第一章工程建筑物与多年冻土.doc

第三篇寒区岩土工程学原理第九章工业与民用建筑物9.1建筑物类型及其结构建筑物可分为民用建筑物(住宅房屋和公共建筑物)和工业用建筑物。民用建筑物通常具有承重骨架和承重墙体(图9.1)。承重墙可以顺着建筑物(纵向)布置或横着建筑物(横向)布置。后一方案广泛用于地震地区，以及在正融多年冻土（）地基上的建筑中。工业建筑物通常为单跨或多跨顶蓬(帐蓬式)式结构，骨架厅堂式，露台(挑檐)凉亭(亭台)式和骨架(框架)式结构(图9.2)。房屋建筑物既可以是刚性结构形式也可以是柔性结构形式(库什诺夫()，1961)。所有各类房屋建筑物可具有刚性结构图式，而只有露台(挑檐)亭(台)式的工业用房屋建筑物才可能有柔性结构形式。当采用刚性结构形式时，允许房屋各单元之间有相互位移，当采用柔性结构形式时则在不破坏建筑物稳定性和运行适用性时，允许房屋单元有一定(有限)的变位(位移)。在刚性结构的房屋建筑物中，纵向和横向墙体，通常相对于房屋总(主)轴线作对称布置；墙体内部在其所有长、宽方向上，不允许在平面上交叉、转折；横向承重墙的相互距离不得大于12米，避开局部被削弱作孔槽与沟道的墙体；所有门(窗)、墙洞可能内要简独均匀布置；屋面的拼装单元相互间要连续好，并与墙体与柱之间连接稳妥；设置沉降缝()，加固圈，采用配筋隔墙和棱角形砖石房屋。在柔性结构的房屋建筑物中，应增加承重结构的支承面积(横梁(刚架)、楼板、基础梁(墙脚梁、托梁)等等)；采用刚性水平隔墙式屋面板；为了很好传递水平荷载，柱体应牢固地嵌入基础，设置沉降缝。在刚性结构的房屋建筑物中，沉降缝之间的距离(间距)通常采用42米，对柔性结构的房屋建筑物沉降缝间距采用60米。房屋建筑物的基本结构单元乃是房屋的骨架，墙体、楼板、屋面和基础。骨架 由设置于基础中的柱体和插入柱内的横梁(刚架)或横梁与横梁之间连续在一起的刚架组成。要区分横梁与柱之间是刚性连接或是铰链式连接。房屋骨架由刚筋混凝土或钢材制成。墙体 乃是房屋建筑物的围护结构，在某些情况下同时又是建筑物的承重单元(无骨架式房屋建筑物)，墙沿布置在基础表面的基础梁上。砖、无砂混凝土，陶粒混凝土、多孔(泡沫)混凝土、木材都可作为墙体材料。近几年来还曾采用充填矿物保温材料的铝制壁板。铝制墙体主要在于可以轻便搬动并具有较高的装配性能。楼板 乃是承重和围护结构，安装在住宅或生产用房间，工业用房楼层和通风地下室之上。楼板和承重板敷设于横梁之上，嵌入建筑物柱体式墙体之上。在某些情况下，承重板可与基础横梁同时进行施工，此时承重板嵌到承重墙上。通风地下室之上的楼板与楼层间隔层楼板不同，应具有更强的绝热能力和绝对的不透水(气)性(瓦斯科夫斯基()、什科梁罗夫()，1975)。楼板常由工厂化生产的大型予制板组装而成，同时又是起承重作用的板体和绝热体。由轻混凝土和多孔(泡沫)混凝土(陶粒混凝土、泡沫加气混凝土，加气粉煤灰混凝土)制成的楼板主要应用于民用建筑。在工业建筑物中，特别是当地坪上承受重型荷载时，楼板可以作成单独钢筋混凝土承台结构，在其上再敷设刚性的保温层(泡沫混凝土、矿碴混凝土)，再在其上铺设水泥，混凝土或沥青混凝土地坪。屋面板 (房屋层顶)保证建筑物防护大气降水，而在某些情况下则对顶层房屋起热防护作用。在北方地区，屋顶设计成简单的外形，以不至于阻滞表面积雪(斜倾可达10度)，作成坡度大于60度的两面或四面倾斜式层面或球形屋面。屋顶采用两种结构方案：顶楼(阁楼)式结构和非顶楼式结构。顶楼式屋顶只能防护建筑物上的大气降水，而上层房屋热防护则由屋顶楼板承担。在这种情况下，屋面由承重构件和防水层构成。在非顶楼式结构中，屋面构件和屋顶楼板结合为一个结构，由承重构件、防水层和防热层组成。工业用建筑物照例都是合而为一的屋顶结构。建筑物基础 乃是房屋建筑物的主要结构单元，它将房屋建筑物荷载传递到地基上。基础可分为桩式基础、柱式基础、条形基础和板式基础。桩基础是多年冻土（）分布地区的主要基础类型。在表9.1中列出了典型的桩结构资料，而在表9.2中则给出了桩基础抗冻性和防渗的要求(设计师手册()、地基、基础与地下结构物()，1985)。