
在进行广州地区的拉森钢板桩施工过程中,虽然广州地处亚热带季风气候区,冬季气温相对较高,一般不会出现大规模冻土现象,但在某些特殊气象条件下或针对特定工程环境(如人工制冷、深基坑长时间暴露、高地下水位区域等),仍需考虑低温对土体物理力学性质的影响,尤其是潜在的冻胀效应及其对支护结构的附加荷载。因此,在编制拉森钢板桩施工计算书时,合理评估冬季可能出现的冻土荷载,是确保基坑安全和结构稳定的重要环节。
首先,应明确冻土荷载的产生机理。当土体温度降至0℃以下,孔隙水开始冻结,体积膨胀约9%,从而在土体内部产生冻胀应力。这种应力若受到约束(如钢板桩墙体限制土体横向变形),则会转化为作用于支护结构上的侧向压力,即冻土侧压力。该压力具有时间累积性和非线性特征,尤其在反复冻融循环下可能加剧结构受力。尽管广州年均最低气温多在5℃以上,极端低温偶有接近0℃的情况,但若施工周期跨越冬季且基坑开挖深度较大、暴露时间较长,仍不可完全排除局部浅层土体发生短时冻结的可能性。
在计算模型构建方面,可参考《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120)及《冻土地区建筑地基基础设计规范》(JGJ 118)中的相关条款。对于可能出现冻胀的土层,建议采用等效附加侧压力法进行简化计算。具体公式如下:
$$ P_f = \alpha_f \cdot \gamma_w \cdot h_f \cdot K_0 $$
其中,$ P_f $ 为冻胀产生的附加侧压力(kPa);$ \alpha_f $ 为冻胀率系数,砂性土取0.03~0.05,粉土取0.05~0.08,黏性土取0.08~0.12;$ \gamma_w $ 为水的重度,取10 kN/m³;$ h_f $ 为冻结深度(m);$ K_0 $ 为土体静止侧压力系数,可由 $ K_0 = 1 - \sin \phi' $ 估算,$ \phi' $ 为有效内摩擦角。
冻结深度 $ h_f $ 的确定可依据气象数据与热传导理论估算。根据广州历史气象资料,多年平均最冷月(1月)气温约为13.3℃,极端最低气温记录为0℃左右,持续时间通常不超过48小时。据此推算,自然条件下浅层土体冻结深度一般不超过0.1m,且多局限于地表松散填土层。因此,在常规工程中,可认为冻土荷载影响较小,但在以下情况应予以重点考虑:(1)基坑位于低洼积水区,地表长期滞水;(2)施工期间遭遇寒潮,连续多日最低气温低于3℃;(3)基坑支护结构暴露时间超过30天;(4)采用降水井或深井点降低地下水位,导致土体导热性增强。
在实际计算中,建议按不利工况进行包络设计。例如,假设最不利条件下冻结深度达0.15m,土质为粉质黏土($ \alpha_f = 0.07 $,$ \phi' = 18^\circ $),则 $ K_0 = 1 - \sin 18^\circ \approx 0.69 $,代入公式得:
$$ P_f = 0.07 \times 10 \times 0.15 \times 0.69 \approx 0.72\,\text{kPa} $$
该值虽远小于常规土压力(主动土压力通常在20~50 kPa量级),但由于其作用位置靠近地表,且具有突发性和不均匀性,可能引起钢板桩顶部局部变形或连接节点应力集中。因此,在结构验算中应将其作为附加荷载叠加至原有土压力分布中,尤其是在弯矩和剪力计算中予以体现。
此外,还需考虑冻融循环对土体强度的弱化效应。冻融后的土体结构性破坏会导致抗剪强度下降,C值和φ值可能降低10%~20%。在稳定性验算(如整体滑动、抗隆起、抗倾覆)中,宜对土体参数进行折减处理,确保安全储备充足。
为降低冻土风险,建议采取以下工程措施:(1)加强基坑周边排水,避免地表水积聚;(2)对暴露土体表面覆盖保温材料(如草垫、泡沫板);(3)缩短基坑无支撑暴露时间,加快主体结构施工进度;(4)在监测方案中增设温度传感器,实时监控土体温度变化趋势。
综上所述,尽管广州地区自然冻土条件不显著,但在拉森钢板桩施工计算书中仍应科学评估冬季低温可能引发的冻胀荷载及其对支护结构的影响。通过合理的荷载模型、参数选取与构造措施,可有效提升基坑工程的安全性与可靠性,确保施工全过程处于可控状态。
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