非变径桩(柱)抗冻胀计算详解

根据图4.1可以清楚看出,当切向冻胀力小于或等于桩(柱)自重、建筑物上部荷重和下卧融土层与桩(柱)基础表面摩阻力时,桩(柱)不会被冻拔、建筑物是稳定的,即

式中 F——总摩阻力,kN;

K——安全系数,对于静定结构物K=1.1,对超静定结构物K=1.2;

T——总切向冻胀力,kN;

其他符号意义同前。

通过式(4.1)可以判断桩(柱)基础是否能整体上拔,如果满足式 (4.1)的条件,则建筑物是稳定的。但在这里尚需指出,作为各种作用力平衡条件来讲,式 (4.1)是不存在问题的,但是地基土在冻胀过程中,作为桩(柱)基础是受拉构件,其抗拉强度如果不够,桩(柱)会在薄弱环节被拔断,为此还需要进行桩(柱)抗拉强度的验算:

式中 K——安全系数(K=1.1～1.2);

T——总切向冻胀力,kN;

N——建筑物上部荷重,kN;

G——桩(柱)自重,kN;

F——基土与未冻土间的总摩阻力,kN;

Ag——验算截面受拉钢筋总截面,cm2;

[Rg]——钢筋设计拉应力,kPa;

A——桩(柱)横截面面积,cm2;

[σ]——桩(柱)材料的极限抗拉强度,kPa。

对于钢筋混凝土桩(柱)基础,用式(4.1)和式(4.2)进行抗冻胀稳定计算;对于素混凝土或圬工材料的桩(柱)基础,用式(4.1)和式(4.3)进行抗冻胀稳定计算。

在这里应指出两点:一是单位切向冻胀力值的选取;二是融土与桩(柱)表面摩阻力的选取。选取这两个力学指标时,一定要慎重,要根据实际情况尽可能选用的合理。

4.2.1.1　总切向冻胀力T 的计算

式中 στ——单位切向冻胀力,重要工程应根据当地实际条件测得,一般工程可按表4.1选取;

u——基础周边长,cm;

Hm——工程地点实际最大冻深,对于重要工程应实地观测获取,一般工程可采用当地气象台 (站)的多年最大冻深值。无资料时,其最大冻深值可参考JGJ118—98中的“中国季节冻土标准冻深线图”取值。

表4.1　单位切向冻胀力(στ)值

注 1.此表取自SL23—2006 《渠系工程抗冻胀设计规范》。2.表中数值可内插取值。

综合上述,对于非变径桩(柱)基础的切向冻胀力计算公式,可以推演成如下形式:

4.2.1.2　在融土中的桩(柱)表面与地基融土的摩阻力

一般桩(柱)基础的埋深远大于最大冻结深度,为此在最大冻结深度以下(即融土部分)的桩(柱)表面与基土之间的摩阻力是桩(柱)基础建筑物抗冻胀稳定的锚固力。摩阻力的数值与地基土的性质、固结状态、基础材料性质及表面糙度等因素有关。对于重要的工程,摩阻力可根据现场拔桩试验获取,对于一般中小型工程,则可根据JTJ024—85《公路桥涵地基与基础设计规范》中极限摩阻力值表4.2和表4.3选取或根据表4.4选取。

总摩阻力F 可按下式计算:

式中 F——总摩阻力,kPa;

0.35～0.4——摩阻力系数 (压桩时其摩阻力系数为0.5;而拉桩时其摩阻力系数为0.3);

f——最大冻深以下基础接触的各土层对基础侧壁作用的极限摩阻力,kPa(表4.2);

u——融土层范围的基础周边长,cm;

ξ——最大冻深以下基础桩(柱)的长度,cm。

表4.2　沉桩桩周土的极限摩阻力fi

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注 IL为土的液性指数,系按76g平衡锥测定的数值。

表4.3　钻孔桩桩周土的极限摩阻力fi值

注 1.漂石、块石 (含量占40%～50%),粒径一般为300～400mm,可按600kPa采用。
2.砂土可根据密实度选用其大值或小值。
3.圆砾、角砾、碎石和卵石可根据密实度和充填料选用其大值或小值。
4.挖孔桩的极限摩阻力参照本表采用。

表4.4　桩与基土的极限摩阻力　单位:kPa

注 1.对于尚未完成自重固结的填土和以生活垃圾为主的杂填土,不计算其侧阻力。
2.αω为含水比,αω=ω/ωL。
3.对于预制桩,根据土层埋深h,将f 乘以表4.5中修正系数。

表4.5　修正系数表

注 此表数据取自 《土力学与基础工程》,赵明华主编、王贻荪主审,武汉工业大学出版社,ISBN7-5629-1554-7,2000年7月。

4.2.1.3　[例]校核设计的农道桥基础的抗冻胀稳定性

某灌区修一农道桥,桥长24m,孔距6m,采用变径桩基础,基础埋深2m,直径1.2m,地上桩径0.6m。桥面板为预应力钢筋混凝土板,厚度0.25m,宽度1m,桥面宽度5m,桥面板上敷设土层平均厚度为0.3m。底梁为矩形,断面尺寸为0.5m×0.6m。如图4.3和图4.4所示。

在进行冻胀稳定计算前,首先应勘测(或调查了解)该工程地点的水文地质及最大冻深、冻胀量等有关资料。

图4.3　某灌区农道桥纵断面示意图

图4.4　某灌区农道桥横断面示意图

1—填土,平均厚度0.3m;2—桥面板,厚度0.25m,宽度1m;3—横梁,断面尺寸0.5m×0.6m;4—渠底以上钢筋混凝土桩,桩径0.6m;5—渠底地表以下桩,桩径1.2m,埋深2m

经调查该工程地点渠床2m 以上为粉质壤土,2～5m 为中细砂,每年11月初停水,冻前地基土含水量饱和,冻前地下水位40cm,最大冻深1.8m,地表冻胀量25cm。在冻结过程中地下水位基本上与冻结锋面同步下移,地下水位距冻结锋面平均距离约50cm。

根据上述条件,现在可以进行抗冻胀稳定计算,其步骤如下。

1.确定地基土冻胀等级

根据“地基土的冻胀性工程分类表”,可以确定该地基土属Ⅴ级强冻胀土。

2.选定单位切向冻胀力值

根据地基土冻胀等级,查阅“单位切向冻胀力στ值表”,可查得Ⅴ级强冻胀土的单位切向冻胀力στ=150～200kPa,我们选定=150kPa。

3.计算桥梁上部荷载N

桥梁上部荷载N 包括:敷土重N1、桥面板重N2、单板横梁重N3。

已知条件:

(1)敷土湿容重为1.67×104N/m3(1.7g/cm3)。

(2)钢筋混凝土容重为2.45×104N/m3(2.5t/m3)。

(3)单位切向冻胀力为150kPa。

则

于是

4.桩自重G

桩自重包括渠底上部φ60的桩重G1和地面以下变径φ120桩重G2;

5.στ总切向冻向力T

所以该设计的桥梁不满足抗冻要求,必将遭到冻胀上拔破坏。实践证明,该工程经过一个冬季的运行,桥梁已被冻拔。