表9.1桩的标准结构桩截面，厘米，长度，米文件名称柱身带横向配筋和非应力钢筋的全长正方形截面桩20×2025×2530×3035×3540×4036463128161316全俄国家建筑规范()19804.179柱身横向配钢筋和应力钢筋的全长正方形截面桩20×2025×2530×3035×3540×4036463158201320全俄国家建筑规范()19804.2-79柱身无横向钢筋的全长正方形截面桩25×2530×3035312全俄国家建筑规范()19804.4-78圆形空腹的全长正方形截面桩25×2530×3040×40383838全俄国家建筑规范()19804.3-80注：根据全俄国家建筑规范()19804.1-79和19804.3-79桩可承受任何荷载，而据全俄国家建筑规范19404.4-78和19804.3-80桩仅指完全沉入土中的打入桩。要根据桩的工作条件，确定桩的尺寸，为此桩材的强度应平均超出土的强度15%。根据桩上承受荷载情况大致可采用如下桩截面：荷载，千牛顿 3001000 8001600 100012000桩截面，厘米 30×30 35×35 40×40在设计基础时，应力争靠增加桩的沉入深度，以减少桩的数量。承重墙下的桩一般布置成一排，在桩基下则用园形桩。在土体中置桩可以有四种方式(表9.3)。房屋建筑物下的所有桩由整体式承台或拼装式承台将桩组合起来协同工作。承台尺寸在平面上应是30的倍数，高度应是15厘米的倍数。承台要超出桩外缘(轮廓)20厘米。承台的高度应超出为安放柱体所设的墙深40厘米。拼装式承台的混凝土强度标号应不小于200号。整体式承台的混凝土标号采用不小于150，其抗冻性和不透水性(抗渗性)见表9.2中的相应数值。在布置承台时，设计平面(标高)以下应予先留有缝隙，同时作好可靠的排水以消除承台与土体表面表9.2 桩(分子)和桩基承台(分母)的抗冻性与透水性桩的工作条件不同等级房屋建筑物的混凝土设计标号按抗冻性按抗渗性12341234桩上部和承台放在地面以上42422222桩或承台全部放在于地面以下4222注：通长线()表示数值未作规定表9.3 土体中置桩方式置桩方式置桩方式略述应用范围打入桩利用柴油打桩机或振动沉桩直接将桩打入土体中融化砂土和粘性土(大块碎石包裹体含量不超过15%)钻孔打入桩桩打入予先钻好的钻孔中，钻孔直径小于桩截面对角线长度2厘米大块碎石包裹体含量超过20%的塑性冻土，大块碎石包裹体含量大于15%的融化砂土和粘土类土钻孔插入桩桩安装于予先成孔的钻孔中，钻孔直径超过桩截面对角线尺寸5厘米，随后空隙填入石灰-砂泥浆坚硬冻土；大块碎石包裹体含量大于20%的塑性冻土插入桩桩置于蒸汽予融土中且融区尺寸应超过桩截面对角线尺寸两倍大块碎石包裹体含量小于15%的坚硬冻土之间的法向冻胀力对承台的作用。多年冻土上的房屋建筑物，修建在天然地基上时，可同时采用条形基础和柱式基础(指南，1980)通常首先敷设承重墙下基础，然后再敷设柱体下的基础。通常，最用的最多的是用整体钢筋混凝土和拼装钢筋混凝土作基础材料，混凝土(按强度)的标号建议对整体式基础不得小于150号，对拼装式基础不得小于200号，桩基抗冻性和抗渗性标号见表9.2内的相应值。整体式基础之下要予先铺设厚10厘米的致密的50号混凝土垫层。在拼装式基础下可敷设与以上相同厚度(10厘米)的砂垫层。条形基础由(图9.3)包括条形带和基础墙体，后者之上插入房屋建筑物的墙。基础墙体一般不得伸出基础台阶之上15厘米。在北方地区的基础结构中最常采用的是拼装式结构。在拼装式方案中，条带由统一规格的钢筋混凝土板组装而成，而基础墙则由混凝土梁组装。当埋置深度不同的条带底面要从基础一段变到另一段时，要通过台阶实现过渡，台阶的高度与其长度之比，粘性土中采用12，砂土中采用13。柱式基础(图9.3)由柱脚和柱底构成，在拼装式设计方案中，它们与插入的部分用焊接结合起来。而在整体浇注方案中则由钢筋塔接组合在一起。钢筋混凝土柱与基础之间的连接，则藉助于承座和柱的插入部分和柱基焊接在一起(接头用标号不低100号的混凝土填实)。对于钢柱则柱脚利用锚定螺栓支撑(加固)，并用混凝土浇筑于基础中。