冻融条件下模型桩基水平动力试验研究

基于自制的冻土-桩动力相互作用模型试验系统,对-5℃、-3℃及上层融化多年冻土中模型桩基进行了水平向动力试验,主要研究了冻结及上层融化冻土中模型桩基的桩头位移-荷载关系、桩基水平动刚度变化及桩身弯矩分布情况。结果表明：冻土中桩基动力响应特性与土体温度密切相关;正冻土中桩基有较大的侧向刚度,当冻土与桩接触面出现较大间隙时,桩头位移-荷载曲线呈反S形;桩基动力性能随多年冻土温度降低将有所改善;当冻土上部出现融化层时,桩基动响应变化显著,桩头动刚度明显减小,桩基在较小动载下可发生较大侧向位移,同时桩身最大弯矩值较正冻土中偏大,且此弯矩点埋深较大。对于多年冻土区桩基工程,应特别重视夏季上层冻土融化时可能出现的震害。     

多年冻土区单桩竖向承载力在短期异常气候作用下的响应分析

由于全球气温升高,导致多年冻土逐渐退化,严重影响上部构筑物的稳定性。尤其在日渐复杂的气候环境下,极端天气、气候的频繁发生,使得多年冻土区的地基承载力的变化更加复杂。以多年冻土区某高温、高含冰量地段为例,考虑太阳辐射、冻土相变、大气对流、气候变暖等因素,通过数值方法计算分析了某单桩竖向承载力在短期异常气候作用下的响应。结果表明：短期异常变暖气候对桩基承载力有降低作用,主要体现在降低桩土界面冻结强度,对冻结面积的大小基本没有影响,气候变暖对冻结强度影响时间长而且不可消除;升温幅度越高,承载力降低越强;极寒极暖交替期间,桩基的承载力随着外界气温波动,寒暖期交替过后对桩基承载力基本没有影响。     

地下水渗流对冻土区模型桩力学特性的影响分析

为了研究冻土区地下水的渗流效应对桩基的荷载传递规律的影响,考虑到桩身轴力、桩侧冻结应力和桩周土温度对桩基承载力均有影响,依据室内模拟试验,分别模拟了无地下水、桩顶水有温度效应、桩底水有温度效应、桩顶水有温度及渗流效应、桩底水有温度及渗流效应5种不同工况下地下水对冻土桩基承载力的影响。试验结果表明：无论是桩顶水还是桩底水,在接近地下水处,同时有温度效应及渗流效应的轴力值变化比仅有温度效应时的小,当地下水为桩底水时加载后的桩轴力小于地下水为桩顶水时的轴力值;桩底水引起的桩侧冻结应力变化幅度比桩顶水大,地下水的温度效应使得部分冻土温度升高而融化,而地下水的渗流效应进一步增大了冻土融化范围,使得桩基力学特性发生改变,进而影响了桩基承载力。     

混凝土的入模温度和水化热对青藏直流输电线路冻土桩基温度特性的影响

施工过程中混凝土的入模温度和水化热对多年冻土区桩基施工期间的热稳定性具有重要影响. 针对该问题,利用有限元方法定量研究了±400 kV青藏直流输电线路冻土区锥柱基础入模温度、水化热和含冰量对桩基回冻过程、温度场变化和桩底融化深度的影响规律. 结果表明：水化热影响下,桩基中心温度在第3天达到最高,桩底滞后1 d,基坑表面受其影响较小,主要受环境温度影响;第24天,桩底出现最大融化层,随着入模温度增加,融化层厚度相应增加,入模温度为6℃时融化层厚度为34 cm,15℃时为55 cm;入模温度越高,回冻时间越长,当入模温度为6℃时,完全回冻需经历52 d,15℃时,回冻时间将增加7 d. 含冰量对桩底融化深度有影响,含冰量越大底部融化深度越小;冻土年平均地温是影响桩底融化深度的重要因素,少冰高温（-0.52℃）、低温（-1.5℃和-2.5℃）冻土条件下,最大融化层厚度分别为38 cm、34 cm和25 cm. 基于上述结果,在多年冻土地区的桩基工程,建议混凝土入模温度为6~8℃,底部碎石垫层至少40 cm.     

