现浇混凝土-冻土接触面冻结强度直剪试验研究

关于混凝土-冻土接触面的力学强度研究多集中于预制成型混凝土样（块）与冻土接触面的力学试验研究,而与工程实际更为接近的冻土中现浇混凝土、冻结稳定后混凝土-冻土接触面的力学强度研究则少有涉及。基于冻土中现浇混凝土的试验方式,开展了不同水灰比、含冰量及冻土温度条件下,混凝土-冻土复杂接触面冻结强度的直剪试验研究。结果表明：试验条件下,由于混凝土中粗、细骨料导热系数及水化热侵蚀强度不同,冻土中现浇混凝土会导致混凝土-冻土接触面发生起伏变化。受该因素影响,粗糙接触面较光滑接触面的冻结强度增大71.9%。粗糙接触面引起的应力集中,使得剪应力在剪切破坏过程中出现间歇性增大、跳跃。在冻结强度构成中,随接触面粗糙程度的增大, φ值对冻结强度增长的贡献要大于c值。水灰比由0.4增至0.6,混凝土导热系数降低,生成接触面趋于光滑,冻结强度减小;土体含水量由15%增大至30%时,冻结强度增大,含水量继续增大至40%时,冻结强度减小;在不同温度条件下,整体呈现冻土温度降低冻结强度相应增大的趋势。基于上述结果,多年冻土区灌注桩设计时,建议混凝土采用0.4~0.5水灰比。     

青藏冻结粉土与混凝土基础接触面本构关系研究

土冻结过程中,冰胶结作用使周围土体颗粒与建（构）筑物基础联成一体,这种胶结力称为土与基础间的冻结强度,通常采用冻土沿物体（例如基础材料）表面的剪切强度来度量。因而,冻土与基础接触面的应力-应变关系及其强度特征是确定冻土区基础工程承载力、抗拔性能和分析构筑物与冻土相互作用的基础和关键。为了更好地服务于工程实际,通过大量的冻结粉土与混凝土基础接触面剪切试验,总结了冻土接触面的基本力学特征和受力变形规律。根据获取的剪应力-位移曲线和冻结粉土接触面强度变化规律,利用标准本构模型建模方法,建立了冻结粉土接触面应力-位移-温度本构方程。该模型可以较好地描述不同温度冻结粉土接触面应力-位移变化规律,并为冻土区构筑物受力和变形数值计算提供基础。     

粉质黏土-混凝土衬砌接触面冻结强度影响因素显著性分析

冻土与结构接触面的力学性能对寒区工程研究具有重要意义, 容易受到外界因素干扰。为研究不同因素对粉质黏土与混凝土衬砌接触面冻结强度的影响, 设计考虑含水率、 冻结温度、 冻结时间的三水平正交直剪试验。试验结果表明： 在冻结初期, 提高土体含水率, 降低冻结温度, 延长冻结时间有利于接触面早期冻结强度的提升, 且这种作用效果是线性的。基于显著性分析理论, 发现含水率、 冻结温度、 冻结时间对接触面早期冻结强度的显著性等级均为极显著, 三者之中, 冻结温度影响最大, 含水率影响最小。采用多元线性回归, 忽略因素之间的二阶交互作用, 建立了考虑含水率、 冻结温度、 冻结时间作用的粉质黏土与混凝土接触面的冻结强度预测模型, 为类似工程提供科学参考。     

冻土中单桩抗压承载力模型试验研究

以新疆地区某高压输电线建设项目为背景, 在室内进行了人工冻结条件下桩的静载荷模型试验. 试验研究在不同冻结温度下冻土中单桩竖向荷载下的承载力特性及其力学现状, 分析了包括桩的轴力、桩土冻结强度及其分布规律, 以及桩端阻力特性和桩头竖向位移与荷载的关系曲线等. 研究获得了桩的冻结力、单桩竖向承载力与温度的关系等, 可为未来西部冻土地区桩基的设计与施工提供参考依据.     

