退化多年冻土区桩基室内模型试验成果

研究表明，冻土地基温度的变化直接影响其承载能力［128］，桩基础周围冻土温度决定着桩基承载力条件。因此，研究桩基对桩周土体温度的影响，分析桩周冻土温度场的变化规律，对多年冻土区桩基施工、结构设计优化及桩基础温控措施开展均具有重要指导意义和参考价值。袁喜忠等［129］对青藏高原北麓河南部地区缓坡地带钻孔灌注桩桩周冻土进行一年的现场地温监测，分析了钻孔灌注桩施工后桩周冻土回冻过程中桩周土温度变化特点。研究表明，冻土桩桩周土体温度在一定范围的时间（施工周期）内并不能恢复到施工前的初始地温状态。吴亚平等［130］以青藏高原冻土地区工程实例为背景，考虑了冻土初始地温场、混凝土入模温度、大气温度变化等影响因素对群桩桩周冻土回冻过程中温度场变化进行数值计算，并且把数值计算结果与现场实测数据进行了对比，并提出了回冻率的概念。D.J.Hutchinson［131］等通过冻土桩基现场原位试验研究发现：冻土中温度场分布的变化，含盐量的高低及桩顶载荷大小等对桩基变形的大小具有一定的影响。徐学燕等［132］利用有限元分析方法从冻土层完全冻结和完全融化两个角度出发对位于多年冻土地区中高压输电塔的桩基热稳定性进行了研究，分析了在设计荷载的作用下完全冻土桩基础位移的变化，并与完全融化条件下的桩基位移进行对比分析，分析结果表明桩身周围土体的冻结对于其位移有重要影响。吴少海［133］以青藏铁路为背景，对其冻土桩基试验数据进行了较为深入的分析，结果表明：位于Tcp-Ⅰ（Tcp≥-0.5℃）区的冻土基本不回冻，而位于Tcp-Ⅲ（Tcp≤-1℃）区以上的冻土均能够回冻。且回冻时间随桥址选择的不同有所不同，一般情况下约为50d。宇德忠等［134］为了准确掌握多年冻土地区桥梁钻孔灌注桩的回冻时间、桩基回冻前后承载力的变化，在岛状多年冻土地区选择2个试验地点，每个试验地点浇筑3根15m长的试验桩，并在试验桩处布设温度监测系统，采集桩基回冻过程中的温度数据，根据温度监测结果判断桩基回冻状态，在桩基完成回冻前后分别进行静载与动测试验，分析回冻前后桩基承载力、各土（岩）层的侧摩阻力及桩端阻力的变化规律。章金钊等［135］对昆仑山垭口附近桩基施工中混凝土水化热导致桩周冻土融化后的回冻过程进行了研究，得出了混凝土入模温度对桩侧冻土回冻时间影响较大的结论。

由于土中孔隙水在由液态转变为固态的过程中会产生一定的冻胀力，会导致土体微观结构的改变，引起桩体的上拔趋势。此外，在多年冻土区对桩体进行施工时，由于桩-土界面特殊性的存在，回冻后，其界面上往往形成一层冰膜，冰膜的产生对桩基的承载及稳定有着重要的影响。依据程国栋［136］对祁连山热水2号试验路堤的研究和兰州大学现代物理系及铁道部西北科研所对青藏高原风火山地区的长期冻-融循环观察发现，季节冻结层中的水分由下向上迁移，而融化层中的水分由上向下迁移，最终上下层的水分在多层冻土上部汇积。这一现象解释了冻土冻层上部厚层地下冰形成的过程，为指导冻害防治提供了理论参考价值。马巍等［137］通过引入迁移势的定义，确定冻结前缘的水分迁移，提出了正冻土中水分迁移水分场的一维数学模型。该模型的提出，使得计算时不依赖于土体的导水系数，简化了正冻土水分场的计算，可用于对野外冻土区水分迁移进行预报，为冻胀预测提供理论基础。李洪生［138］通过研究季节性冻土的水分场分析、温度场分析和外荷载的相互关系，提出了适用于开放饱水系统、一维稳态冻结情况下，考虑水分迁移、热质交换和外荷载作用下的冻胀量预报简化模式。通过进行实例计算验证，结果表现该模式有效，能够应用在冻土的冻胀量大小和发展的预测，但对于真正意义上的三场耦合问题还有待进一步研究。张喜发等［139］对吉林几条高速公路进行路基冻害调查研究时发现，无论地下水埋深大小，路堑冻土在冻结期间水分迁移都向路基上部路床迁移，这种竖向迁移导致路基上部出现冻胀。他还提出，水分迁移不仅有竖向，水分积聚还有它向迁移，且线路的气候条件和路基土的干湿状态是产生水分迁移和冻胀冻害的重要影响因素。王旭、蒋代军等［140～142］通过参与青藏铁路的建设，对冻土地区的大直径钻孔桩基未回冻状态和回冻状态的研究，为冻土地区不同地温条件下钻孔灌注桩的施工、养护提供工程实践的技术支持，对青藏地区冻土的钻孔灌注桩的回冻、水分迁移问题做了初步探索。高玉佳等［143］对长春地区季节性冻土通过野外测温、取样、测试含水率等，研究温度变化对季冻土水分迁移的影响。研究表明，气温回升会导致地表温度的降低，深度越小则温度越高，温度的降低形成温度梯度，温度梯度增加，水分迁移越明显，含水率变化越大。Biggar K W、Kong V［144］通过对位于加拿大北部冻土地区，长期处于超载作用下的137根单桩进行单桩极限承载力原位试验。试验研究表明冰含量对于长期处于超载下冻土桩基承载力的降低程度影响较大，其影响的实质是冻土中未冻水的含量的变化。

