水平冻胀力的分类方法

国内外论著中对垂直作用于建筑基础或挡土墙墙体水平方向的冻胀力分别称之为基侧法向冻胀力、基侧水平冻胀力、水平冻胀推力、水平冻胀力、冻胀力等。由于对水平方向上冻胀力的物理意义认识不一致,因此造成定义不确切,甚至将作用于基础侧面水平方向的冻胀力值与作用于墙体侧面水平方向的力值混同为同一力值的错误。我们认为要区别水平方向上的不同冻胀力,首先要搞清冻胀力的物理意义,然后才能按其对建筑物或基础的作用方向予以定义。

任何方向的冻胀力都是土体在冻结过程产生冻胀时的内力。在无约束条件时土体的内力所做的功表现为冻胀。当土体冻胀受到物体约束时对约束体作用有冻胀力。冻胀力是一种矢力。力值的大小受土的冻胀性、物体的约束程度和冻结状态影响而不同。冻胀力的方向与土的热交换方向一致。由此可知,人为地将冻胀力按对约束物体作用方向分为不同方向的冻胀力,并不能完全表达冻胀力的物理本质。而如此区分冻胀力从工程应用角度来看,还是具有实用价值的。

水平方向的冻胀力可能是冻胀力在水平方向上的分力,也可能是土体在冻胀过程对水平方向上的挤压应力或二者之和。这主要取决于土的冻结状态。下面我们对水平方向的不同冻胀力按其冻结条件予以分类和定义。

6.2.1.1　单向冻结状态下的水平冻胀力

单向冻结状态是指土体在一维热交换条件下的冻结。在此条件下土的冻结线应垂直于热流方向,即土的冻结线平行地表的单方向冻结。对水平方向的冻胀力可分为两类。

1.基侧水平冻胀力(基侧法向冻胀力)

单向冻结条件下,水平地表面下的建筑物基础,在土体向上的冻胀过程对基础侧面作用的水平方向的挤压应力(不计基础的导热影响)。

该力值小于切向及法向冻胀力。在均匀土质中,此力对称作用于基础四周,一般在工程中不予考虑,见图6.8。

图6.8　水平地面基侧水平冻胀力

1—切向冻胀力;2—基侧水平冻胀力;3—法向冻胀力

图6.9　斜坡地面基侧水平冻胀力分力(www.xing528.com)

στ—总冻胀力;σh—基侧水平冻胀分力;στ—切向冻胀力

2.基侧水平冻胀分力

单向冻结条件下,斜坡地表的建筑物基础,在土的冻胀过程对基侧垂直作用的水平方向冻胀力分。

该力是土体冻胀对基础作用冻胀力的水平方向分力,力值大小与总冻胀力及斜坡角度有关。此力在基础上方对基侧有作用力,而在基础下侧无作用力。因此,是非对称的水平方向冻胀力是造成基础向下游倾斜的主要原因(图6.9)。

此外还有一种情况是单向冻结条件下热流方向与基础斜交时对基侧作用的水平冻胀分力,此力也是非对称的水平冻胀力。例如采暖房屋外墙的基础。

6.2.1.2　双向冻结状态的水平冻胀力(挡土墙水平冻胀力)

挡土墙后的土体,在负气温作用下,不仅从墙顶地表平行向下冻结,而且在垂直挡土墙体的侧面,也同时存在土体与大气进行热交换的过程。负气温同时在两个不同方向对挡土墙后的土体进行热交换而形成的土体冻结形状,称之为双向冻结状态。

图6.10　双向冻结状态的挡墙水平冻胀力

1—冰透晶体;2—冻胀力作用方向;σ—冻胀力;στ—切向冻胀力;σh—挡土墙水平冻胀力

为区分单向冻结状态下的两种水平冻胀力,对挡土墙水平冻胀力可定义为:在双向冻结条件下,墙后土体冻胀过程对墙体垂直作用的水平方向冻胀力(图6.10)。

通过试验研究。我们认识到除土体冻胀性、墙体约束条件外,墙后土体的双向冻结状态,是受到墙顶地表、墙侧方向和墙基地表三个方面热交换的影响。不同的双向冻结状态,对力值的大小及沿墙高的分布规律是不相同的。理想条件下,挡土墙水平冻胀力的最大力值应等于法向冻胀力值;最小力值应等于基侧水平冻胀力值。挡土墙水平冻胀力是非对称的,在挡土墙设计中应作为外荷载进行设计。