退化冻土区桩基室内试验研究

针对冻土区桩基承载力问题，众多学者从桩基温度场［79～80］、桩身受力特性［81］、冻土桩基回冻规律［82～83］、桩基沉降［84］以及桩基础抗冻拔［85～86］等方面预测了桩基承载力，研究了桩-土相互作用规律，积累了大量理论经验。

唐丽云［87～88］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。房建宏等［89］基于共玉高速沿线多年冻土地区气候继续变暖、冻土地温升高、冻土上限下移、部分冻土甚至消失情况下，对野外试验监测数据，分析了不同路面条件下地气热交换规律、堆石体路基降温机制、热管降温机制、通风管降温机制、高温冻土蠕变规律、坡向对路基边坡温度场影响和桩基承载力及桩土相互作用的工程效果，为进一步优化各类设计参数提供了科学依据。李小和［90］考虑地基冻土、桩基传热、大气温度变化、混凝土中水泥水化热、混凝土入模温度变化及其相互作用等因素，通过数值计算对青藏铁路多年冻土区桩基的回冻过程、混凝土入模温度及其对施工的影响进行了研究。孙文斌［91］基于模型试验，利用Ansys数值模拟软件，对不同温度条件下冻土和融土对单桩竖向承载力的影响进行了分析，得出冻土温度对单桩承载力的影响规律，并得出冻融条件下单桩承载力的变化规律。徐春华等［92］通过有限元软件对桩基在不同工况下的承载力进行了模拟分析，得出了冻土温度、桩长、桩径等因素对桩基承载力影响规律。