东北多年冻土地区地基承载力对气候变化敏感性分析

近年来,中国东北多年冻土地区正处于显著的增温过程中。由此导致多年冻土逐渐退化,并严重影响到构筑物的稳定性。以0.05 ℃的年平均气温上升率为背景,采用带有相变的传热学有限元方法,对中国东北多年冻土地区不同初始气温条件和不同含冰量类型冻土的地基温度状况以及季节活动层厚度变化进行了模拟;利用温度场有限元数值试验结果和已有承载力试验数据分析了不同类型冻土地基的力学性质对气温变化敏感性,评估了气温变化对各类冻土地基承载力的影响。气候变化对多年冻土地区构筑物稳定性影响程度取决于两个环节：其一,冻土地基温度状况对气候变化的响应;其二,冻土地基力学性质对地基温度变化的敏感性。研究结果表明,冻土地基含冰量和温度状态对其承载力随气温变化的敏感性具有显著的影响。含土冰层地基承载力对气温变化最为敏感,气温变化对高温冻土地区浅层地基承载力以及桩-土冻结强度影响较大;而深基础桩端冻土地基承载力受气候变化影响相对较小。     

工程活动下多年冻土热稳定性评价模型

提出了用季节融化层底板到潜在季节冻结深度区间沉积物融化所需要的热量与季节冻结层底板温度升高至0 ℃所需要的热量之和(Qt), 与夏半年土体吸收的热量(Q+)的比值来描述冻土热稳定性(ST=Qt/ Q+). 根据青藏公路沿线地温温度场的监测资料,对多年冻土热稳定性模型进行了计算,并分析了多年冻土热稳定性与年平均地温、多年冻土顶板温度和季节融化深度间的关系. 根据人类工程活动对多年冻土影响,将多年冻土热稳定性分为4类:热稳定型、热稳定过渡型、热不稳定型和热极不稳定型多年冻土.     

多年冻土地区冻土地温和季节融深对桩基地基系数的影响

本文根据青藏高原多年冻土地区昆仑山桩基试验场的试验结果,得出地基系数与融化深度的平方成反比,并在一定温度范围内,随桩侧冻土平均温度的降低近似地呈线性递增。     

青藏高原冻土区活动层厚度分布模拟

活动层夏季融化、冬季冻结的近地表土(岩)层,是冻土地区热力动态最活跃的岩层,在冻土研究中有着重要意义.根据青藏高原地区80个气象观测台站1991-2000年的地面温度观测资料结合数字高程模型,计算出青藏高原冻土区的地面冻结指数和地面融化指数,然后应用斯蒂芬公式分别得到多年冻土区的季节融化深度和季节冻土区的季节冻结深度.     

Stefan方程在土壤冻融过程模拟中的应用

多年冻土与大气间的相互作用主要是通过活动层中的水热动态变化过程而实现。气候变化背景下的多年冻土活动层冻融过程模拟、多年冻土厚度制图和变化预测是研究冻土区生态环境、水文、工程以及碳循环的基础。根据国内外研究进展,总结了不同修正形式的Stefan方程在多年冻土活动层冻融过程和活动层厚度模拟中的应用进展,对将Stefan方程应用到分层堆积土壤中的不同算法进行了简要介绍,并指出了其在应用过程中存在的问题。Stefan方程首次将地表（或者大气）温度的变化与冰层（或者土层）的冻结融化过程以简单公式的形式联系起来,极大地简化了土壤冻结融化过程的分析计算。由于其输入参数少、形式简单、模拟效果可靠,成为常用模拟土壤冻融过程的方法之一,将其耦合到气候模型、陆面模型和水文模型中的研究也越来越多。Stefan方程最初在研究北极地区湖冰形成过程时提出,在应用到冻土学中后,不同学者在考虑土壤含水量、不同下垫面地气温差、地形和降水等因素后对方程进行了改进,并有多种算法试图将这一方程应用到非均质土壤中,取得了较好的模拟效果。但是,Stefan方程在国内的应用更多地用于简单模拟均质土壤多年冻土活动层厚度的空间分布状况,其应用到非均质土壤中的研究却较少。因此,未来需更深入研究Stefan方程模拟分层土壤的冻融过程,为准确掌握多年冻土对气候变化的响应研究提供最基本的方法。     

