩,具有較好的經濟效益;且施工簡便,可以就地取材。

[1] 中華人民共和國城鄉建設環境保護部.G B 50007-2002建筑地基基礎設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.