在坚硬的土体上，柱式基础置于房屋墙体之下。在这种情况下，柱基布置于房屋角落外承重墙的交叉处，同时顺着墙体布置，间距36米；在基础上方再布置基础梁并沿着基础梁砌筑房屋的墙体。低层房屋建筑物(至多两层)下的条形基础或柱式基础常常不埋入土内，而是放在粗骨架材料组成的填土(垫砂)体内或土表面(图9.4)。利用砾、卵石、碎石、砂以及含砾、卵石或碎石的砂混合料，矿井碴场的岩石，以及未遭受化学分解的工业炉碴(矿碴)作垫层材料。垫层上部平面尺寸应与房屋建筑物的外部轮廓尺寸相当，通常约为12米(多年冻土分布地区垫层上房屋建筑物设计施工建议书，1977年)。垫层高出地表面以上的高度通常总大于基础底面宽度的1.5倍。而在按第一原则利用多年冻土作地基时，应与房屋建筑物地基内季节融化深度相当。垫层的坡脚(边坡距)决定于它们的成分：在砾石(卵)石、碎石和碎岩块作成的垫层中为115，砂垫层为11.75；矿碴、炉碴作成的垫层为12。边坡坡面用草皮护坡或散水坡(墙角护坡)加固。垫层广泛应用于木结构房屋结构中，其基础通常起底梁的支承(支座)作用(图9.4)。近年来，在保持地基土于冻结状态的垫层上的房屋施工中曾推广应用空腹式的通风基础，它同时还是一种冷却装置(多年冻土中空腹式通风基础设计建议书，1985)。通风基础自身为-薄壁式钢筋混凝土结构(图9.4，、)或金属杆件系统(图9.4，)。它们在冬天由外部空气进行通风，换气。这种基础将整个房屋建筑物下面形成为单独式砌体，其最大平面尺寸为36×36米。为避免建筑物变形，传递到垫层上的有效荷载，不应超过以下数值：砾卵石、碎石垫层为0.245兆帕；砂垫层为0.196兆帕；炉碴、矿碴垫层为0.098兆帕。9.2房屋建筑物的冷却设施多年冻土()上房屋建筑物与众不同的独到之处乃是装备有冷却设施，它担负着保证多年冻土区地基中冻土条件不改变的使命(库什湟夫()，1961年)。所有保持地基土冻结状态和保持多年冻土上限初始位置稳定所修建的房屋建筑物都应装备此类冷却设施。通常利用外部通风换气地下室(图9.5)，通风管道或通风管沟(图9.5)，水平(卧式)热虹及管(温差散热系统)(图9.5)作为冷却设施。通风地下室 由于结构简单，工作可靠乃是最广泛采用的一种装置类型。地下室依靠建筑物中勒脚中的通风孔或通过基础承台与地表石之间的缝隙(孔)(带开敞式勒脚的地下室的情况下)与外部空气进行通风换气。在设计地下室时应遵循如下规则：1、地下室的净空高度(从地面到承台底脚面)，对宽度小于24米的房屋建筑物不得小于10米。对宽度大于24米及任意宽度的房屋建筑物，如地下室内布置有管线时，地下室净空高度不得不小于1.5米。在个别地段上(例如楼梯间)地下室的高度可降低到0.3米。2、基础勒脚(柱脚)中的通风孔，沿房屋建筑物周围布置，间距不得大于6米；通风孔的尺寸应不小于02×02米；通风孔的底部应高出积雪表面0.2米。为了满足这一条件，在有较大暴风吹雪的地区，通风孔应安装加长的风道或在柱脚的砌体内安装通风管沟。3、当地下室里有隔墙时，在其中安装的通风孔的总面积应超过隔墙表面积的25%。4、地下室的地坪应高出附近地表面1015厘米。自房屋中心到安装勒脚的出水口之间的坡降不小于0.01。顺着地下室的地面在厚度0.05米的砂垫层上铺设厚度0.020.03米的沥青或混凝土墙角护坡。5、当地下室中布置有卫生工程管线时，应在房屋建筑物周边安装排除集水的事故应急水平槽。6、沿房屋建筑物周围地面建造沥青散水(坡)或混凝土散水坡，其宽度不应小于0.7米，从建筑物向外坡降不得小于0.03。当房屋宽度超过24米时，勒脚中的通风孔不足以对整个地下室空间进行通风。为此，在这种建筑物的中央，应设置辅助性的竖向抽风井，高出屋顶层脊0.5米，并安装风帽或屋顶式通风机，经过采暖房间的通风井段要进行保温。绝热(保温)热阻应与房屋建筑物墙体的热阻相等。通风管或通风地沟 在房屋第一层地坪承受荷载较大的情况下布设。管道(地沟)布置在大块碎屑材料的垫层中，表面敷设地坪。通风管的直径一般采用0.10.3米，通风道之间的距离为0.60.3米。管道埋深0.51.5米。