涵闸抗冻结构优化方案

涵闸抗冻结构措施是根据建筑物的使用要求,利用基础或基础与上部结构整体的构造特点、刚度、强度性能以及采用适当的基础结构代替传统的板形基础去抵抗或适应地基土的冻胀作用,来满足建筑物稳定和强度安全条件的一种抗冻害方法。由于寒冷地区建筑物的板形基础工程量大,对建筑物的安全至关重要,因此国内外对平板基础的结构抗冻措施的研究都给予了高度重视,我国和其他一些国家不仅重视引起基础冻害的冻胀力和冻胀量发生、发展规律的研究,而且还总结了一系列行之有效的平板基础抗冻害的结构形式。各国根据各自国情,相应地制订了一些地基基础规范。但是,由于地基冻胀问题的复杂性,工程冻土力学的发展水平远不能适应寒区工程建设的需要。因此,有关平板基础抗冻结构措施,多数还属于一般冻土理论指导下的实际工程经验的总结。显而易见,在运用这些经验解决实际问题时,必然要涉及对冻胀土地基的工程地质特性的正确评价,对建筑物运用条件恰当的分析和工程技术人员针对具体情况,正确选择设计方案,解决实际问题的工作能力。下面介绍一些平板基础结构抗冻措施的类型供实际工程设计参考。

1.加大基础板的结构厚度或砌置深度

加大基础板的结构厚度或砌置深度,减少或消除基础板下地基土的冻结厚度,从而减少或根本消除地基土的法向冻胀力,以满足基础稳定和强度条件。例如软基上重要的大型水闸底板及一些重点工程,可以采用这项措施。

根据我国JTJ024—85 《公路桥涵地基与基础设计规范》的规定,当桥、涵、墩基础位于冻胀地基时,其基底应设置在冻深线以下25cm。为了保证建筑物的安全,必须考虑基础周边切向冻胀力的上抬作用,因此,应用式(5.16)进行验算

式中 P——基础以上的荷载,kN;

G——基础自重,kN;

K——安全系数,对静定结构K=1.1,对超静定结构K=1.3;

S——置于冻胀土层内的基础侧表面面积,m2;

στ——切向冻胀力,kPa,取值见表4.1。

当深基础不能满足切向冻胀力作用下的稳定要求时,可以采用其他消减切向冻胀力的措施。

2.浅(薄)基础板的设计

按允许变形条件设计的建筑物,多采用浅(薄)基础板。采用浅(薄)基础板时允许地基发生一定的冻胀作用,但基础位移要限制在建筑物和底板允许的范围内。基础砌置深度的选择,也要考虑当地设计冻深,地基土的冻胀融沉性,基础材料的热物理性质,基础形式对地基温度场的影响,建筑物荷载对地基土冻胀的抑制作用。此外,还必须考虑建筑物的重要程度及允许变形条件。

(1)根据建筑物的重要程度、使用条件、结构特点确定建筑物允许竖向位移量及不均匀变形系数。由于建筑物种类繁多,运用条件差异很大,这方面的研究工作还不充分,一些资料仅供参考。

前苏联奥尔洛夫等人提出的要求见表5.6、表5.7。

表5.6　建筑物的允许垂直变位

表5.7　建筑物的允许不均匀冻胀变形系数

注 工业与民用建筑物和房屋,其基础d 值按d=1.0m 评价,基础d＞1m 时,表值按基础间的距离长度来增加,条基和整体板式基础可按建筑物跨长增加。

我国研究人员在观测总结不同水工建筑物适应冻胀变形能力的基础上,提出中小型水工板形基础及渠道衬砌板的允许垂直变位及不均匀变形系数,见表5.8。

表5.8　水工建筑物基础与衬砌板允许垂直变位和允许不均匀变形系数

注 1.B:板的最大边长。
2.混凝土强度等级大于C20。

渠系工程抗冻胀设计规范中根据建筑物的使用要求,运用条件,结构特点和建筑物级别等,规定允许部分基础板发生冻胀位移,常用基础板允许垂直位移值 [s]按表5.2查取。

基础下冻土层冻胀量的大小取决于建筑物的重量对地基的约束程度、冻土层厚度、土质和地下水位等条件,对重要工程应由现场试验决定。对一般小型工程可以参阅上述内容或参照某些实例资料进行分析估算。

地基冻胀不均匀系数由下式决定

式中 Δh——两点冻胀量差值,cm,可根据计算求得;

L——两点间距离,cm。

(2)地基融沉对基础稳定及结构强度的影响。地基的冻胀和融沉是两个截然相反的过程,在这两种过程中,地基的物理力学性质不断发生变化,从而影响地基反力的分布,冻结对地基抗压、抗剪强度不断增加、弹性加大。融化时地基的抗压、抗剪强度迅速降低,塑性加大。由于地基在冻胀过程中的水分迁移并形成冰晶体或冰夹层,加大了冻胀层的含水量,破坏了原来的地基结构,在地基上层土体首先开始融化时,多余的水分排不出去,有时融化的地基土甚至呈现塑流状态。还应指出,冻胀和融沉对地基板的作用往往造成相反的应力状态,即某一部位冻胀上抬位移较大,融化下沉位移也较大,在该截面恰好形成相反的弯矩作用。以涵洞为例,冻结时出口部位受洞外负气温影响较大,首先冻胀,从端部上抬基础,而且整个冻结过程一直是两端冻结快、冻深大、冻胀量大,使涵洞承受弯矩作用。融化时,由于端部受正气温影响大,端部地基又首先发生融沉,使涵洞承受负弯矩作用。可见,对允许冻胀位移的建筑物只满足基础的冻胀位移条件是不够的,还必须满足允许融沉位移条件,方能不影响建筑物的运用和结构安全。

