渠系改造：受切向冻胀力的基础

属于这类的基础主要有桩、墩基础。此外，底板两端的齿墙、截水墙侧面也会受到切向冻胀力的作用。对于桩、墩基础，除非有专门论证，在设计时应取完全约束状态下的切向冻胀力值进行稳定性和强度验算。

（一）切向冻胀力作用下的稳定及强度验算

受切向冻胀力作用的基础稳定及强度验算，按以下步骤进行。

（1）计算总切向冻胀力。基础所受总切向冻胀力T（kN）可按式（5-52）计算。

式中：τ为单位切向冻胀力，kPa，见表5-16；u为冻土层内基础横断面的平均周长，m；Kh为有效冻深系数。

因切向冻胀力并非均匀分布于基础面上，一般最大值出现在下部1/3冻深范围内。切向冻胀力的有效作用面积比实际基础面积要小，因此要采用一个小于或等于1的系数Kh来加以修正，见表5-24。

表5-24　有效冻深系数Kh值

（2）计算基础所受总极限摩阻力Fτ，kN：

式中：0.4为计算基础冻拔稳定时摩阻力系数；fi为冻结层下限以下与基础接触的各融土层对基础侧壁作用的单位极限摩阻力，kPa；hi为冻结层下限以下与基础接触的各土层相应厚度，m；ui为冻结层下限以下与各未冻土层接触的基础横断面的平均周长，m。

（3）核算切向冻胀力作用下的基础抗冻拔稳定。计算式如下：

式中：P为结构的恒荷载（当跨年度施工时，取停工入冬前的最小恒荷载），kN；G为基础自重，水下部分取浮重，kN；ΣF为除P、G、Fτ外基础所受的其他阻拔力，kN，例如冻结层下限以下作用的扩大基础板上的土重、冻胀反力PA等（关于冻胀反力PA的计算见下面的介绍）；Kτ为安全系数，对桩、墩基础，砌筑或架设上部结构之前，Kτ取1.1；砌筑或架设上部结构之后，对静定结构Kτ取1.3。对立板、墙等其他基础允许位移时取1.1，不允许位移时取1.2；mσ为冻胀力衰减系数，按式（5-55）计算。

式中：［S］为沿冻胀力方向的允许基础位移值，cm，对桩、墩基础［S］=0，对板型基础［S］见本节第三部分，对挡土墙［S］见本节第四部分）；h为相应位置地基土的冻胀量，cm。

（4）核算基础的结构强度。按式（5-56）进行：

式中：Gi为最薄弱断面以上的基础自重，kN；Fi为最薄弱断面至冻土层下限间融土与基础侧面的总摩阻力，kN；As为最薄弱断面处的截面积，m2；基础若为钢筋混凝土时，As为纵向受力钢筋横断面积的总和；［σ］为钢筋的允许拉应力，kPa。

（二）受切向冻胀力作用基础的防冻胀破坏措施

当按照式（5-54）和式（5-56）的核算，基础不能满足抗拔稳定或强度要求时，应从削减切向冻胀力和增加基础的锚固力两个方面，选用下述措施之一或它们的综合。

（1）用非冻胀性土置换地基冻胀性土，以消减切向冻胀力，其具体要求是：

1）置换深度。可按照本章第三节第二部分中（二）的要求进行换填设计，也可以按下面的简单方法确定换填深度。地基上的冻胀性属Ⅲ类及以上类别时，宜将全部工程设计冻深范围的土都进行置换；冻胀性为Ⅰ、Ⅱ类时，可按2/3工程设计冻深置换。

2）置换平面范围。应将桩墩周围的冻土进行置换，其平面范围上的置换半径或宽度按式（5-57）确定：

式中：R为以桩纵轴为基准的置换半径，或以墩、立板等中心线为基准的置换宽度，m；d为桩的直径或墩、板等的长度、宽度方向尺寸，m；Hn为置换深度，m。

3）置换用砂砾石质量要求。砂砾石垫层的质量要求、防止细颗粒“污染”砂砾石的措施以及设置排水等问题，可以按照本章第三节第二部分中（四）的介绍进行设计。

（2）减少冻土与基础间的结合力以削减切向冻胀力的措施。冻层范围内的桩、墩、板基础侧表面应尽量平滑、光洁，如用钢筋混凝土预制管作模板，或用钢模浇筑混凝土等；在冻层范围内的基础侧表面包以聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜、沥青玻璃丝布油毡等隔离材料；对冻层范围内的基础侧表面作涂层处理，常用的涂层材料有沥青、环氧树脂、糠醇树脂等；在允许的条件下，减小冻层范围内的基土接触的基础面积；如桩基为圆形时，可以在桩外设置双层油套管，彻底隔离桩基础与冻土的接触，可以有效地防止对桩的冻拔破坏，其构造如图5-15所示。