将通风管组合起来成为通风干管，干管的直径应与通风系统的通风能力相适应。一般而言，管道应平行于建筑物的横向轴线敷设，而且必须布置在季节融化层范围之内。通风管道和干管应有0.01的坡降以利于夏季排出赋集于管道中的融水和泥水杂物。管道或地沟中的空气只有在冬季籍助通风机才能流通。在此期间粗粒垫层冻结，下垫的地基冷却。夏天通风系统断开，并在建筑物热量作用下，垫层土融化。为避免地基的不均匀沉降和冷却系统和房屋地坪变形，夏天房屋下土体的融化作用不应扩展到垫层底面以下。这可通过规定垫层的厚度与房屋下面土体夏季的融化深度相等来作到。为了减小此一融化深度，在房屋建筑物地坪的结构中要预先考虑进行绝热处理。管道和地沟系统的可靠性要比通风地下室小些，因为在管道和地沟内壁会有凝结水积聚，它们在冻结后会形成冰塞，使通风恶化。此一缺点被卧式热虹吸装置所克服。水平(卧式)热虹吸装置 是一种依靠冬季较低的大气温度进行工作，且在运行过程中不要求消耗能源的一种冷却装置。分为液体热虹吸和汽液热虹吸。它们最简单的形式是本身为一密闭管，管内充填以氨、氮，氟12，丙烷(汽液式热虹吸)或煤油，氟30，乙二醇(液体式热虹吸)。管道弯折成近似直角形，其水平段埋入土体内，而垂直段则布置于地面以上。热虹吸管的工作效率决定于地上部分面积与地下部分面积之比。该比值约为1.01.5。为了减小地上部分的外形尺寸，广泛采用带散热片的管或者钢制对流器。热虹吸管的结构详见卡别耶夫（）(1969)，维亚洛夫（）等人(1983)，玛卡罗夫（）等人(1983)的有关著作。热虹吸管不会有结冰的危险，因此，它们可以安装的稍微比夏季土体融化层底面低一些(对粗颗粒垫层而言)，即比地基最大冷却历时时的位置还要低。地下部分管道的直径一般采用0.020.2米，管道间距0.53.0米。热虹吸管用金属材料制作，其地下部分的长度不超过15米。近年来在俄罗斯开发了一种结构原理新颖的水平卧式汽液热虹吸管被发明者命名为系统(道尔格赫()等人，1991年)。与熟知的热虹吸管不同的是，这种系统具有两个循环线路-地下循环线路和地面循环线路，循环线路具有一定压头而且致冷剂(氨)在地下线路内作单向流动。此类结构可以将地下热交换器的长度增加到800米。地下热交换器的管道顺着建筑物纵轴布置于粗骨架垫层之中，既可直接布置于建筑物之下，也可布置于建筑物外轮廓近旁，后一种布置方式将会增加基础边缘的承载能力。聚乙烯或钢制的小直径(可达0.033米)管材，均可用来作为地下热交换器的管道。9.3保障多年冻土上房屋建筑物稳定的方式保障房屋建筑物稳定性的方式归结成两个大组，称之为利用多年冻土()作地基的原则。原则是基础底面依靠多年冻土(在施工中在垫层上的基础底面的土体只允许季节性融化)以保持稳定性方式，亦即保持地基土于冻结状态的方式；将融化的地基土予先冻结的方式，利用地基土在建筑物施工，运营过程中冻结的方式；以及允许基础底面以上的多年冻土有限度融化的方式。原则则属于基础底面位于多年冻土顶板之上保障稳定性的方式，亦即基础上部结构适应多年冻土融化时地基的不均匀沉降的方式；整个建筑物以下多年冻土予先融化的方式；多年冻土局部予先融化(仅在建筑物荷传递于地基的范围内融化)的方式；利用通风地下室以保持多年冻土上限初始位置稳定的方式；利用冷却系统(回路)以保持多年冻土上限初始位置稳定的方式。让我们进而对上述方式作详细讨论。原则连续分布型多年冻土地区(段)常采用通过保持地基土于冻结状态的方式，以保障稳定性。通过利用冷却装置使房屋建筑物下保持冻结状态，保证建筑物轮廓范围内地面年平均地温为负值。上述方法在工程实践中广泛采用已逾50年(崔托维奇()，1970)，至今采用此方式已建成数以百计的民用与工业用建筑物。遗憾的是，其中许多建筑物遭受变形，其原因乃是建筑物地基中的多年冻土的融化作用。由于冷却装置不能令人满意的工作，卫生工程管网的事故性漏水和排放以及相邻结构物的热力作用，地基土发生融化。通风地下室常因通风管道堵塞而停止工作。后者常发生在风吹雪和周围房屋建筑物设计高程抬升所致。当修理道路路面时，未将已毁坏的面层拆除，以致使路面设计标高抬升，这在北方地区经常可见。