桩基础作为多年冻土区重要的基础形式，多年来一直受到冻土工程界学者的广泛关注。结合室内冻土力学实验、模型试验和现场试验，围绕桩基-冻土作用机理、冻结强度影响因素、桩基垂直水平承载力实测等方面，国内外学者进行了大量的研究工作。但是从目前所掌握的文献资料来看，北美国家对桩基的研究大多限于钢桩，直径较小。俄罗斯在工程中所采用的桩基类型较为广泛。国外，俄罗斯是世界上最早注意到将建筑物修筑于冻土上的国家。在1904年修建阿穆尔和外贝加尔铁路时遇到了大量的冻土问题，1912年俄罗斯学者［93］出版了《永久冻土与永久冻土上的建筑物》一书，阐述了在永久冻土条件下建造建筑物的方法，为冻土学的发展做出了巨大的贡献，促进了俄罗斯的冻土研究工作。1927年苏姆金发表的《苏联境内的多年冻土》［94］，标志着冻土成为一门专门的学科。1958年，崔托维奇出版的专著《冻土地基与基础》［95］比较系统地阐明了冻土的基本物理性质、力学性质、冻土中的物理力学过程及冻土上基础设计、施工方法。美国陆军部寒区研究与工程实验室（CRREL）从二战开始，为解决阿拉斯加等寒区道路、机场及其他军事设施的建筑问题，开展调研积累多年冻土区特殊工程的设计标准与施工准则的素材。CRREL出版了《深季节冻土区和多年冻土区基础设计和施工》一书，提出了深季节冻土区和多年冻土区特殊工程设计标准和施工准则。美国陆军部寒区研究与工程实验室在费尔班克斯多年冻土区，做了以下研究工作：根据工程所在环境的特殊性，在低温早强混凝土试验成功以前，多年冻土区优先使用钻孔插入桩，通过改变桩身表面性能提高冻结力；对冻土中桩周的冻结强度受桩身材料及桩身尺寸、桩的安装方法、回填材料、冻土的流变和加荷方法的影响进行了研究；认为冻土的应变速率、地温、土冰中的混合物对桩的承载力影响最大，若土的类型、地温已给定，可调整桩的材料及其尺寸和回填材料来优化桩的承载力；对于以沿桩表面摩擦发挥其支承作用的摩擦桩，在多年冻土区一年中最危险的时期通常是晚夏至初冬，那时荷载主要支承深度处的多年冻土的温度处在其最暖期。Morgenstern等［96～97］研究了永冻区桩的设计问题及在冰和富含冰的土中摩擦桩的性能。Nixon等［98～100］建立了一种在永冻区桩基的设计方法，即在盐质永久冻土区承受水平和垂直荷载桩的设计，进行了桩的荷载试验。Puswewala等［101～102］建立了冻土与结构物相互作用的计算模型，并进行了冰中的桩体和冻土中的桩体在水平荷载作用下的蠕变效应分析。Heydinger［103］对于永久冻土区桩的设计进行了部分研究。Dufour等［104］进行了在冻结砂土中振动模型桩的打入研究。Morin［105］分析了冰中或冻土中的抗浮桩竖向荷载作用下的效应分析以及水平稳定性分析。Eroshenko［106］研究了通过静载荷试验确定冻土地区桩基承载力的方法。Parameswaran［107～110］进行了冻土中模型桩在动力荷载作用下桩的蠕变位移研究，还对冻土中的桩承受动力荷载时的承载力特性进行了研究，发现当桩仅承受相当于静态应力的5%的动应力时，冻土中承受长期荷载桩的位移就会增加，在非轴向压力作用下冻土的徐变也会增加，这些现象会使桩的承载力降低，因此建议在永久冻土区桩基设计时应该考虑动力荷载的作用效应。Stelzer和Andersland等［111～114］进行了在冻结砂土中模型桩沉降的动荷载效应，桩沉降的蠕变参数方程及在冻土中桩的粗糙度和受荷性能的研究，研究了在冻结砂土地区模型桩的沉降行为，并研究了置于冻土中的摩擦桩，在承受静力荷载的情况下，附加大小约为长期作用下荷载的3%到5%的周期荷载时，将增加桩的沉降率的问题。Foriero等［115～117］对富冰冻土中侧向受荷桩基的分析和设计方法进行了讨论，研究了有限元数值方法模拟水平荷载作用于冻土桩基作用结果，与通过实测得到的结果进行对比分析，并编制了基于黏塑性的有限元程序，主要考虑桩土相互作用体系平面应变和平面应力问题，通过加入薄层接触单元，模拟桩土之间的相互作用效应，但是未实现截面冻结力和摩擦性能模拟。Biggar和Sego［118～122］在加拿大盐质永久冻土区进行了单桩载荷试验，发现回填材料的不同，可使桩与回填材料相接触界面的强度比回填材料与冻土相接触界面的强度大，这样桩的承载力受回填材料与冻土相接触界面的剪切强度所控制，承担荷载的表面积增大，可充分调动冻土的剪切强度，对于给定的桩，不加大桩的尺寸即可增加桩的承载力，同时分析了盐质永久冻土区考虑时间效应时桩的位移，并开展了含盐永久冻土和季节冻土不同桩型的现场载荷试验研究。Biggar和Vivien Kong［123］进行了多年冻土区长期荷载作用下桩的荷载试验分析，得出在非盐质永久冻土区，桩在给定的高位移率下破坏时，其应力比设计规定中的富含冰的桩的应力小，证明在盐质永久冻土区桩的承载力有大幅度的降低。Biggar和Sego等［124～125］还研究了在冻土区通过扩大桩基来提高桩的承载力的问题。Dubina提出了冻土区结构物与土层系统中应力-应变、温度、湿度场变化相互影响的数学模型。在模型中，热物理参数对应力-应变状态演化的影响用孔隙冰的含量来解释，孔隙冰含量是由土的温度、类型和含盐量决定。Selvadurai等［126］研究了在轴向荷载作用下的冻土基础。Vyalov等［127］介绍了试验室和现场在冻土中单桩和群桩的承载特性，表明土变形的特征受桩间距和土的性状影响，对于大间距，群桩的承载能力由群桩中单桩的承载力和单桩的数目所决定，对于小间距，其承载能力是不确定的而且需要对桩的沉降进行特殊分析，提出了基于理论研究的单桩和群桩沉降公式，表示通过应用应变硬化蠕变理论来考虑冻土流变特性。(www.xing528.com)

综上所述，在理论和数值计算研究方面，国内外学者在桩-土相互作用平衡方程、桩基破坏模式、温度场的控制方程、桩基屈曲、土的本构方程等方面进行了探索，利用数值计算软件对多年冻土区桩基承载力影响因素进行了分析，但是关于冻土桩基承载力变化受大气温度变化影响的研究较少。