[发明专利]冻土区单桩基础混凝土保护层的厚度计算方法及产品

说明书

本发明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。本发明为寒区冻土层中桩基础稳定性提供了设计依据。

技术领域

本发明属于冻土区桩基础保护技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明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。

本发明所采用的技术方案是：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T₁T₂；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；

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；

步骤4：计算混凝土保护层厚度。