这样导致培植土层强烈增长，个别情况一年内可达10厘米，结果通风地下室的地面经过几年运行后将低于修建区的设计标高，并导致集水。上述负面后果可以通过正确合理的维修施工作业，加大地下室高度，装设通风管道，将通风地下室吸风孔的位置放在积雪层的高程以上等措施加以克服。在利用通风管道时，冷却装置常因管壁凝结水冻结，积聚而使管道中空气流量减小。如果地沟是连续的话地沟式冷却系统比较牢靠。在这种情况下，地沟中冻结形成的冰和吸入空气所混杂的垃圾，可在运行过程中消除掉。充有液体和高温液体的水平卧式热虹吸管的密封式冷却系统最有运用前景。此种系统没有上述缺点，但要求有高质量的密闭性。考虑到冷却系统可靠工作的极端重要性，为了保证多年冻土上房屋建筑物的稳定性，可以推荐建造带冷，热储存作用的存储系统。如所周知，储存作用可以将不大可靠的单元改造为高安全性单元。特别是，通风地下室和水平卧式热虹吸管的冷却系统在实践中使用很有成效，不仅仅是在个别情况下才可行。卫生工程漏水和事故排放所造成冻土融化作用，是一个广泛存在的现象。它只有靠提高管网的运行水平和一些结构措施来消除。例如，有一很好建议，是在地下室上面的房屋之下设置一个附加层并在其中架设工程管网(此外，附加层实际上还可提高房屋第一层的舒适程度)，在技术层地坪设防水面层，并在事故蓄水槽装备排水管道。相邻房屋建筑物的热影响，首先是在地下卫生工程管线周围融化盘(圈)的空间里，在靠近房屋建筑物和此建筑物地基中将有所反映。在多年冻土连续分布的地区，这些现象相当多见。问题在于，在整个地基热工计算中，都是按照地下管道和基础台阶(边缘)之间的安全距离求算的。但是多年冻土中管道常布置在土体的融化层内，下垫层是多年冻土(非衔接型多年冻土)，此时基础底面以下的多年冻土，在房屋建筑物运行的第一年已经开始融化，计算中并未考虑到这一情况。经验表明：只有敷设架空管线或通风地沟才能避免这一现象。此外，当建筑物范围有很大密集热源，或积雪厚度不断提高的情况下，可以见到多年冻土到处都在融化，这在很大程度上促进了地下水的周转。在这种情况下，冷却地基土体，单靠房屋建筑物冷却系统作业往往是不够的，以致建筑物地区内冻土条件普遍发生改变，大多数建筑物都发生了变形。例如，在整个小区按建筑原则修建时，上述负面的不利现象，可以通过增加人工冷却面积的办法加以克服。这种小区的规模和建筑小区之间的安全距离以及允许极限建筑群，可按赫茹斯塔廖夫（），1971)编制的方法进行计算。在多年冻土分布的南部地区，采用通过予先冷却塑性冻土和将融化地基土冻结的途径以保障稳定性的方式。当藉助于天然或人工冷却以提高地基的承载能力，将地基土体从塑性冻结状态或融化状态转变为坚硬冻结状态时由房屋的冷却系统连续不断地维持这种冻结状态。冬季地基的予先冷却是通过从柱式基础底部、雪层表面和桩基础下的人工通风钻孔进来的纯净的外部空气进行自然通风完成的。地基的冻结作用，按理一般都是籍助于人工冷寒装置进行，但是费用昂贵，因此不能得到广泛采用。我们知道，冻结土体冻结作用停止之后会重新融化，修建于其上的房屋建筑物会出现变形。变形原因是密集的建筑物和地下水所造成的热影响，不可能是与房屋冷却系统对立。在设计时通过制订专门的技术措施保证人工冻结土体处于冻结状态，就有可能无须考虑这种现象。其中之一，就是在这种情况下建议采用竖向热虹吸管建立起来的冻结帷幕。通过房屋建筑物在施工运营过程中使地基土体冻结以保证稳定性的方式，该法是由赫茹斯塔廖夫（）和阿列克辛德罗夫（）(1978年)为非连续型多年冻土地区制订的。该法实质如下(图9.6)。柱式基础敷设于多年冻土之上融化层中。冻结管体对称布置于基础旁边(通常为竖向的汽液热虹吸管)，冻结管落在多年冻土上限之下，紧靠竖向地下室布置，成为基础上部结构的一部分。冬天开始时，热虹吸管自动开始投入工作，同时土开始冻结，热虹吸管周围形成冻结圆筒体，约束(夹紧)基础，并使基础在冻胀力作用下不会向上位移。紧接形成冻结圆筒之后，基础被冻入土体内。与此同时，靠多年冻土顶板的深埋的墩台，被热虹吸管冻入其中。随着房屋建筑物运行，依靠热虹吸管和通风地下室工作冻结的含冰土(冻结筒体)体积增加，融化层也将完全冻结。仅仅利用天然寒冻作用进行地基土冻结其成本会明显降低。