季节冻土区黑土耕层土壤冻融循环期湿度与温度变化研究

在黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心的综合实验观测场, 利用2011年11月-2012年4月一个冬季冻融循环期的实测黑土耕层剖面土壤湿度和温度数据, 对典型中-深季节冻土区黑土耕层土壤湿度与冻结融化期土壤温度变化进行研究. 根据阳坡的黑土耕层土壤浅层1 cm、 5 cm、 10 cm及15 cm四种不同深度, 对冻融循环过程中土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化特征进行分析, 研究黑土耕层土壤冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 了解降水和温度对不同深度土壤湿度变化的影响. 结果表明: 在北京时间08:00、 14:00及20:00, 阳坡15 cm、 10 cm、 5 cm及1 cm深度黑土耕层土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化的线性相关可决系数分别为0.9298、 0.9216、 0.5989、 0.7281, 斜率平均标准偏差分别为0.017、 0.019、 0.095、 0.056, 截距平均标准偏差分别为0.17、 0.25、 1.31、 0.83. 阳坡10 cm及15 cm深度的黑土耕层土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化呈十分显著的线性相关关系. 阳坡5 cm深度的黑土耕层土壤湿度在冻结融化期与土壤温度变化线性关系稍微显著. 在整个冻结融化期, 因受太阳辐射、 降水及蒸发的强烈影响, 阳坡浅层1 cm深度黑土耕层土壤湿度与土壤温度线性相关性不如10 cm及15 cm深度的关系显著, 但比5 cm深度的关系显著.     

刚性桩复合地基垫层合理厚度确定方法

垫层厚度的设计是复合地基承载力能否全部发挥的关键因素,垫层的合理厚度基本是靠经验取值,缺少理论根据。基于垫层-桩-土相互作用机制,考虑使复合地基中桩和桩间土承载力发挥度相等的情况下,给出了垫层合理厚度的计算方法。利用该方法可对刚性桩复合地基进行优化设计。分析表明可以通过调整垫层厚度来调节桩-土应力比,较好地发挥桩和土的承载力,达到降低工程造价的目的。     

不同成桩工艺条件下冻结粉土中基桩承载性状试验研究

桩基础作为冻土工程中最适宜的基础形式,主要采用插入桩、静压桩和灌注桩三种桩型,因其成桩工艺不同对冻土地基及桩基自身造成的差异不一。为研究不同成桩工艺对冻土地基及基桩承载性状的影响,通过开展室内-1.5 ℃条件下单桩静载模型试验,分析在冻结粉土中不同成桩工艺对地温场、桩基极限承载力、桩身轴力以及桩侧摩阻（冻结力）的影响规律。试验结果表明：灌注桩对桩周地温场扰动剧烈,桩侧温度较高,地温变化幅度大。随着桩周土体的回冻,地温逐步降低,其中灌注桩桩侧降温速率最大;在承载力方面,2根灌注桩的极限承载力约为12.8 kN,静压桩为11.6 kN,插入桩极限承载力最小,仅为钻孔灌注桩的2/3。并对比4种不同成桩工艺的基桩在不同荷载条件下对应的沉降量,体现出成桩工艺对基桩沉降造成的差异性;随着桩顶荷载的逐级增加,桩侧摩阻（冻结力）和桩端阻力逐渐发挥作用,桩身上部1/3由于温度较低,致使桩侧摩阻（冻结力）较大,在10 cm深度附近温度最低,使桩侧摩阻（冻结力）达到最大值;并对比4种不同成桩工艺的基桩在荷载5.6 kN下轴力沿桩身的传递情况,发现静压桩更易把荷载传递到冻土区深层地基。     