湿干循环作用对冻土-复合土工布界面常法向应力剪切特性的影响试验研究

土工合成材料广泛应用于寒区工程建设,但土体与材料界面的剪切强度是其薄弱环节。受降雨、灌溉等因素影响,土体在一定深度范围内经历湿干循环作用。为研究湿干循环作用对冻土与土工合成材料界面剪切强度的影响,本文基于控温直剪仪对粉质黏土-复合土工布在常法向应力条件下界面剪切特性开展试验研究,试验因素包括湿干循环次数、温度和法向应力。结果表明,常温条件下湿干循环对界面剪切强度有劣化作用,负温条件下界面剪切强度随湿干循环次数增大整体呈现增大趋势,经过一定循环次数后趋于稳定。湿干循环作用下界面黏聚力和内摩擦角的变化规律与界面剪切强度变化规律相对应,而界面黏聚力的变化是引起剪切强度变化的主要因素。通过对剪切强度的影响变量及其交互作用进行显著性分析,发现法向应力、冻结温度和湿干循环次数均对剪切强度有强显著影响,法向应力和温度的交互作用以及温度和湿干循环次数的交互作用也对剪切强度有显著影响。本文研究成果可为复合土工布在冻土工程中的应用提供参考。     

冻土与结构接触面冻结强度研究现状与展望

全面掌握冻土与结构接触面冻结强度研究进展,是进一步深入开展冻土与结构接触面冻结强度研究的前提。首先,从接触面冻结强度定义、接触面冻结强度剪切试验仪器研发、动静荷载作用下接触面冻结强度试验、接触面冻结强度数值模拟等多个角度系统归纳接触面冻结强度方面的最新研究成果。其次,通过对比不同接触面冻结强度剪切仪,指出现有试验仪器的不足,提出接触面冻结强度成因及破坏机理缺乏深入揭示的原因,讨论现有冻土与结构接触面单元模型、接触面冻结强度预测方法等方面存在的问题。最后,提出研发改进冻土接触面冻结强度试验仪器以更好模拟实际工况的展望,指出应当运用冻土微观结构研究手段深入揭示接触面冻结强度成因及破坏机理,建议结合试验和理论推导构建更为合理的冻土与结构接触面单元模型,阐述以多影响因素试验为基础探寻更为完善的接触面冻结强度预测方法。通过国内外研究现状、存在问题及其发展趋势分析,为冻土与结构接触面冻结强度研究以及冻土区地下工程设计和隧道工程人工冻结加固等方面提供参考和指导。     

冻土的单轴抗压、抗拉强度特性试验研究

在寒区工程建筑物设计中,冻土的抗压、抗拉强度是两个重要的力学指标.在负温条件下,对粉质黏土、黄土和砂土进行单轴抗压和劈裂抗拉试验,研究冻土破坏时的破坏形态、破坏机理、应力-应变曲线和拉应力与径向位移关系曲线的形式,分析单轴抗压强度和劈裂抗拉强度的差异以及这两种强度随土质特性和温度的变化规律.试验结果表明：单轴载荷作用下试样破坏后呈鼓状,且表现为应变软化型塑性破坏特征;劈裂作用下产生沿直径向试样两侧延伸的裂缝,不同土质破坏后裂缝扩展的宽度和深度不同;冻土的抗压强度与抗拉强度均与负温存在很好的线性相关性,随温度的降低而增大;在相同温度条件下,冻土的抗压强度大于其抗拉强度;对于同一种冻土,其抗压强度的温度效应比抗拉强度的温度效应显著.本试验分析结果可为寒区工程的实际应用提供参考.     

冻土中单桩抗拔承载力的模型试验研究

以新疆地区某高压输电线冻土桩基础受力分析为背景,在人工冻结条件下,进行了单桩的室内抗拔模型试验.研究了在不同冻结温度下,冻土中单桩在竖向上拔荷载作用下的承载力特性及其力学性状,分析了包括桩的轴力、桩土之间的冻结力沿桩身的分布规律,桩头竖向位移与荷载的关系,并且定量分析了冻结力和承载力与冻结温度的关系.最后,将分析结果与抗压桩进行了比较.成果可为西部冻土地区桩基的设计与施工提供参考依据.     