(3)边界约束条件对基础板位移的影响。无论是地基冻胀还是融沉过程,由于边界约束的影响,板形基础往往不能自由位移,约束位移的结果会造成基础板的应力集中或不同程度地脱离地基,使基础板结构受力更为复杂。

设计不当会给建筑物造成严重后果,如混凝土路面局部架空后在荷载作用下断裂,水闸底板脱空后地基被水流淘刷等。这一点在浅基设计中必须加以注意,以选择正确的结构方案,采用相应的措施,使上部结构适应基础变形,保证基础板结构不致遭受过大附加应力作用,并保证基础板随地基的冻胀和融沉发生位移。目前,在寒冷地区,常采用以下措施以增强建筑物适应基础变形的能力和提高基础板的抵抗附加应力的能力。

1)采用分离结构。如对混凝土路面及各种衬砌护面结构适当分块,并设置可靠的变形缝;有时也将小型涵闸底板与侧墙进行可靠的分离,使相邻结构不影响底板的位移。

2)加强基础刚度。为防止不均匀冻、融变位引起结构强度破坏,应采取措施增加基础本身的刚度和强度,也可以通过加强基础与上部结构的整体性来实现。如在小型平板基础周边设置加齿墙或在大型平板基础下加做格筋以及反拱底板都是增加基础板自身刚度和强度的有效方法。在结构材料方面,应首先考虑采用钢筋混凝土做基础板,对素混凝土和砌石结构不宜盲目采用。

3)消减基础侧面土体的约束作用。为保证底板与地基同步位移,采用必要的措施消减基础侧面土体对基础位移的约束作用,这方面可采取的措施很多,如在基础侧面涂憎水材料,设置隔层等。从结构方面应将基础侧表面尽量做得光滑,并设一定的正坡以减轻侧面土体的切向冻胀作用和地基融沉时侧面土体对基础位移的阻障作用。

3.锚固基础板

采用深桩利用深层地基的摩擦力或采用短桩,利用冻层以下的大底座的自锚作用防止基础板冻胀上抬的板形基础结构称为锚固基础板。锚固基础板在交通、工业民用建筑及水利工程中都有广泛的应用。如图5.14所示,基础板不仅抵抗冻胀和防止融沉的效果显著,而且将荷载传入地基深层有利于增强软弱地基的承载能力,是冻土地区有发展前途的一种基础结构形式。目前采用较多的锚固方法有深桩、扩大基础、爆扩桩、锚固底梁等。在不允许基础发生冻胀位移而采用深基础只会带来投资增加,施工困难时可以采用锚固基础板。(www.xing528.com)

图5.14　锚固基础板形式

锚固基础板的地基冻胀力一部分与基础板上部荷载、基础自重相平衡,一部分与深层地基摩阻力或扩大底盘的冻胀反力相平衡。对锚固基础除按暖土地基上的同类基础进行常规设计外,还必须进行抗冻胀稳定和结构强度验算,偏于安全。

深桩锚固基础板稳定的安全条件为

式中 P——基础以上荷载,kN;

G——基础板及桩自重,kN;

n——桩的个数;

e——每个桩横截面周长,m;

H——桩入土深度,m;

Hf——与桩冻结在一起的冻土层厚度,m;

f——桩柱侧表面与非冻土层间的摩阻力,无试验资料时黏土采用20kPa,砂性土及碎卵石类土采用30kPa;

G1——基础板底面所受平均最大法向冻胀力,kPa,可根据基础面积、埋深、地基土冻胀性等条件进行取值;

ω——基础板底面与地基接触面积,m2;

ω0——每个桩横截面面积,m2。

为防止桩在冻胀力作用下被拉断,应对承受最大冻胀力断面进行强度验算。最大冻深截面桩柱配筋应满足下式

式中 Ag——纵向受力筋截面积,cm2;

[δg]——钢筋允许拉应力,MPa;

G1——最大冻深以下部分桩体自重,kN。

其余符号意义同前。

为节省钢筋,在冻层下不同深度断面满足强度条件下,可以将受力筋适当截断,在任何中间断面都不宜将钢筋全部截断。

4.扩大底座锚固基础板

基础板稳定的安全条件为

式中 N——扩大底座上的冻胀反力,kN,在基础板不稳定时考虑;

其余符号意义同前。

扩大底座一般在基础板下应力扩散面范围内,此时

式中 K——应力扩散修正系数,扩散范围近似取为0.5倍冻层厚度H;

w1——扩大底座的水平投影总面积,m2;

R——半径;

H——基础下冻深;

a、b——基础边长。

为防止桩在冻胀力作用下被拉断、应对桩截面进行强度验算,桩的配筋应满足

在已知冻胀力和冻胀反力之后,对基础板和底座的抗冻强度验算也就不成问题了,这里不再论述。