多年冻土区钻孔灌注桩基础早期热稳定性研究现状与展望

多年冻土区钻孔灌注桩基础施工带来的热扰动削弱了桩基础的早期热稳定性, 降低了桩基承载力。通过早期热稳定性影响因素、 热稳定性对承载力的影响及其改善措施三个方面对钻孔灌注桩基础早期热稳定性的研究现状进行归纳总结。研究表明： 首先, 多年冻土区钻孔灌注桩基础具有热扰动范围大、 回冻时间长的特点, 其中水化热及胶凝材料、 入模温度、 成孔方式作为主动影响因素是热扰动的主要来源, 桩基特征及冻土工程地质条件作为间接因素也对早期热稳定性产生次要影响; 其次, 钻孔灌注桩热扰动显著降低了桩基早期的承载力, 延缓了上部结构施工时间; 在削弱桩基早期热扰动方面, 人工制冷、 热管等措施具有良好的加速回冻效果。基于桩基承载力与冻土地温的密切关系, 未来还需进一步定量评估冲击钻成孔施工方式、 灌注桩施工季节、 群桩设计参数对桩基早期热扰动的影响, 深入认识早期热扰动作用下桩基承载力的变化规律、 设计荷载与冻土蠕变的关系及其对工期的影响, 并研发施工更加便利、 效果更加显著、 适用范围更广的低水化热胶凝材料和钻孔灌注桩控温措施, 有效提高钻孔灌注桩早期的承载力。     

青藏高原地气温度之间的关系

应用多元线性回归分析方法,对位于40°~25°N,75°~102°E范围内的119个气象观测台站的1991—2000年平均气温和地面温度观测资料进行分析,获得了研究区域的月平均气温、地面温度与纬度、经度和海拔高度间关系的线性统计系数.统计结果和实测资料的比较以及统计分析的相关系数结果表明,高原地区的气温、地面温度和它的年较差与经度、纬度及海拔高度具有很好的相关性.应用曲线拟合方法将所得统计分析系数拟合成时间函数,就可将高原地区的气温和地面温度表示成统一的空间坐标和时间的函数.如果将已验证的1991—2000年平均地面温度与气温差统计结果作为气温与地面温度间关系的实验结果,那么,就可以解决长期困扰多年冻土预报研究中在任意已知时间和空间点上气温条件下,难以确定影响多年冻土温度状况变化上边界条件的变化这一难题.这一结果对于目前正在进行的青藏铁路冻土工程和环境预报研究具有重要意义.     

考虑桩端刺入沉降的桩土自平衡式复合地基设计

复合地基的本质是增强体与地基土通过变形协调共同承担上覆荷载。褥垫层的设置起到了协调桩土变形的作用,但褥垫层工作性状及变形特性尚不明确,其厚度设计仍然参考规范依靠经验判断,往往不能充分发挥地基土的承载作用。目前复合地基设计通常采用褥垫层调节桩土变形,而忽略了桩端刺入沉降协调桩土变形来发挥地基土的承载作用,为了利用桩端刺入沉降协调桩土变形,充分发挥桩间土承载的作用,减薄褥垫层或不设褥垫层并减小设计桩长,以期降低地基处理费用,实现桩土共同承担荷载的目的,建立了通过控制桩端刺入沉降协调桩土变形的自平衡式复合地基设计方法。通过与褥垫层方法对比以及工程实例计算,结果表明,该方法可更好地发挥桩土承载作用,为复合地基优化设计提供参考。