负温对基坑悬臂桩水平冻胀力影响的模拟研究

寒冷地区基坑悬臂桩支护工程,在桩后土体水平冻胀力作用下,易出现桩体倾斜、水平裂缝、剪断等问题.负温是水平冻胀力产生的关键因素,采用数值模拟方法,分别模拟粉质黏土、黏土在一定的负温变化下,桩体水平冻胀力的大小和分布模式,结果表明：负温越低,土体冻结速率越大,水平冻胀力越大;桩身范围内,水平冻胀力大致呈上下小、中间大的抛物线型分布,最大值出现在基坑的中下部,为开挖深度的0.5～0.8倍,力值约为冻胀前土压力的2～15倍,同时拟合出最大水平冻胀力与温度、桩顶位移之间的关系公式;此外,桩体水平位移随负温增加而增加,桩顶位置处,冻胀引起的水平位移为开挖引起位移量的0.88～11.38倍.     

尺寸和加载速率对冻结水泥土单轴压缩影响

为揭示尺寸效应和加载速率效应对冻结改良土力学特性的影响规律,以冻结水泥改良土为研究对象,开展了不同尺寸与加载速率条件下的单轴压缩试验,通过分析试验数据,讨论了高径比和加载速率对试样强度与变形特性的影响。研究结果表明,高径比影响试样的应力-应变曲线类型及峰值后的变形特性。高径比增加,应力-应变曲线出现明显弹性屈服点,峰后脆性增强,试样破坏形式由劈裂破坏变为单一剪切破坏。试样的抗压强度、切线模量、起始屈服模量、破坏应变随高径比变化均可用抛物线进行拟合,综合考虑,推荐试验宜采用高径比为1.62~2.02的试件。在试验设定的温度和加载速率条件下冻结水泥土的单轴压缩应力-应变关系均为应变软化型。与冻土类似,冻结水泥土的抗压强度与起始屈服强度同样随温度的降低和加载速率的增加而增大。不同温度下冻结水泥土抗压强度与加载速率的关系可用幂函数表示。温度越低,起始屈服强度受加载速率影响越大。温度和加载速率对冻结水泥土切线模量也有较大影响,不同加载速率条件下切线模量与温度呈线性关系。冻结水泥土的破坏应变随温度的降低和加载速率的增加而增大,在1.94%~6.94%之间变化,不同加载速率条件下破坏应变与温度呈幂函数关系。     

青藏粉土-玻璃钢接触面力学特性直剪试验研究

青藏直流±400 kV输变电工程中采用表面光滑的玻璃钢覆盖基础表面,以减少切向冻胀力对基础的冻拔作用。过去的研究鲜有涉及土体特别是冻土与玻璃钢基础接触面的力学特性,为指导冻土区基础设计和安全评价,采用应变直剪仪开展了多种含水率和温度条件下青藏粉土-玻璃钢接触面直剪试验研究。结果表明,青藏粉土-玻璃钢接触面屈服时相应剪切位移很小,应变硬化阶段短暂或不显著;冻结状态下接触面应力-位移性状呈脆性破坏型,存在明显峰值;融化状态时接触面的剪应力-位移性状呈塑性破坏型,其应力-位移关系曲线为弱软化型和屈服型,没有明显峰值;融化状态时接触面抗剪强度值随含水率的增加而缓慢减小,冻结状态时其强度随负温绝对值和含水率的增加而增大,且随着土体含水率的增大,温度降低导致接触面抗剪强度增强效果更加显著,土体含水率大于19%后抗剪强度趋于稳定;温度对抗剪强度的影响主要体现于黏聚力的改变,且随着含水率的增加,温度影响增强。接触面内摩擦角随负温绝对值增加而减小,随含水率的增加而减小。     

