季节冻土区扩底单桩受力性能研究进展与展望

在深季节冻土区, 正冻土和桩相互作用时可能会导致桩基的拔断或整体冻拔破坏。在桩周土冻胀过程中, 等截面直桩主要通过桩和未冻区融土间的摩阻力达到锚固效果。而对于端部直径大于桩身直径的扩底桩来说, 当桩基有整体上拔的趋势时, 扩大头会受到上覆土层的阻力而起到锚固/抗冻拔作用。通过回顾国内外研究文献, 介绍了扩底抗拔桩现有的工程背景及应用情况, 并对季节冻土区桩基的受力性能进行了总结和分析, 主要内容包括： 土体冻胀和桩基的相互作用研究, 切向冻胀力试验研究和理论研究, 切向冻胀力作用下扩底桩基冻胀反力试验研究及理论研究, 切向冻胀力作用下未冻区桩-融土间摩阻力的研究概况等。最后, 结合现有的研究内容, 对季节冻土区扩底桩的应用及研究提出进一步的展望。     

青藏铁路多年冻土区桥梁桩基础地震响应的试验研究与数值分析

基于对负温条件下青藏铁路高温不稳定多年冻土区桥梁桩基础的缩尺模型振动台试验,明确了动荷载作用下模型桩-土界面和两桩中间土体存在温度升高响应。在此基础上,考虑天然状态和地震荷载作用下地温升高两种条件,运用动力有限元方法,对青藏铁路清水河特大桥桩基础进行了地震响应分析。计算表明,在高温状态下(-1℃以上),多年冻土的地基及桩基础在地震荷载作用下的动态响应对温度的升高异常敏感;在50年超载概率2%的青藏人工波作用下,因桩基础的相对位移增大了地基与桩基础间的滑移、脱离现象,特别是高温状态下地基与桩基础间的变形出现了明显的不稳定滑移,影响了整个桩基础的稳定性。     

黄土地区抗拔单桩的受力及变形特性研究

在黄土地区抗拔桩现场试验的基础上,通过数值模拟,分析了等截面抗拔单桩在竖向上拔荷载作用下的变形特性,并探讨了桩长和桩身混凝土强度对抗拔单桩Q-s曲线、桩身轴力及桩侧摩阻力的影响,力图为黄土地区抗拔桩的设计及施工提供一定的参考.     

多年冻土区桩基温度场研究

为了解决多年冻土区桥梁桩基浇筑混凝土对冻土层地温的影响,把握后续工程施工,需要对多年冻土区桩基温度场进行认真分析与研究。结合冻土桩的特点,根据冻融循环条件下土体热量迁移的基本规律,基于多孔介质和热力学理论,建立了多年冻土区桩基温度场控制方程。该控制方程不仅包括了热传导和相变潜热对温度分布的影响,而且考虑了混凝土水化热的释放规律,并将研究成果与的西藏某大直径灌注桩温度场现场试验结果进行对比分析。结果表明：所建立的冻土区桩基温度场控制方程计算结果与实测结果吻合较好。在此基础上,应用该模型作数值分析,着重分析了不同深度处桩侧土层温度随时间变化规律和混凝土浇注后不同时期温度沿桩径方向的变化规律,于解决西部多年冻土地区公路运营安全和行车性能,准确掌握多年冻土地区已建桥涵和新建桥涵基础稳定性,具有非常重要的理论和实际意义。     

沉管挤密抗拔防浮碎石桩的抗拔承载力计算分析

基于现场试验检测结果,分析了沉管干振挤密抗拔防浮碎石桩在砂土中的抗拔破坏模式和应力传递机理,运用极限平衡原理研究了抗拔承载力,得到了极限抗拔承载力计算公式,并利用公式对工程实测结果进行了分析比较,表明两者较为一致。现场试验表明,未达破坏荷载前,抗拔碎石桩的抗拔承载力与变形有较明显的线性关系;抗拔碎石桩破坏性状明显,能明确得到抗拔碎石桩的破坏荷载。     

季节冻土区光伏支架螺旋桩基的冻胀数值分析研究

利用有限元软件COMSOL自定义模块功能,将建立的水热力三场顺序耦合模型导入,模拟二维轴对称条件下多种螺旋桩在土体冻结过程中发生的冻拔,并设置光滑桩作对比.在冻深达到桩长全长时,全螺旋小叶片桩具有良好的抗冻拔效果（仅为光滑桩的19.5%）.使用COMSOL内嵌热应力模块,模拟三维条件下螺旋桩抗冻拔过程,并与室内试验结果作对比.结果显示冻深只有桩长一半时,双螺旋小叶片桩明显减少桩体冻拔量.表明：通过数值分析可比选出抗冻拔的最优桩型,对于现场试验的光伏支架螺旋桩型设计提供参考.     