双层油套管作用原理如下：当地基土冻胀时，上套管（亦称内套管）随之上拔，其下部在下套管（亦称外套管）内移动；当地基土融沉时，上套管可依靠复位盘，逐步复位。在桩与上套管之间和上下套管之间的空隙中填注钙基黄油，用上、中、下三个法兰盘固定的橡胶圈密封。采用双层油套管后，在设计计算中可认为切向冻胀力已被彻底消除；但同时应注意，被隔离段的桩基摩擦承载力也不复存在，在融化条件下核算不应再计算这部分力。

图5-15　双层油套管构造（单位：cm）

1—桩基础；2—上法兰盘3—上层套管；4—复位盘5—中法兰盘；6—下层套管7—下法兰盘；8—密封胶板

双层油套管的各主要部件可用厚度不小于4mm的钢板制作，主要部件包括上法兰盘、上层套管、复位盘、中法兰盘、下层套管和下法兰盘。上法兰盘内径与桩壁间隙为5mm左右，主要作用是与上套管顶部的法兰盘配合固定橡胶密封圈，以密封桩周的黄油。密封圈可用10mm厚橡胶板制成，其内径与桩基滑动摩擦配合。上层套管内径与上法兰盘内径相同，外露高度等于工程设计冻深加40cm。上层套管随地基土的冻胀或融沉沿桩基上拔或下降，保护桩基不受切向冻胀力作用。复位盘焊接在上套管外壁上，用8根φ16钢筋均布拉焊在上套管上，主要作用是靠土融沉时向下的压力帮助已冻拔的上套管复位。中法兰盘与下层套管顶部法兰盘配合，夹紧密封黄油层的橡胶垫圈，内径按与桩滑动摩擦配合确定。下层套管是上、下两端都焊有法兰盘的钢管，内径与上套管外壁有5mm左右间隙，高度等于预计地基最大冻胀量加20cm，其作用是防止上套管冻拔后留下的空隙被基土挤入，保护上层套管的复位。下法兰盘的内径与下套管内径相同，与下层套管底的法兰盘配合，夹紧密封橡胶垫圈。由于它位于融土内，在冻胀反力作用下，可防止外套管冻拔。

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图5-16　扩大式基础示意图

（3）增大基础的锚固力。桩基抗冻拔主要依靠融土对桩的锚固作用，可以采取增加基础的入土深度或在设计冻深以下加大基础断面，使基础受到冻胀反力的作用而保持稳定。加大基础断面的主要形式有：独立扩大式基础、锚固底梁基础、变径桩基础、爆破扩大头桩基础、阶式基础、扩大式墙基础、锚固环式基础等（图5-16），应视具体情况选用。当存在扩大式基础时，冻胀作用将对基础产生冻胀反力，只要基础的强度足够，就可保证基础的稳定而不被冻拔。冻胀反力可按以下的方法计算。

计算冻胀反力时，把总切向冻胀力T简化为作用在桩或墙的中心的集中荷载，利用已有的地基应力的弹性理论公式推导出来，其结果如下。

1）独立扩大式桩基础冻胀反力（参见图5-17）。

图5-17　冻胀反力计算简图

a.当l≤b时，

式中：PA为作用在锚固板上的总冻胀反力，kN；l为锚固板的襟长，m；b为总切向冻胀的作用点至扩大基础板顶面的距离，m。b.按下式计算：

当Kh=1.0时，

当Kh=2/3时，

式中：a为锚固板顶面至地表的距离，m。

b.当b＜l≤2.5b时，

2）扩大式墙基础的冻胀反力。

a.当l≤b时，

式中：T1为作用在单位墙长两侧的总切向冻胀力，kN/m。

b.当b＜l≤3b时，

3）锚固底梁基础的冻胀反力。计算简图见图5-18，以三排桩的底梁为例。

图5-18　锚固底梁的冻胀反力计算简图

a.分别求出中桩、边桩平均计算襟长lm，ls，即

b.按面积把中部和边部底梁化引为圆形，然后分别按式（5-58）或式（5-61）计算每个排桩的冻胀反力，相加后即得整个底梁的总冻胀反力。

4）关于计算冻胀反力的几点说明。

a.非圆形锚固板的独立式扩大基础桩，将方形或其他几何形状的锚固板，按面积化引成圆形锚固板，然后用式（5-58）或式（5-61）计算冻胀反力。

b.扩大式墩台基础按扩大式墙基础考虑，用式（5-62）或式（5-63）计算冻胀反力。

c.锚固环基础和变径桩基础，按独立扩大式桩基础考虑，用式（5-58）或式（5-61）计算冻胀反力。

d.阶式基础也可以用式（5-58）或式（5-61）计算每个阶面上的冻胀反力，然后相加即为整个阶式基础受到的冻胀反力。

e.爆扩桩基础按爆扩大头的平面投影面积，用式（5-58）或式（5-61）计算冻胀反力。