影响挡土墙水平冻胀力值的基本因素

对挡土墙冻胀力而言,影响其力值大小和沿墙高分布形式的主要因素可归纳为:墙后土体双向冻胀状态的形成条件;挡土墙对土体的约束程度;挡土墙后回填土的冻胀性。

图6.11　1986～1987年试验挡土墙温度场零度等温线及冻胀力示意图 (单位:cm)

σ—冻胀力;-t—负气温;στ—切向冻胀力;27/1—日/月;σh—水平冻胀力

1.双向冻结状态对墙土墙水平冻胀力值的影响

挡土墙后土体受垂直墙顶地表、墙体侧向和墙基地表方向负气温影响,墙后土体逐渐冻结。土体冻结线的形状必然是自平行墙顶地表,从单向冻结的直线过渡到趋向与墙体高度方向平行的双向冻结曲线,然后再过渡到与墙基地表相平行的直线。图6.11是1986～1987年试验挡土墙温度场零度等温线及冻胀力示意图。从图6.11中可以看出,各月的零度等温线进程反映了墙后土体冻结的趋势。

由于冻胀力是土体冻胀时产生的内应力,其作用方向垂直于等温线。所以,作用于挡土墙上的水平冻胀力是冻胀力的水平方向分力,即σh=σcosα。因此,挡土墙水平冻胀力值的大小随墙后土体等温线的形状而改变。

挡土墙后土体的双向冻结状态与墙高的关系极为密切。经验证,给出的最大挡土墙水平胀力值与设计取值方法仅限定在外露墙高小于5m 的范围内。

2.墙体约束程度(变形量)对挡土墙水平冻胀力值的影响

冻胀力的物理意义已经非常清楚。只有土体冻胀过程受到物体约束时,冻胀土体对约束体才作用有冻胀力;当土体冻胀不受到物体约束时则没有冻胀力,而宏观上只表现为土体的冻胀。所以,可以认为在土体冻胀过程对约束物体作用的冻胀力与物体的约束程度相当于反比例关系。当冻胀土体全部受到约束 (约束体无变形),对约束物体的冻胀力应为最大值;无约束(约束物体的变形量等于土体的自然冻胀量)的冻胀土体对约束物体的冻胀力应等于零;对于冻胀土体有约束(约束物体有变形)的物体所承受的冻胀力随约束程度而改变。根据冻胀力与变形关系的机理,通过试验和收集国内外各单位的试验成果,整理分析了7组冻胀力与变形试验数据(图6.12),为工程使用安全而选用了最不利的拟合曲线。

其经验计算式为

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图6.12　变形与冻胀力关系曲线

式中 mσ——冻胀力系数,等于半约束状态(有变形)与全约束状态 (无变形)冻胀力之比;

S——变形系数,等于约束物体变形量与土体自然冻胀量h 之比。

对于挡土墙水平冻胀力而言,当已知墙后土体处的自然冻胀量、墙体允许变形量及全约束状态挡土墙最大水平冻胀力值后,则可按上式计算出有变形时的挡土墙水平冻胀力值。

3.土体的冻胀性对挡土墙水平冻胀力值的影响

挡土墙水平冻胀力是土体冻胀受到墙体约束的作用力。所以,土体冻胀的强弱直接关系到挡土墙水平冻胀力值的大小。土的冻胀强弱程度与温度、土质、水分关系极为密切。单一因素影响土体冻胀的强弱程度已在许多论著中做了许多试验研究方面的论述。但从工程实用角度,对多因素综合评价土的冻胀强弱是非常复杂的问题。黑龙江省水利科学研究院在“季节冻土区水工建筑物地基土冻胀性工程分类”研究成果中,收集了国内外数百个受综合因素影响土冻胀量的实测样本。用数据统计方法给出了包括纬度、外荷载、水分、土质等因素在内的半经验冻胀量计算公式,并按直观的冻胀量值给出了水工地基土冻胀性工程分类方法。依此成果可以给出不同冻胀性土对墙体作用的水平冻胀力值。表6.1是依据全约束野外试验挡土墙5年试验数据,经综合分析按地基土冻胀性分类给出的全约束状态挡土墙最大水平冻胀力值。

表6.1　单位水平冻胀力(σh·m)取值表

注 表中数值可内插。

由修建工程地区的自然条件计算或实测土的冻胀量,然后按土的冻胀类别即可从表6.1中查出无变形挡土墙最大水平冻胀力值。