斜向上拔螺旋桩基础极限荷载计算

斜向荷载作用下抗拔螺旋桩基础的研究选用螺旋桩为研究对象,引入了随动坐标系,并将桩-土相互作用形成的地基反力以载荷的形式施加于桩体和叶片,解决了大变形材料使用小变形弹性材料叠加原理问题,分析了斜向荷载抗拔螺旋桩基础的破坏模式,建立了斜向荷载作用下抗拔螺旋单桩和群桩基础的极限荷载估算公式,通过与螺旋群桩原型试验的极限荷载判定值的对比,斜向极限荷载估算值约为判定值的93.3 %。表明所使用的研究方法,提出的破坏模式和极限荷载计算方法比较符合实际情况,对斜向荷载抗拔螺旋桩基础工程的设计与分析有一定的指导意义。     

青藏公路下伏多年冻土的融化分析

基于青藏公路沿线高温冻土区和低温冻土区2组地温观测孔5 a的地温观测资料, 研究了路基下伏多年冻土的融化状态, 定量分析了进入路基下多年冻土内的热状况. 结果表明: 路基近地表地温明显高于对应天然地表下的地温, 路基近地表经历的融化期长于对应天然地表, 高温冻土区路基内已形成贯穿融化夹层;进入高温冻土区路基下伏多年冻土内的热收支处于持续不断的吸热状态, 进入低温多年冻土区的热收支也呈现出吸热明显大于放热的周期性变化;高温冻土区接近0℃的地温及其持续不断的热积累是引起下伏多年冻土不断融化的主要原因. 低温冻土区进入多年冻土的热积累暂时以增高地温耗热为主, 随着地温的增高, 低温冻土区也可能发生强烈的冻土融化.     

螺旋桩基础抗拔试验研究

异型的桩体几何形式增加了抗拔螺旋桩的桩土相互作用复杂性,抗拔试验研究有利于了解螺旋桩基础的承载机制和影响因素。通过16次原型桩抗拔试验,实测了单桩上拔荷载-位移曲线（U-Z曲线）,该曲线表现出多拐点、渐进型特点,采用单位荷载的桩顶位移变化率、桩顶位移增量以及结合地基变形特征的方法判定了3种桩型的抗拔极限荷载。用U-Z曲线、lgU-Z曲线和P/Pu-Z曲线初步分析了桩体埋深、深宽比、首层叶片埋置深度以及叶片距宽比等参数对螺旋桩基础抗拔承载性状的影响。试验表明,抗拔螺旋桩的埋深、首层叶片埋置深度和叶片距宽比存在临界点,影响桩土的工作性状和破坏模式。     

青藏铁路片石气冷路基工程试验研究

为确定青藏高原多年冻土区片石气冷路基修筑后温度场的变化过程,在青藏铁路清水河高温冻土细粒土段设计并开展了片石气冷路堤和普通路堤实体工程对比试验.基于两个测试断面的两个冻融循环的地温和变形监测资料,对比分析了片石气冷路堤与普通路堤的天然地面孔、左、右路肩孔的地温变化情况、温度场中最大融化深度的变化及路基的沉降变形情况.结果表明:片石气冷路堤体内地温寒季明显低于普通路堤段,利于积存冷量,其最大融化深度抬升幅度较大,该路基的沉降变形小于对比段.片石气冷路堤能够有效发挥降低地温、保护多年冻土的作用,是一种主动保护多年冻土的措施.     

青藏铁路多年冻土区涵洞基础的冻融变形特征

对青藏铁路沱沱河试验段两座拼装式涵洞进行了地基地温及冻融变形监测，分析了涵洞多年冻土上限处的地温变化及地基的冻融变形特征。结果表明：涵洞地基的变形随地温的年波动变化。可分为冻胀和融沉两部分。冻胀变形小于下沉变形，涵洞基础的变形整体上表现为渐减沉降的特征；铁路路基及涵洞的修建改变了多年冻土原来的水热平衡，使涵洞多年冻土上限处地温产生正温波动，冻土上限产生变化。导致了涵洞地基土体沿涵洞纵向的不均匀变形。     

