荷载与结构设计原理 (4)

第四节冻胀力

1、有关冻土的基本概念

2、土的冻胀原理

3、冻胀力的计算

1、冻土的概念、性质及与结构物的关系

冻土的概念：具有负温度或零温度，其中含有冰，且胶结着松散固体颗粒的土。含有水的松散岩石和土体，当温度降低到0°C和0°C 以下时，土中孔隙水便冻结成冰，且伴随着析冰（晶）体的产生，胶结了土的颗粒。

冻土的基本成分：固态的土颗粒、冰、液态水、气体和水汽。

1、冻土的概念、性质及与结构物的关系

冻土是一种复杂的多相天然复合体，结构构造上也是一种非均质、各相异性的多孔介质。其中，冰与土颗粒之间的胶结程度及其性质是评价冻土性质的重要因素。当冻土被作为结构物的地基或材料时，冻土的含冰量及其所处的物理状态尤为重要。土体的冻胀及其特性既受到土颗粒大小的影响，也受到土颗粒外形的影响。

1、冻土的概念、性质及与结构物的关系

冻土的分类(按冻结状态持续时间长短分)

1)多年冻土（或称永冻土）——冻结状态持续三年以上的土层；

2)季节冻土——每年冬季冻结，夏季全部融化的土层；

3)瞬时冻土——冬季冻结状态仅持续几个小时至数日的土层；

每年冬季冻结，夏季融化的地表（浅层土体），在多年冻土地区称之为季节融化层；在季节冻土地区称之为季节冻结层（即季节冻土层）。

1、冻土的概念、性质及与结构物的关系

✓冻土抵抗外力的强度提高；

✓季节冻土与结构物的关系非常密切，在季节冻土地区修建的结构物由于土的冻胀的作用而造成各种不同程度的冻胀破坏。

主要表现在冬季低温时结构物开裂、断裂，严重者造成结构物倾覆等；春融期间地基沉降，对结构产生形变作用的附加荷载。

第四节冻胀力

2、土的冻胀原理

土冻胀三要素：水分、土质、负温度，即土中含有足够的水分；水成冰后能导致土颗粒发生位移；有能够使水变成冰的负温度。 水分由下部土体向冻结锋面迁移，使在冻结面上形成了冰夹层和冰透镜体，导致冻层膨胀，地层隆起。

含水量越大，地下水位越高，冻胀程度越大。

土体冻结时，土颗粒之间相互隔离，产生位移，使土体体积产生不均匀膨胀。

第四节冻胀力

2、土的冻胀原理

在封闭体系中，由于冻土体积膨胀产生向四面扩张的内应力，这个力称为冻胀力，冻胀力随着土体温度的变化而变化。

在开放体系中，分凝冰的劈裂作用，使地下水源源不断的补给孔隙水而侵入到土颗粒中间，使土颗粒被迫移动而产生冻胀力。当冻胀力使土颗粒扩展受到束缚时这种反束缚的冻胀力就表现出来。。

第四节冻胀力

2、土的冻胀原理

当冻胀力达到一定界限时，就不再产生冻胀，这时的冻胀力就是最大冻胀力

建筑在冻胀土上的结构物，使地基土的冻胀变形受到约束，使得地基土的冻结条件发生改变，进而改变着基础周围土体温度，并且将外部荷载传递到地基土中改变地基土冻结时的束缚力。地基土冻结时产生的冻胀力将反映在对结构物的作用上，引起结构物

第四节

冻胀力

3、冻胀力的计算 ①切向冻胀力;②法向冻胀力;

③水平向冻胀力。切向冻胀力

法向冻胀力水平冻胀力

切向冻胀力

水平冻胀力

第四节冻胀力

（1）切向冻胀力的计算

(kPa) 《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)单位切向冻胀力σ

τ

冻胀性分类

弱冻胀冻胀强冻胀特强冻胀土类

粘性土，粉土30~6060~8080~120120~150砂土，砾（碎）石(粒,

粉粒含量>15%)<1020~3040~8090~200

第四节冻胀力（2）法向冻胀力的计算

式中σ

—法向冻胀力(kPa)；

n0

h—冻胀量(cm) ；

H—冻结深度(cm)；

E—冻土的弹性模量(kPa) 。

第四节冻胀力（3）水平冻胀力的计算

细粒土：100 ~ 150 kPa

粗粒土：50 ~ 100 kPa