此外，依靠冻结作用和上部基础结构协同支护，施工工期可以缩短几个月。最后，因为冷冻管不是安装在整个房屋里，而仅仅是在基础旁边，所以对冷冻管的要求就下降了，此法的优点就注定了在实践中被广泛应用。从1994年制订此法起，至今在多年冻土分布区的南方地区，已按此方式成功地修建了数以十计的工程项目。在这种方式下，为了使房屋冷却装置工作便于进行和保存，热虹吸管的冷凝部分可从通风地下室里移出，悬挂在房屋的外墙之上。其结果，房屋建筑物就有了附加的独立的冷却装置热虹吸系统。上述方法与予先冻结法相比较，缺陷在于地基土体转变为坚硬冻土而得以提高的承载能力，不能为设计所利用，因为承载力提高是在整个荷载传递到土体之后才发生的。允许基础底面以上多年冻土有限融化以保证稳定性的方式对于坚硬冻土上的临时性房屋建筑物的地基很少采用(图9.7)。由于房屋运行过程中多年冻土融化，造成该法存在两个重要缺点。首先，随着多年冻土上限逐渐下降，在基础侧表面将出现负摩擦力(已融土附着于基础之上)，从而加大了作用于基础上的总的载荷量。伴随融化作用进展，负摩擦力也同时增大。其次，随着地基土融化进展，冻结地基承载力将随之下降。这样一来，采用此法时，在房屋建筑物运行过程中，作用在地基上的荷载不断增大，承载力却又在不断降低。该法的优点，在于在房屋建筑物中无需布设冷却降温装置。原则通过基础结构适应多年冻土融化时的不均匀沉降以满足稳定性的方式，乃是多年冻土上最古老的一种建筑方式，也可以认为它是不考虑多年冻土的建筑施工方式的发展。用这种方式所修建的房屋建筑物，与地基的相互作用条件非常复杂，因为地基土的热沉降，从房屋建筑物进入运行第一年即具有较大的速度。据邦达列夫（）对用此方式建造的房屋开展的观测，地基变形所占的百分比例非常大。经验表明，仅仅依靠提高结构的强度，不足以保证多年冻土上房屋建筑物的稳定性。显然，所述方式只有对于多年冻土融化时的非沉降性或低沉降性(沉降性小于0.03)地段的基础才是比较有利和合理的。而且在后一情况下必需要从地基可能的非均匀沉降出发进行复杂计算，才能加大建筑结构的强度。予先融化整个房屋建筑物下多年冻土以保证稳定性的方式(建筑场地予融)，从30年前即已开始(茹科夫()，1958)。该法在于基础施工之前即将多年冻土融化至某一深度，在该深度下当整个建筑物运行期间热作用下土继续融化不会导致结构物的沉降量超过额定(标准)值。在予融26个月之后，土在自重压密之下才可能密实而后在其上再建造基础，通常将基础作成十字交叉条形基础或板基(图9.8)，为了使土压密(实)，不得不中断施工生产，将使施工工艺在很大程度上复杂化。为了缩短施工的中断时间，采用竖向排水系统和电渗，以加快土体固结过程。在融化建筑场地时，平面上(长度和宽度)准备融化的土体的范围应大于在融化深度上房屋建筑物的规模。表9.4 决定于多年冻土沉降率(厘米米)的予融多年冻土的深度(米)和造价(以架空结构造价的%计)沉降率(厘米米)235深度，米182431造价 %4270115正如计算所指出的，予先融化的深度，决定于很多参数，其中主要是多年冻土融化时的沉降量和多年冻土的负温值。在多年冻土分布的南部地区，冻土温度接近于零度，其予融深度最大。在表9.4中给出了此类地区与多年冻土沉降性有关的地基必须予融的大致深度。自表可见，当土体的沉降率大于5厘米米时，予融深度和造价变的很大，这就对在高温多年冻土分布区应用此法的实际合理性提出了怀疑。予融方法从50年代末，特别在在多年冻土分布的和南部地区曾经获得过广泛应用。截止目前已积累了丰富经验。经验证实，在已予融土体的建筑施工与融土上的建筑施工是不同的。在下垫有多年冻土采用融化的双层地基，任何热作用下都会产生变形。因此，在予报房屋建筑物与地基或任何不能忽视热源之间相互热作用时会发生误差。同时，卫生工程和地下水对于按建筑原则修建的房屋建筑物的稳定性和按建筑原则修建的房屋建筑物危险性是相等的。按予先融化修建的建筑物变形和众多因素，在计算危险性时都会出现。与建筑原则不同的是，按建筑原则修建的“房屋建筑物-地基”体系，具有更大的惯性(惰性)和损伤积累性能。