檀建成 韩宇平

1 概述

基础工程相对建筑的其他部位的结构构件有着一定的特殊性。1)基础工程约束边界的特殊性。2)基础工程使用条件的隐蔽性。基础工程在使用阶段大都是埋置于地基土体之中的,且绝大部分在基础上部都有具有遮蔽作用的水平构件(楼、屋面板)和竖直构件(外围墙体)的遮蔽。

2 基础工程的约束和温度作用

大部分基础工程因为其在工程完成后的隐蔽性,使得基础工程在使用阶段和施工阶段的边界约束和温度作用存在较大差异,所以要区别分析和处理。以下分别从施工阶段和使用阶段对各种类型的基础工程进行边界约束和温度作用分析。

2.1 施工阶段的边界约束和温度作用

对于基础工程而言,其施工阶段的温度作用主要受施工方案、技术条件和气候条件影响较大。依据不同的场地条件、上部结构形式和荷载情况,以上有些施工内容可能不会出现在施工方案中,所以存在不同的施工方案。无论哪种施工方案,施工阶段的共性就是基坑的开敞性和上部结构的非完整性。

基坑的开敞性决定了基础受到的温度作用,主要就是在基坑(槽)的开挖后到基坑回填前之间的温度作用。因为,当基坑回填以后,基础部分受到周遭土体保护和上部结构体的遮蔽,受日温度作用和骤然温度作用的可能就非常小了,只是受到年温度作用的影响。而年温度作用的时间相对较长,且经过季节更替后,材料的抗拉强度等材料性能指标均已提高,开裂的可能性减小很多。综合上述分析可见,基础工程防温度裂缝的重点就在于施工阶段,特别是基坑回填之前,或者是基础材料抗拉强度较小阶段。

虽然基础施工与结构物的结构形式、埋设深度、工程地质及水文地质条件、周围环境、施工条件及施工者的经验、工期、气候等因素密切相关,但是施工阶段的温度作用和约束分析主要是与结构物的结构形式、基础埋设深度关系密切。无论采用哪种基础形式,其共性就是为上部结构提供一个与地基接触且满足基底压力小于地基承载力的平面或平台。从而作用在基础上的温度作用形式也就确定了,即在基础的表面和基底之间产生温差,进而产生基础表面膨胀(或收缩)与基底摩擦之间的约束形式。这里的温度作用产生的膨胀或收缩是一个明确的作用,主要依赖于日温度作用和骤然温度作用。而日温度作用取决于施工季节,骤然温度作用取决于施工阶段的天气情况。

假定如图1a)所示基础上部荷载分布,C为基础形心,基础表面受热膨胀而产生向两侧运动的趋势,这里的基础形心不是理想的膨胀的形心或者是不动点。不过可以假定C点为膨胀的形心,这样就可以判断各分段的运动趋势和摩擦力方向,当在水平方向的所有矢量和为零时即说明假定的膨胀中心是正确的,否则,还要依据矢量和的正负性做假定膨胀中心的调整直至矢量和为零或接近零。

当基础受热膨胀时,基础内主要表现为轴向压力(见图1),而受压强度较高是绝大部分建筑材料所具备的特性,尤其是对于基础所用的建材而言更是如此。而静摩擦力的大小不是一个定值,静摩擦力随实际情况而变,大小可以是零和最大静摩擦力之间的任一数值。而最大静摩擦力的值取决于两个因素:正压力和摩擦系数。正压力源于上部结构的荷载与自重,摩擦系数取决于接触面的粗糙度和干湿性。不同的结构形式,结构自重和荷载分布不尽相同,所以还要依据结构形式和施工进程等因素具体分析基础的膨胀中心。

当基础遭遇降温收缩时,基础内主要表现为轴向拉力。其原理同升温膨胀,不同的是此时存在一个或多个收缩中心,以收缩中心为不动点,两侧或周围基础表现为向此点的收缩趋势,进而产生摩擦力(见图2)。收缩中心同样依赖于上部结构自重和荷载分布情况。但是,降温收缩时基础整体表现为轴向拉力,而这一点是基础材料的弱项,因为基础材料大多抗拉强度不高,以混凝土为例,抗压强度标准值和抗拉强度标准值之比由C15的7.87到C80的16.14,就是随着混凝土强度等级的提高压拉比值增大,而对于普通烧结砖而言,则是随着砂浆强度等级的提高砌体的压拉比值缩小(见表1)。但是即便是砌体最小的压拉比值也是较混凝土高很多的,也就是说,砌体的抗拉性能差。

2.2 使用阶段的边界约束和温度作用

2.2.1 使用阶段的边界约束

对于基础工程而言,其使用阶段的约束特点就是较施工阶段要强,主要原因有:1)基础回填完成后地基土对基础的外围约束加强;2)上部结构整体完成,基底压力达到最大值,此时的基底最大静摩擦力达到最大值;3)构件材料强度提高,尤其是混凝土的抗拉、压强度随着龄期的增加而提高很多,结构的抗力较施工阶段提高很多,构件间相互约束增强。

表1 普通烧结砖抗压强度和抗拉强度设计值

2.2.2 使用阶段的温度作用

使用阶段的温度作用也较施工阶段有所不同。由于基础工程需要埋置的特点,也就是基础工程的隐蔽性,所以在正常使用阶段,基础受温度作用的影响较施工阶段要小很多。以下分别按日照温度作用、骤然温度作用和年温度作用考虑使用阶段的基础工程的温度作用。对于日照温度作用而言,其主要影响为直接接受太阳辐射的构件表面温度和气温,在使用阶段,由于基础工程一般都埋置于地基土之中且上部有楼、屋面等构件遮蔽,所以基础工程此阶段受日照温度作用极小。而骤然温度作用和日照温度作用相似,其对基础工程的影响也是相当小的。至于年温度作用,由于其作用时间跨度相对较长,且主要影响的是气温,而大气温度和土体温度在一年中的变化比较而言,除距地表一定范围内的土体温度受季节变化明显外,在超过该深度的土体温度在一年当中相对稳定,较年气温温差要小,而前面提到的受季节温度影响明显的土层深度也就大致相当于土体的标准冻深。除有严重冻胀的土体之外,一般不需要考虑年温度作用对基础工程的温度作用和裂缝问题的影响。

3 结语

目前,温度作用已经引起了国内外工程界的关注与重视,但是在混凝土结构设计规范中所涉及的温度作用问题,仅仅作构造处理,这是不够的。温度作用对基础工程耐久性的影响已不容忽视,在基础工程中应能像处理荷载那样考虑温度作用组合,对结构的温度应力和变形进行全面的分析。

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