冻土区单桩基础混凝土保护层的厚度计算方法及保护层技术

本发明专利技术公开了一种冻土区单桩基础混凝土保护层的厚度计算方法及保护层，首先通过分析建立计算模型，得到模型中沿桩基横截面的温度分布。接着，推导了温度应力的计算公式。然后基于弹塑性厚壁圆筒理论，推导了在温度梯度影响下钢筋与混凝土的粘结强度计算公式，最后给出了混凝土保护层厚度应满足的要求。本发明专利技术为寒区冻土层中桩基础稳定性提供了设计依据。

Thickness calculation method and protective layer of concrete protective layer of single pile foundation in Permafrost Area

【技术实现步骤摘要】
冻土区单桩基础混凝土保护层的厚度计算方法及保护层
本专利技术属于冻土区桩基础保护
，具体涉及一种冻土区单桩基础混凝土保护层的厚度计算方法及冻土区单桩基础混凝土保护层。
技术介绍
季节冻融层中的土在冻结过程中，土以及混凝土的结构和物理力学性能会发生变化，一方面由于土体中的水冻结相变成为冰，使土体体积膨胀；另一方面在冻结过程中地下水向成冰层的冻结锋面迁移，季节冻融层变厚，导致作用在桩侧的切向冻胀力逐渐增大。当上部结构较轻或桩的入土深度较浅时，并且作用在桩基础表面的切向冻胀力足够大时，桩体将产生冻拔破坏。现有研究表明，多年冻土区工程构筑物基础的稳定性与其周围冻土的热状况联系密切。混凝土保护层厚度将影响热量的传递，进而影响冻土区构筑物基础的稳定性，然而现有研究没有给出冻土区桩基础混凝土保护层厚度的理论计算公式。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术给出了冻土区单桩基础混凝土保护层厚度的理论计算公式，提供了一种冻土区单桩基础混凝土保护层的厚度计算方法及冻土区单桩基础混凝土保护层。本专利技术所采用的技术方案是：一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冻土区单桩基础混凝土保护层的厚度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：建立冻土区单桩基础混凝土保护层模型，得到模型中沿桩基横截面的温度分布；/n所述冻土区单桩基础混凝土保护层为一个内径为r

【技术特征摘要】
1.一种冻土区单桩基础混凝土保护层的厚度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立冻土区单桩基础混凝土保护层模型，得到模型中沿桩基横截面的温度分布；
所述冻土区单桩基础混凝土保护层为一个内径为r1，外径为r2，长度为L的圆筒；其中，r1为钢筋半径，r2为保护层混凝土外尺寸，保护层混凝土的厚度t为r2-r1；
假设圆筒内、外壁表面温度分别保持恒定温度T1和T2，且T1＞T2；假设温度仅沿半径方向变化，沿轴向散热忽略不计，若在圆筒半径为r处沿半径方向取微分厚度dr的薄壁圆筒，则传热面积视为常量，且等于2πrL，同时通过该薄层的温度变化为dT，通过该薄圆筒壁的热传导速率Q为：



其中，λ表示薄壁圆筒的导热系数；
将上式分离变量积分并整理得：



其中，即为圆筒壁导热热阻；
半径为r处的热量Q为：



半径为r处的温度为：



则距离钢筋中心r以内区域的温度曲线呈曲线分布，并且随着距离r的增大，温度的变化速率越来越快；其中，r1≤r≤r2；
步骤2：计算冻土区单桩基础混凝土保护层模型中变形钢筋和混凝土应力；
假设所述冻土区单桩基础混凝土保护层模型中，钢筋的线膨胀系数为αs，混凝土的线膨胀系数为αc，钢筋的弹性模量为Es，混凝土的弹性模量为Ec，钢筋的横截面面积为As，混凝土的横截面面积为Ac，混凝土的平均温度为T3，钢筋与桩外部的温差为ΔT1＝T1-T2，混凝土与桩外部的温差为ΔT2＝T3-T2；混凝土的拉伸应变为εc，钢筋的压缩应变为εs；温度T作用下混凝土的抗拉强度为fct(T)；
则保护层混凝土的平均温度为：



由钢筋与混凝土的力平衡条件得：
σsAs＝σcAc(6)
其中，σs为钢筋应变为εs时的钢筋应力值；σc为混凝土应变为εc时的混凝土应力值；
由于σs＝Esεs和σc＝Ecεc，代入(6)可得：
EsεsAs＝EcεcAc(7)
由(7)得钢筋与混凝土的应变的关系为：
εs＝EcεcAc/(EsAs)(8)
记Es/Ec＝αE，As/Ac＝ρ，则



由桩的温差引起的总应变为：
ε＝αsΔT1-αcΔT2＝εs+εc(10)
由式(9)和(10)得钢筋和混凝土的应变分别为：



则钢筋和混凝土的应力：



为来保证混凝土不被拉裂，则应满足：
σc＜fct(T)(13)；
步骤3：基于弹塑性厚壁圆筒理论，计算在温度梯度影响下钢筋与混凝土的粘结强度；
假设所述冻土区单桩基础混凝土保护层模型中，内、外壁分别受到均匀的压力q1和q2的作用；利用弹性力学方法对所述冻土区单桩基础混凝土保护层模型进行力学分析，圆筒在任意位置处的应力表达式为：






式中，σr为径向应力，σθ为环向应力；
从式(14)和(15)知，σr＜0，即σr为压应力；σθ＞0，即σθ为拉应力；从拉应力σθ的表达式可以看出，拉应力最大值发生在r＝r1，其值为：



混凝土受到的作用力包括钢筋肋对混凝土的挤压力P，钢筋肋与混凝土间的摩擦力uP；在钢筋发生滑动前，摩擦力为静摩擦力，并考虑钢筋与混凝土界面间的胶着作用，u为粘结-摩擦作用系数；发生滑动后钢筋与混凝土的粘结作用破坏，只有摩擦作用；假定钢筋发生滑动后，混凝土碎屑在钢筋肋前堆积，使得钢筋与混凝土的滑移面与水平面成α角，那么P和uP在纵向方向上的分力合成为钢筋与混凝土间的粘结强度τ，径向分力的合力q1即为钢筋对混凝土圆筒产生的均匀内压作用，那么τ和q1的表达式为：
τ＝Psi...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱道佩，王章丽，周若璇，
申请(专利权)人：江西理工大学南昌校区，
类型：发明
国别省市：江西;36