退化多年冻土区桩基室内模型试验研究及土体冻胀成因分析

退化多年冻土区桩周土体对温度与水分的变化极其敏感，同时冻土具有流变性，在温度与水分变化过程中，冻土区修筑构筑物就必须面临冻土位移的影响，冻土位移场的变化易引起土体的冻胀和融沉。冻胀会使寒区的水工建筑物（主要是桥、涵、闸等）受冻胀危害，使衬砌受冻开裂、桩基不均匀拔起、路基的平整性严重破坏等，这些问题都严重影响着人们的生活。其次是融沉问题，温度、水分的变化会导致冻土性质发生一系列的变化，影响冻土强度，导致发生不均匀沉降，给人们的生命财产带来严重威胁。

（1）冻土冻胀研究现状。

关于冻土冻胀问题的研究，诸多理论都在不断发展，很多地质学、土壤物理学、物理化学等方面的专家都在从事这方面的研究工作。早期的工作中，土壤物理学家Bouyoucos［47］发现并提出了土中水不会完全在同一个温度下冻结，随后Taber［48］根据使用冻结时体积缩小的液体试验，证明了冻胀现象不只依赖于土中存在的水冻结膨胀，而是以冻结过程中发生的水分迁移作为主要原因，否定了冻胀是因土中水分冻结使体积膨胀错误观点。Taber的研究成果奠基了现代单向冻结理论的基础，人们才逐渐认识到水分迁移作用是导致土体冻胀的主要根源。Everett［49］首先提出了第一冻胀理论即毛细理论。Beskow［50］基于若干过程联合作用提出吸附一薄膜理论，通过试验揭示出冻胀速度依赖于上部荷载和毛细管力，根据它们之间的关系可以判定土体冻胀性的大小。Miller［20］克服毛细理论的不足，提出了饱和粒状材料的冻胀理论，即第二冻胀理论，在新形成并继续增长的冰透镜体与冻结锋面之间存在一个区，这个区被称为冻结缘。冻结缘中的水是部分冻结的，即存在孔隙冰，它与冰透镜体是刚性连接的。孔隙冰的移动速度等于冻胀速率。当冻结缘有效孔隙压力等于上覆荷载，新的冰透镜体产生、旧的冰透镜体停止增长。有效孔隙压力等于水压力和冰压力之和。基于Miller的第二冻胀理论，0'Neill等［51］提出刚性冰模型，强调了相变过程中力作用的重要性，解释了非连续分凝冰的形成机理，认为孔隙水与孔隙冰之间的应力分布存在一个合适的比例，当有效孔隙应力达到或超过上覆荷载时新的分凝冰形成，并假设冻结缘中的孔隙冰与冰透镜体是刚性连接的。加拿大学者Konrad等人［19］引进凝势（SP）概念，定义为温度梯度下水的迁移率，冻胀机理为冻结锋面处冰-水界面的排干，水分向正在增长的冰透镜体的迁移量正比于冻土中的温度梯度。这个模型的优点在于只要知道温度梯度，就可以计算现场的冻胀状态。