施工期间人工挖孔桩桩间土稳定性分析

为预防人工挖孔桩窜孔,探讨了桩间土失稳机制,分析了桩间土失稳时的位移特征,建立了桩间土稳定性分析的力学模型,推导了桩间土稳定系数及安全桩净距的计算公式,提出了窜孔防治措施建议。结果表明,桩间土失稳时,滑动土体位移平行于桩心连线,其宽度等于两桩桩径较小值;桩间土稳定系数与滑动土体宽度及埋深成反比,与桩净距成正比,随滑动层的抗剪强度及残余抗剪强度增大而增大,而滑动层厚度则存在一个最不利值,可通过试算确定;控制桩孔间的混凝土面高差、增大桩孔开挖净距、加强护壁,减少桩间土的扰动等是防治窜孔的有效措施。工程实例表明,桩间土稳定性评价方法合理、实用,可为黏性土场地的人工挖孔桩施工提供参考。     

Numerical analyses of uplift behavior of pile foundation for transmission line structure in frozen soil regions北大核心CSCD

Pile foundation is one of the most commonly used and suitable foundations to support transmission line structure, especially in seasonally frozen soil regions and permafrost regions. Axial compression is the controlling condition in the design of foundations for such structures as bridges and buildings, while uplift and overturning will control the design of transmission line structure foundations. This paper presents an extensive overview of previous studies including experimental (e. g., laboratory model test and full-scale field load test), analytical/theoretical (e. g., limit equilibrium and limit analysis based on plasticity)and numerical(e. g., finite difference and finite element methods). The review indicates that study on the uplift behavior of pile foundation in frozen soil is relatively limited, particularly in the case of combined effect of axial uplift and lateral loading. Interaction between pile and frozen soil and mechanism of load transfer along the pile shaft and around the pile tip still remain unclear. Therefore, this paper implements finite difference analysis within FLAC3D to investigate the behavior of pile foundation in frozen silty clay and gravelly sand under axial uplift behavior and the effect of ground condition and lateral loading on the uplift behavior. Because of the axisymmetric condition of the problem studied, only half of the model is simulated. The chosen domain of the medium is discretized into a set of quadrilateral elements and the pile is discretized by the cylinder element. The interaction between the soil and pile is considered according to interface elements. Mohr-Coulomb criterion is adopted to model the soil behavior (perfectly elastic-plastic), while the pile is simply considered as a rigid body. The soil parameters such as Young’s modulus, cohesion and internal friction angle used for numerical analyses are determined by laboratory tests and estimated according to the empirical correlations with in-situ tests. The present numerical modeling is verified with the results from field loading tests on pile foundations in Qinghai-Tibet ±550 kV transmission line project. On this basis, parametric studies are carried out to uncover the behavior of pile in frozen soil. It is observed that pullout is the dominant failure mechanism of pile and the uplift load-displacement curve clearly exhibits an asymptote, consisting of initially linear elastic, nonlinear transition, and finally linear regions. These results are consistent with the observations in a few previous studies. In addition, larger uplift capacity of pile foundation in freezing period and gravelly sand is gained (about 20%). Lateral loading increases the deflection and therefore, decreases the uplift capacity of pile foundation. For the convenience of using the results obtained in practice, the values of uplift factor for pile foundation in silty clay and gravelly sand are provided. Finally, it should be noted that the method used, and the results obtained in the current work could be useful for engineers and designers, at least providing them some qualitative evidence for pile design in seasonally frozen soil regions and permafrost regions. This is important and necessary to ensure the safety of construction in such regions. Meanwhile, numerical analyses in the current work can be a benchmark example for subsequent research studies. © 2022 Science Press (China).     

青藏铁路多年冻土区桩基础施工中的混凝土温度控制问题

简要介绍了青藏铁路沿线多年冻土的工程特性和分布情况及其与桩基础工程间的相互影响,论述了在青藏铁路高原多年冻土区施工环境下, 被广泛应用的钻孔灌注桩在施工过程中的混凝土温度控制问题. 讨论了影响桩基回冻时间的各种因素以及混凝土入模温度控制在其中所占的地位, 提出了对青藏铁路相关施工规范中桩基混凝土部份温度指标进行适当调整的建议.     