除室内模型试验外，现场试验研究也是冻土桩基研究的主要手段之一。在冻土地区桩基承载力研究方面，由于桩基在多年冻土中的承载力受到很多因素的影响，确定桩基的设计承载力应综合考虑桩周土体类型、地层温度状况、工程地质条件等，并结合具体的工况和施工方式，对各种影响因素进行系统归纳分析，因此很难通过理论推导得出桩基承载力，一般采用现场静载试验对单桩承载力进行预测。

由于冻土的特殊性，导致冻土中桩基的承载特性明显不同于普通土体中的桩基，关于冻土地区桩基承载力的研究，国内外学者开展了一定的科学研究。励国良等［145］对青藏铁路沿线五道梁及清水河冻土地区做了一定数量的冻土桩基现场原位试验，根据该试验首次给出了适用于冻土地区的桩基原位静载试验的荷载施加标准及桩基承载力破坏标准。研究表明：钻孔灌注桩比打入桩及钻孔打入桩的桩侧冻结力高，并且给出冻土地区桩侧及桩端土体冻结强度的试验实测数值及理论计算值。孙学先等［146］以青藏铁路为背景，利用现场静载试验对多年冻土区的钻孔灌注桩进行研究，并根据该地区的冻土类型，结合桩基所处位置的冻土物理力学参数对其桩抗拔试验进行了弹塑性数值分析，并将模拟结果于现场实测数据进行了对比，两者较为吻合。Biggar K W［147］对处于含盐的多年冻土中，分别采用矿渣回填、灌浆固化及表面处理三种不同方法处理后的桩基承载性能进行了研究，研究表明不同处理方案对于桩基承载力影响不同。张军伟等［148］采用现场静载试验，对位于青藏高原的风火山厚层地下冰地区中高温不稳定冻土地段某桥梁桩基的研究，得出该桥梁钻孔灌注桩的承载力与变形规律。在桩基施工过程中，混凝土硬化放热会影响周围多年冻土环境以及冻土温度的恢复过程。刘靖波，张辰熙［149］从冻土地区桩基抗压承载力、抗拔承载力和水平承载力三个角度出发，对多年冻土地区混凝土灌注桩浇筑过程中，混凝土水化热引起周围冻土融化而导致桩基承载力的影响进行了原位试验研究，研究表明冻土融化和回冻对于桩基承载力有较大的影响，故在冻土桩基工程施工中应该予以考虑。(www.xing528.com)

在现场原位试验研究方面，以上学者主要是以青藏高原及国外冻土地区的具体工程实例，借助一定的现场监测手段从桩体的选型、桩基最佳施工时间的选择及钻孔灌注桩对于桩周土体温度场的影响三个角度对冻土桩基进行了研究。

综上所述，不论是理论研究还是试验研究，对于多年冻土区桩基承载性能，目前国内外学者主要是围绕冻土-桩基相互作用机理、冻土冻结强度影响因素、桩基竖向承载力的影响因素这几个方面进行研究，而对于考虑大气温度升高下冻土桩基承载力变化问题，目前研究较少，且都是通过理论计算和数值模拟进行分析，具有一定局限性。相比之下，物理模型试验能直接定性或者定量地反映围岩与工程体的相互作用过程，直观分析桩基承载力规律，克服桩基理论研究中解的不确定性、数值模拟中冻土的多变性。但是由于实验条件的局限及相关理论研究的不成熟，目前鲜有利用物理模型试验来研究考虑大气温度升高下冻土桩基承载力的变化问题。而大气温度的升高，通过改变地层桩周土体温度从而引起融冻层厚度的改变，又真实影响着冻土桩基的承载性能，故本书利用步入式多功能冻土试验箱，通过理论分析和数值计算得出大气温度升高对于地层温度场的变化影响，并将这种影响作为变量施加于模型试验条件中，从而实现利用冻土桩基模型试验研究考虑大气温度升高下桩基承载力的变化问题。