我国冻土研究的理论相对国外来说起步较晚，对温度场的研究时间不长，1970年后，冻胀问题才开始成为国内冻土研究的热门。何平等［52］认为，土冻结过程中，除水分场、温度场发生变化外，土的密度场也发生变化，因此，考虑土骨架的变化是必要的，并依据连续介质力学和热力学原理，建立冻土黏弹塑损伤耦合本构理论。在理论分析及试验验证的基础上，提出损伤演变律及损伤门槛值的具体形式，同时分析了围压对冻土的强化及弱化机理，建立了与球应力相关的未冻水含量状态方程以及黏塑性耗散势函数。刘亚等［53］研究在冻土动荷载下公路、铁路路基的性质，得到了动应力动应变变形规律以及残余应变与温度的关系。研究者们结合宏观与微观，通过分析土体内部颗粒接触关系连接形式以及颗粒状态来研究冻土强度变化机理。对于冻胀的表现形式及形成机理的研究，已有大量的冻胀试验研究成果。Kaplar C W［54］在美国CRREL进行了恒温下土样的冻胀试验，结果表明，试验中的土壤冻胀率是一个变量，它与热量的提取率密切相关。Guthrie W S［55］对不同水泥含量的粉质地基土的冻胀特性进行了试验，结果表明当掺入足够量的水泥时，用水泥处理土样可以有效地控制冻胀，而当掺入水泥的量不足时，用水泥处理的土样冻胀量大于未处理样品中的冻胀量。Hui B［56］选取三种不同温度条件对粉质黏土进行了开放系统冻胀试验，试验得出三种情况下最终冻胀量、试验结束时的水分分布和最终干密度分布各不相同，认为冻融历史在评估或预测粉质黏土冻胀中起重要作用。Ya-hu T［57］对细粒土进行了开放式冻胀试验，比较研究了无荷载、静荷载和动荷载对冻胀敏感性的影响，试验结果表明，细粒土的冻胀随着外部荷载的增加而减小，当静荷载等于动荷载的一半时，静荷载和动荷载下的细粒土的冻胀量大致相等，土体的冻胀不受列车循环荷载频率变化的影响。吴东军［58］通过自主研发的土体冻融装置在开放系统下进行了单向冻结深厚表土试验得出冻结过程中水分由未冻水含量较高处向冻结锋面迁移，开放系统下土体冻结会使得土体整体的含水率提高。含水率相同的土体冷端温度越低冻胀量越大冻胀越早达到稳定，冷端温度相同时含水率越大冻胀量越大达到冻胀稳定的时间越长。唐益群［59］通过室内冻胀试验，研究冷端温度对上海饱和淤泥质黏土的冻胀力以及冻胀率的影响规律，结果显示土样冻胀率以及冻胀力与冷端温度具有较好的线性关系。张婷［60］采用单因素和正交试验方法对南京地区淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土、粉砂进行了冻胀试验，结果表明，冻胀率随冷端温度和含水量线性减小，随干密度增大而增大，其中含水量较冷端温度对冻胀率的影响显著。李军［61］以神朔铁路路基冻害严重地段路基填料中低液限粉土填料作为试验土样，进行由上向下冻结的室内封闭系统冻胀试验，分析压实系数、含水率、冷端温度对其冻胀特性的影响，得出低液限粉土填料的初始冻胀含水率和最优含水率相当，含水率和压实系数相同时，冷端温度的降低也会导致前期冻胀速率增大，冻胀量和冻胀率逐渐增大冷端温度绝对值增大，冻胀量和冻胀率显著增大。王锐［62］通过室内闭式冻胀试验分析两种土体冻胀率与压实度、土质和含水率的关系，得出冻胀率随含水率线性增大。张以晨［63］等通过对不同含泥量的冻土在不同含水率、饱和度和密实状态下进行的室内冻胀试验得出，土中的含水量是影响冻胀的最主要因素。岑国平［64］进行一系列冻胀正交试验，研究含水率、含泥量、压实度、上覆荷载、补水对冻胀率的影响规律，得出各个因素对冻胀率的影响从大到小依次为：补水、含水率、含泥量、压实度、上覆荷载。韩春鹏［65］对石灰改良路基土进行了开敞式室内冻胀试验，试验结果表明，在相同的含水率下，石灰掺量越大，土体冻胀率越小，而含水率越大，冻胀率越大。刘宜平［66］通过室内冻胀试验，系统地研究了加载方式、补水条件、冷端温度、压实度、动应力大小等因素对冻胀特性的影响，结果表明，补水条件、冷端温度及压实度对冻胀变形及水分迁移的影响明显，在开敞系统条件下，当冷端温度较高、压实度较低时土样的冻胀强度及水分迁移量明显增大，此时的冻胀病害严重。

国内外众多学者从理论、试验两大方面研究了冻胀的表现形式和冻胀机理，提出了各种冻胀的预报模型和防冻胀措施，其中试验研究更能够形象深入地反映冻土的冻胀特性的表现形式及形成机理，而在前人关于冻胀特性的试验研究中，对温度、含水率、外荷载、冻融历史等因素对各种不同土质的单一土样试件冻胀的影响已有充足的研究成果，但对于桩体存在时桩周冻土的冻胀特性研究却比较少。而在退化多年冻土区工程中桩体的存在会使冻融过程中周围土体的温度场和水分场与单一土体不同，进而对退化多年冻土区桩周土体的冻胀产生影响，上述前人的众多研究成果并不能很好地直接反映桩周土体的冻胀特性，因此有必要针对退化多年冻土区桩周土体的冻胀特性进行研究。(www.xing528.com)