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。     

青藏铁路含融化夹层路基热力响应监测分析

基于青藏铁路沿线P32和P33监测断面连续10年的含融化夹层路基的地温和变形场地实测数据,分析了该两处监测断面左路肩下多年冻土人为上限、季节冻结最大深度、融化夹层厚度及多年冻土人为上限附近地温的年变化过程;同时分析了P32和P33监测断面左右路肩的总沉降年变化过程、P32监测断面左路肩地温场对变形的影响及P33监测断面左右路肩地温场差异对左右路肩差异沉降的影响。结果表明:P32和P33监测断面左路肩下多年冻土人为上限逐年下降、季节冻结最大深度基本不变、融化夹层厚度逐年增厚及多年冻土人为上限附近地温逐年升高;观测期内,P32和P33监测断面左右路肩变形均以沉降为主,且P32监测断面左右路肩的总沉降变形量均小于P33监测断面;其中P32监测断面左路肩暖季沉降变形明显,冷季发生轻微的冻胀变形,且发生沉降和冻胀的时间略滞后于路基下部温度场的变化;P33监测断面左右路肩地温场的差异导致左右路肩存在差异沉降,且其差异沉降值随时间逐年变大。     

差分干涉SAR冻土形变检测方法研究

季节性冻融导致的地表形变是冻土地区工程建设的主要病害,冻土的冻胀和融沉是影响青藏公路以及目前建设的青藏铁路路基稳定的重要因素.近年来,差分干涉测量技术已成为地表形变测量和监测的重要工具.基于重复轨道的ERS 1/2雷达图像,研究了利用干涉SAR技术探测冻土形变的方法,经过对引入DEM差分干涉SAR技术的处理和分析,得到研究区冻土形变结果.通过与实测数据比较,表明重轨差分干涉测量可以精确地探测冻土表面形变,可用于青藏铁路冻土形变监测.     

青藏铁路多年冻土区路基变形特征及其来源

基于青藏铁路多年冻土区34个路基监测断面2005－2011年的变形与地温资料,分析路基的变形特征及其来源。监测结果表明：①监测期累计变形量大于100 mm的断面均为普通路基,其变形主要来自路基下部因冻土上限下降而引起的高含冰量冻土的融沉变形以及融土的压密变形,其次为路基下部多年冻土因地温升高而产生的高温冻土的压缩变形。②监测期累计变形量小于100 mm的普通路基与块石结构路基断面,其变形主要来自路基下部多年冻土的压缩变形。③总体而言,块石结构路基变形量明显小于普通路基,从而验证了主动冷却措施的长期有效性。其研究结果可为冻土区路基稳定性判断及病害预警提供数据支持。     

青藏高原多年冻土地区公路路基变形

通过对现场实体工程的长期监测资料和路基破坏机理分析研究,使我们对沥青路面对多年冻土的严重影响,导致多年冻土的升温与退化,使路基产生较严重的不均匀下沉变形,及其它所引起的一系列路基病害问题的发生发展过程有了较为系统和深刻认识,取得了大量现场实测资料及研究成果.讨论了高温多年冻土地区冻土路基的变形特征,以及冻土路基变形与工程地质条件的关系,给出了路基随地温波动变化而发生的变形过程。     

BP神经网络在冻土路基变形预测中的应用

在青藏铁路冻土路基现场实测资料的基础上，用改进的BP神经网络建立起了路基变形与地温、路基高度和上限之间的非线性映射。对某一典型路基第30年的变形进行了预测，结果显示路基的累计融沉量在冻胀量的两倍以上。从绘制的路基变形过程曲线可以很清晰地看出路基一年中的变形趋势和冻胀融沉区间。在4月份以后，路基的变形由冻胀向融沉转变，变形与地温有很好的正比关系，但是当地温升高到一定值时，路基的融沉量便不再随着地温的升高而增大。路基的冻胀与地温的关系也有相似的规律，说明地温对路基变形的影响存在一个比较明显的区间，在这个区间范围内的温度对路基变形的影响较大，这为控制路基的病害提供了一个比较有价值的信息。     

青藏铁路路基下融化夹层特征及其对路基沉降变形的影响

基于青藏铁路多年冻土区路基地温与变形现场监测资料, 研究了青藏铁路路基下融化夹层特征及其对路基沉降变形的影响. 结果表明:在已有监测场地中, 青藏铁路沿线天然场地融化夹层发育较少, 而路基下融化夹层发育较多. 低温冻土区路基下融化夹层能够逐渐完全回冻使其消失, 高温冻土区大部分路基下融化夹层有进一步发展的趋势. 当融化夹层下部为高含冰量冻土时, 融化夹层与路基沉降变形关系密切, 路基易产生较大的沉降变形; 当融化夹层下部为低含冰量冻土时, 路基沉降变形较小.     

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.     

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。