退化多年冻土区桩基室内模型试验研究：温度场影响分析

冻土既具有一般土类的共性，又是一种因黏塑性冰而具有特殊性质的多相复杂体系。与其他土类相比较，其最大的特点就是在热力学方面的不稳定性，对气候变化和人为扰动十分敏感。冻土是对温度变化特别敏感的特殊工程土类。冻土土体温度的改变将直接影响到冻土的导热、导温、导湿等物理特性，亦将很大程度上影响到冻土的应力、应变等力学特性和冻土内部的水分场与应力场的重新分布，因此，温度变化将直接影响冻土的工程特性。

近年来由于全球气候变暖，多年冻土正在逐渐退化，具体体现为地温的显著升高、季节融化深度加大、多年冻土面积萎缩等方面。一般地，当冻土地基温度升高时，其冻结强度和承载力便会下降，导致基础的倾覆、融沉或冻胀拔起。由于冻土区内部环境和外部环境的变化，工程建筑物在多年冻土地区正遭受严重的影响，给国家和人民的财产安全和人身安全带来了严重损失。因此，研究气候变化对冻土温度的影响是十分必要的。

冻土温度场的研究已有170余年的历史。1890年俄国成立了冻土研究委员会，对冻土地区的工程问题展开初步的研究。直到20世纪，由于开采阿拉斯加金矿的需要及1942年北美战略公路发生的严重冻害，方才开始冻土温度场较为全面的研究。在冻土内部温度场研究不断深入的同时，冻土表面温度状况与气候间的关系成为冻土科研的又一研究重点。1979年，Milier，Tw等［5］认为冻土表面温度与流入冻土内的热流密度之间存在动态变化的响应关系。1996年，Lunardini，V J等［6］认为寒区冻土表面湿度状况、空气温度、大气辐射等诸多因素间存在能量平衡关系，并据此分析在气候变暖条件下冻土的生存、退化与发展规律。Feng Ling［7］通过建立太阳辐射及地气紊流热交换等因素间的冻土表面能量平衡方程对冻土季节活动层的温度状况进行了一维非线性数值模拟。周春华［8］采用理论、试验、数值模拟相结合的手段，研究了冻融过程中软岩体的水热迁移规律。(www.xing528.com)

我国冻土研究开始的时间较晚，1985年，安维东［9］用有限差分法计算二维饱和状态下的温度水分场。杨诗秀［10］提出冻土一维状况下的水热耦合的差分解。1988年，王劲峰［11］提出用小参数法对上边界条件处于变化状态下的冻土动态温度场求解方法，取得较好的精度，同时李宁、令峰等［12］人也各自提出二维温度场的计算方法。唐丽云［13］根据多年冻土区地温与大气温度之间的关系，得出季节融化期和季节冻结期地表温度，确定季节融化及季节冻结深度，结合地表温度推导出多年冻土深度与时间的关系，建立了大气温度、地表温度、融冻层厚度及多年冻土厚度变化与时间相关的联合方程。翟云锋［14］通过室内模型试验探究钻孔灌注桩水化热对桩周土温度场的影响规律，在模型桩中内置电热棒加热模拟混凝土水化热，得出初始地温相同时，基桩的回冻时间随水化热增加而增加，基桩的极限承载力随水化热的增加而减小。基桩水化热相同时，初始地温越低，基桩的极限承载力反而增大。陈冬根等［15］研究混凝土入模温度水化热对桩周冻土带来的热影响问题，以共玉公路查拉坪大桥桩基作为原型设计了室内模型试验，研究了入模温度、水化热对冻土的热影响规律。研究结果表明：入模温度的影响时间为0～100min，200～300min为水化热影响期，入模温度对冻土的热影响程度大于混凝土水化热，入模温度最大影响范围是3倍桩径，1倍桩径以内为入模温度主要影响区。蒋代军等［16］在青藏铁路桩基础设计中，考虑了未来气候变暖可能导致冻土融化及承载力下降等问题，以传热学理论为基础，建立了冻土地基单桩地温场的热分析模型。采用有限单元法考虑裸露桩基表面吸收太阳辐射的同时在大气自然对流换热、冻土相变、气候变暖等条件下，计算分析了典型湿润性永久冻土区在未来30年单桩地基桩土体系的温度变化及其长期承载力的变化趋势。王若林等［17］对季节循环演变中土体的冻拔力和桩侧摩阻力进行计算比较，并对群桩基础的抗冻拔稳定性验算方法进行讨论。研究结果表明：部分多年冻土层退化为未冻土层，将导致桩基础的总抗拔力和临界失稳冻结深度减小。桩侧未冻土层厚度与桩长的比值和临界比值的比较结果可作为桩冻拔稳定性的判断标准，得到的临界承载力模型可以为寒区冻土层演化过程中桩基础稳定性评估提供数值分析依据。因此，如何综合考虑桩基深度、大气温度变化等诸多影响多年冻土区桩基温度场的因素，分析桩基处于真实边界条件之下的温度场状况及其内部的变化规律，仍然有大量的问题有待进一步研究。故本书通过退化多年冻土区桩基承载力室内模型试验进行就冻土退化对桩基承载力的影响进行研究。