（2）冻土融沉研究现状。

关于冻土的融沉问题，国内外学者也已有较多的研究。Tsytovich等人是第一个对冻土融沉以及结构物沉降进行研究的。研究结果表明由于土体中冰的溶解，孔隙比突然改变产生的融沉固结近似等于冰物质的厚度，并且独立于外荷载，与融沉深度，时间的平方根成比例。在完全融沉产生一段时间后，位移逐渐减少，与时间的对数成比例。其研究表明饱和土融沉产生的位移符合Terzaghi固结理论。N.R.Morgenstern和J.F.Nixon［67］根据固结理论提出了一维的永久冻土的融沉位移公式，假定融沉线随着时间的平方根成比例移动，给出了融沉固结问题的移动边界解。Bear和Corapcioglu［68］对饱和孔隙介质建立了数学模型，包含了流体压力、温度以及由于温度和压力的改变导致的土体沉降，推导出了物质、能量守恒平衡方程，在公式中体现了黏滞性消散以及压缩功的影响，同时在模型中考虑了热传导以及应力传递相互作用影响。M.Y.Corapcioglu和S.Panday［69］建立了一个预测模型来描述永久冻土融沉沉降。冻土融沉沉降是一个多相孔隙物质空气、冰、水以及固体颗粒互相传递和变形过程。建立了水冰相变和土体变形的守恒方程，扩展了达西定律使其能够适用于温度梯度产生的水气运动，假定固体颗粒完全弹性的拟静态平衡方程和应力应变关系，同时在模型中考虑温度和孔压导致的水气变化以及相变曲线。研究表明，本文提出的基于黏滞性的消散以及压缩推导出来的能量守恒方程以及其他方程，能够很好地模拟永久冻土融解的物理过程。最后根据通用模型对一维土柱融沉进行了近似模拟。Foriero［70］等人用基于大应变的融沉固结模型进行有限元模拟。他将经典小应变概念推广到大应变理论，基于提出的有限应变融沉固结理论无量纲改变，考虑到固结过程中渗透、压缩系数的变化。将应用有限元生成的无量纲设计表格预言融化固结沉降。Sally Shoop［71］等人应用帽盖模型模拟路基荷载下的正融土的变形。材料参数被应用到帽盖Drucker-Prager塑性硬化模型中。

在冻土融沉的研究中，有多数研究者应用土的融沉系数来预报融沉。土体融沉系数与土质、干密度、含水量等因素有重要关系，国内许多学者通过试验得到了融沉系数与土体塑限含水量、饱和含水量之间的数学关系式。我国在20世纪70～80年代针对青藏高原风火山等地的土质进行了现场和室内冻土融化压缩实验研究，建立融沉系数与土的物理指标之间的关系。中科院冻土实验室的何平、程国栋［72］等研究了冻土融沉系数的方法，应用融沉系数计算方法分析非饱和、饱和、过饱和状态的融沉分析的结果与实验测试结果很吻合。王建平［73］在对前人所做研究经验进行总结的基础上，研制出专门应用于人工冻结土体冻胀融沉模型的试验装置，并通过对徐州地区黏土进行试验，验证并详细阐述了该试验装置的可靠性和应用范围。邰博文等［74］基于非饱和土渗流和热传导理论，将冻土水分场和温度场耦合建立冻土的水热耦合微分方程，基于各向同性的土体体积膨胀与材料的热膨胀现象，建立路基的冻胀模型，由水热耦合微分方程计算含冰量，再通过水动力冻胀模型计算路基的冻胀变形。王效宾［75］选用南京地铁工程典型土质做了人工冻土融沉特性试验，结果表明：土体融沉系数随含水率增大而增大，且游泥质黏土、粉质黏土融沉系数随含水率增大呈分段线性增大。粉砂土相对于游泥质黏土和粉质黏土属于非冻胀融沉敏感土。朱现磊等［76］研究冻结法施工中土体冻胀融沉特性规律，以某地下联络通道工程为原型，根据相似理论，进行了水平冻结模型试验。结果表明：冻胀融沉过程中，土体温度先迅速降低后升高，维持在0℃一段时间后继续缓慢升高至室温，土压力值先增加后减小，其中竖向土压力值随深度的增加而增大。相同埋深下，距冻结管越近水平土压力值越大，土体融化固结沉降值明显大于冻胀位移值。土体竖向位移较水平位移变化显著，积极冻结期内土体温度降低速率变慢，且埋深越大，距冻结孔越近土体温度降低越快，降幅越大。侧限土体压力值先增加后减小，侧限土体压力值则逐渐增大，全封闭土压力值变化率更显著。梁波［77］对清水河、北麓河的河堤土质进行了室内试验研究，并设置不同的初始含水率、荷载、密实度等作为对比分析控制因素，求出循环融沉系数与融沉系数的经验公式。闫晓建［78］等进行了一系列的不同角度桩体材料为铝合金桩体和混凝土桩体的切向冻胀力试验研究，得出正温下基础与土体接触面破坏形式为塑性破坏，负温时接触面间的破坏性状呈脆性破坏；负温状态下，冻土与基础接触面间的冻结强度、黏聚力值以及内摩擦角值随着温度的降低而增大；铝合金接触面上的胶结能力弱于混凝土接触面上的胶结能力。冻融循环试验时试样内部温度随深度呈现出“阶梯”状变化趋势，融化阶段存在冻土核现象；试样内部水分迁移现象明显；试样的冻胀量始终小于融沉量，土样呈现密实变形。前人以理论和试验手段研究了融沉的机理以及提出各种融沉控制及改良手段，但对于桩体存在时桩周冻土的融沉研究却鲜见报道，而在退化多年冻土区工程中桩体的存在会使周围土体的温度场和水分场与单一土体不同，进而对退化多年冻土区桩周土体的融沉产生影响，上述前人的众多研究成果并不能很好地应用到退化多年冻土区桩基工程中，因此研究退化多年冻土区桩周土体融沉特性也很有必要。