首先，这意味着土体热状况的逐渐破坏，不是立刻显示出来的，而是需要一个相当长的时间，此时地基将发生非常重要的耗热作用。其次，一旦破坏热源消失时，体系的初始状态不会复原到初始状态。通过局部予融多年冻土以保证地基稳定性的方式，此法提出的时间比较晚(戈列索夫()，斯特茹布采夫(，1979年)。该法在于仅对基础所在处的多年冻土进行予先融化。然后土融化压密后再在其上修建基础(图9.9)。利用柱或桩作基础。与以上方式相比较，此法优点在于基础底面下的多年冻土不是在房屋建筑物运行开始后就立即开始融化，而在要滞后一段时间，在此阶段里房屋下多年冻土局部的逐步融化达到总的融化深度。达到最大厚度的时间，可等于建筑物运行期。这表明，在融化高沉降性多年冻土地段时可以采用此法。但是这又不能作到，因为沉降性土体在融化时强度剧烈丧失，同时基础下土体不能承受侧压力。结果，予融土体挤出而使基础发生沉降。由于这一原因，局部融化方式建议只在坚硬的低含冰土地基上采用。在19781980年间，利用局部融化法在乌列戈修建了五层和十层楼的砖制房屋住宅小区。房屋建筑物修建在砂土之上。借助通风地下室使多年冻土初始上限位置稳定保持地基稳定性的方式，由波尔哈耶夫（），赫茹斯塔廖夫（）(1976)等人提出，适用于季节冻结-融化层与多年冻土不衔接，房屋建筑物全部或部分斑(点)状分布的地区。此处多年冻土具有明显的融化沉降率(大于2厘米米)而且多年冻土层以上的融化层土体属于冻胀危险性土。该法是予先将基础(一般是桩基础)埋入下面有多年冻土的融化层内。同时，在房屋建筑物下修建多年平均气温0左右的通风地下室(图9.10)，在此温度状态下，土体的季节冻结深度变的与季节融化深度相等，由于在全年内高于基础底面，因而存在相变界面，在该界面上冻结温度保持稳定。第二个相变界面则是多年冻土顶板上。两个相变界面之间为融化土层“缓冲层”，其中的温度梯度以及通过的热流都等于零。“缓冲层”乃是一不透热幕它保证了多年冻土上限位置的稳定。事实上，在地下室中，无论是正温区还是负温区，其多年平均气温会有偏差。第一种情形发生在多年冻土融化时，基础会沉降，而第二种则发生在土体多年冻结开始时，基础会出现冻胀。这种情况下，当设计“房屋建筑物-地基”体系时应予考虑。可以通过选择保持结构可靠性的参数缓冲层的厚度和基础埋置深度加以解决。自1975年开始，该法已被成功地用于沃尔库津工业区的建筑施工中。该地利用此法所修建的66幢五层大型民用住宅点，已成功安全地运行至今。借助周边冷却以稳定多年冻土初始上限位置保证地基稳定性方式，由赫茹斯塔廖夫，马克西莫夫()和别依赫尔()等人在与利用通风室稳定法相同情形下提出了此方法。该法须予先将基础(通常是柱基)埋入下面有多年冻土的融化层中，同时在房屋建筑物周边安装竖向热虹吸管深入到冻土中(图9.11)。依靠热虹吸管的工作，经过近23年时间，在房屋建筑物地基中将形成稳定的相变边界(冷却周边)，相变边界的位置与从房屋物流向相变面的热流以及从热虹吸管流出的热量平衡相当。热虹吸管的间距及其深度通过多年冻土顶板的埋置深度，房屋建筑物的宽度以及房间的气温计算确定。应当指出的是，冷却轮廓不是在所有情况下都能建立起来的。该法与以上方法相比，优点是无须地下室，缺点是与热虹吸管工作的可靠度关系甚大。可以靠备用管路提高这种方法的可靠度。从1978年开始，已利用该法在沃尔库津工业区修建了8幢工业与民用建筑物。该法可同样用于按建筑原则修建的正在变形的地基中作为稳定融化边界的一种有效的维修性措施。至此，我们已讨论了目前熟知的所有保证多年冻土上房屋建筑物稳定性的方式。总结、归纳起来，必须指出，每一方式实际上都可以满足所有天然条件下房屋建筑物稳定性。问题在于，为了适应建筑场地与基础的冻土地质条件就必须从方案比选的观点去选择技术经济条件最优的方案。但是这些单独问题已在第三章和第六章作过讨论。9.4地基与基础计算所有的房屋建筑物对作为地基的多年冻土()都会表现出热和力的作用。同时这种作用将导致多年冻土温度发生变化，而且在某些情况下还会使多年冻土融化。多年冻土温度的改变，必将导致多年冻土地基的强度发生变化。当土体转变到融化状态时，强度下降的特别剧烈。