抗拔桩极限平衡方程及其应用

将抗拔桩侧阻力分解为与桩侧正压力不相关的桩-土黏结强度 、与桩侧有效正压力成正比的摩擦力 两部分,采用摩擦定律计算摩擦力 。基于轴对称条件,假定土体为半无限弹性体,以Mindlin公式积分计算分析极限平衡状态下桩-土共同作用,依据平面应变条件下柱状孔扩张的弹性力学解建立桩-土界面位移协调方程,推导出抗拔桩极限平衡方程,给出了求解方法及计算参数确定方法。该方程能反映桩与土的材料特性、桩体尺寸、桩顶埋深、群桩效应、卸荷效应等多因素对抗拔桩极限承载力的影响。结合海上风电大直径超长抗拔钢管桩足尺试验进行验证。对比分析结果表明,该方法计算的抗拔极限承载力与实测值接近,计算精度远高于现行规范推荐方法,其结果可为工程应用及抗拔桩承载力机制研究提供参考。     

冻土与结构接触面次峰值冻结强度试验研究

为探究冻土与结构接触面次峰值冻结强度影响因素、影响规律及其预估方法,选取南京河西地铁施工区域典型粉细砂为试验土样,利用改进后的大型多功能冻土直剪仪,开展多影响因素条件下的冻结强度直剪试验研究。在对次峰值冻结强度定义和量化标准约定的基础上,研究发现极限峰值后剪应力陡降、峰后剪应力周期性变化、软化衰变等典型变化规律。将次峰值冻结强度与接触面温度、粗糙度、法向应力拟合后发现其分别呈反比例线性、二次抛物线、正比例线性关系。通过关系数据库管理软件数据挖掘,得出次峰值冻结强度关键影响因素及大小依次为接触面法向应力、粗糙度,而接触面温度为非关键影响因素。经多元非线性回归,构建了耦合接触面温度、法向应力及粗糙度三因素的次峰值冻结强度预估模型,可为人工冻土区或天然冻土区冻结加固设计、盾构法施工、地下结构物设计等提供冻结强度参数选取依据。     

The P-y Response of Laterally Loaded Flexible Piles in Residual Soil

This paper describes the main features related to lateral displacements with depth after successive lateral loading–unloading cycles applied to the top of reinforced-concrete flexible bored piles embedded in naturally bonded residual soil. The bored piles under study have a cylindrical shape, with 0.40-m in diameter and 8.0-m in length. Both bored piles types (P1 and P2) include an embedded steel pipe section in their center as longitudinal steel reinforcements: pile type P1 has another 16 steel rods as steel reinforcement to concrete while pile type P2 has no further steel reinforcement. Pile type P1 has three times as much stiffness (EI) and four and a half times the plastic moment (M_y) than pile type P2. A similar load–displacement performance was observed at initial loads as for small displacements of both piles. At this initial loading stage, the response of the reinforced concrete piles is a function of the soil characteristics and of a linear elastic pile deformation. During this stage, piles can even be understood as probes for evaluating soil reactions. For larger horizontal displacements, after the concrete section starts undergoing large deformations, approaching the ultimate bending moment, pile behavior and consequently the load–displacement relation starts to diverge for both piles. For pile P1 the values of relevant lateral displacements are extended to about 2.5-m in depth, while for pile P2 lateral displacements are mostly constrained to about 2.0-m in depth. Measurements of horizontal displacements of pile P1 against depth recorded with a slope indicator show that, after unloading, lateral loads at distinct stages (small and near failure loads), exhibits a much higher elastic phase of the system response. An analytical fitting model of soil reaction is proposed based on the measured displacements from slope indicator. The integration of a continuous model proposed for the soil reaction agrees fairly well with the measured displacements up to moments close to plastic limit. Results of load–displacement show that the stiffer pile (P1) was able to mobilize twice as much lateral load compared to pile P2 for a service limit displacement of about 20 mm. The paper shows results that enable the isolation of the structural variable through real scale pile load tests, thus granting understanding of its importance and enabling its quantitative visualization in examples of piles embedded in residual soil sites.