传递到这种土上房屋建筑物荷载将造成地基大量变形，并在一些情况下造成建筑物自身破坏。众所周知，当地基温度下降时，建筑物的这种变形又会出现寒冻开裂现象。土体温度控制着地基承载能力，同时，相应地也决定着基础的类型和尺寸，而地基土体的融化深度则制约着地基与房屋建筑物的协同变形，并相应决定了加强结构的必要性，以及予先整备地基的工程量。由此可见，房屋建筑物地基土体温度场的预报，包括融化深度的预报，乃是地基计算工作中的首要而又极其重要的一部分。在按建筑原则利用地基土设计建筑物时，房屋地基中多年冻土的计算温度的预报有其特别重要的作用。当按建筑原则设计建筑物时，建筑物地基融化深度的预报，则具有特别重要意义。众所周知，为了保证房屋建筑物地基给定的温度，须采用各类冷却装置(通风地下室，室外通风管道，液体与汽液热虹吸管)，因此，这些系统的计算工作，乃是地基的基础设计的不可或缺的部分。地基和基础是基于两种极限状态进行计算的：1)按承载力；2)按变形。在按极限状态进行计算时，主要的乃是地基承载能力和地基与基础协同变形的予报，这是地基计算的第二个极重要的部分。在地基的基础设计中，以上两部分计算，逐步统一选择出适合于保证建筑物稳定的方式，通过更多地推广保持稳定性的方式的例子可使对这些问题的讨论更深入一些。原则通过保持地基土于冻结状态或通过予先冷却塑性冻土和将融化地基冻结以保证稳定性的方式。计算的目的在于确定桩基的埋置深度，或柱式基础的基底面积，同时还需确定冷却系统的参数：对通风地下室而言是确定通风模数(房屋勒脚中通风孔的总面积与房屋平面面积之比)；对管道冷却系统(通风管道和热虹吸管)，则是确定屋下管道埋置深度，管道之间之距离，在其中埋设管道的粗粒料垫层的厚度，对于通风管，还须补充管中空气的流动速度。按第一组极限状态计算时依如下条件式进行FFun， (9.1)式中F作用于地基上的计算荷载，牛顿；Fu冻结地基的承载力，牛顿；u建筑物给定的可靠度系数。同样地，地基的承载力，按下式计算 (9.2)式中，t、c温度系数和工作条件系数；R作用于桩末端或柱式基础底面处冻土上的计算压力，帕；A柱式基础底面积或桩嵌入土中的面积，米2；Raf,i第i层土体中，冻土或泥浆沿基础冻结侧表面积的计算抗剪强度，帕；Aaf,i)第i层土体与桩侧冻结表面积，对于柱式基础则是土体与基础台阶以下冻结表面积，米2；n冻土的计算分层层数。将(9.2)代入(9.1)，我们得到的方程，可以据此求出基础的几何尺寸。此方程中的参数R和Raf,i决定于按建筑法规()2.02.04-88第4.13节确定的计算土温，该规范值是从在房屋下T0及其室外T0计算出多年冻土上表面年平均计算出发确定的。同样地，T0是按建筑法规()2.02.04-88，附录4中的表2计算的，它是从修建基础和勒脚十字交叉板的费用最小化条件求出的。而T0则是根据勘测资料确定的。所要求的T0保证房屋建筑物冷却系统正常工作，冷却系统的参数即从这一个条件中得到。冷却装置的计算可在一些著作中找到(叶尔绍夫等人，1991)。允许基础底面以上多年冻土有限融化以保证稳定性的方式。计算目的乃是求桩基础的埋置深度，按第一组极限状态计算时依以下条件式进行计算F， (9.3)式中Fneg融土的负摩擦力(负值)，牛顿，决定于屋下融化深度，并按建筑法规()2.02.04-884.38条文计算；p在融化区范围内桩侧表面的工作条件系数。前已指出，为计算Fu，必须先要知道冻土的计算温度，建筑物中点处该温度按式(94)计算，建筑物边缘按式(9.5)计算 (9.4) (9.5)式中Tz,i离地表深度zi处i层中心的计算土温，；Tbf土的起始冻结温度，；B房屋建筑物的宽度，米；Hc、He在房屋建筑物计算运行期间建筑物中心和边缘下多年冻土的融化深度，米，按建筑法规()2.02.04-88附录8指示计算。计算顺序如下：一开始先求屋下融化深度，然后给出桩长，其长度应超过融化深度2米，并用条件式(9.3)进行检算。如条件满足，结束计算。否则，将桩加长0.5米，重新用条件式(9.3)检查，如此继续进行，直到满足式(9.3)要求为止。原则通过予融建筑场地多年冻土保证稳定性的方式。计算目的在于求出基础