單向凍結(jié)過程中樁土相互作用試驗研究

陸建飛，帥 軍,劉金鑫

(江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

單向凍結(jié)過程中樁土相互作用試驗研究

陸建飛，帥 軍,劉金鑫

(江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

采用自行設(shè)計的單樁-正凍土模型試驗裝置，對單向正凍土和樁的相互作用進行了模擬試驗。試驗研究了相同含水率下，凍結(jié)溫度分別為-5、-10、-15 ℃時，正凍土中的樁周土體溫度場，樁頂上拔位移和樁基側(cè)摩阻力的變化趨勢。試驗結(jié)果表明：在單向凍結(jié)過程中，樁周土體溫度呈漸變趨勢，且與凍結(jié)溫度相關(guān)；樁頂位移經(jīng)歷3個階段，即凍結(jié)初期無明顯位移階段、迅速增長階段及逐漸平穩(wěn)階段，且凍結(jié)溫度越低，樁頂上拔位移越大；不同凍結(jié)溫度的樁周摩阻力沿樁身變化趨勢類似，即摩阻力呈現(xiàn)正、負交替分布的狀態(tài)。

巖土工程；正凍土；單向凍結(jié)；樁；側(cè)摩阻力；上拔位移

0 引 言

從全國范圍來看，我國多年凍土與季節(jié)性凍土分布面積超過全國總面積的一半[1]；國家對西部的發(fā)展投資力度逐年加大，在凍土地區(qū)進行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已十分常見[2]。樁基礎(chǔ)的高承載力、以及在凍土中的較好穩(wěn)定性使其成為寒區(qū)工程最常用的基礎(chǔ)形式。在寒區(qū)進行樁基礎(chǔ)設(shè)計和施工無法避免樁基礎(chǔ)和凍土的相互作用問題。在凍土地區(qū)，存在由于設(shè)計中忽略凍土和樁基礎(chǔ)相互作用的影響，而導(dǎo)致樁基礎(chǔ)大幅沉降，建筑物傾斜開裂甚至無法使用的案例[3]。因此，樁基礎(chǔ)和凍土的相互作用問題引起了國內(nèi)外各界的高度重視，尤其是凍土工程界。眾多學(xué)者通過進行室內(nèi)樁與凍土模型試驗以及現(xiàn)場實測[4-5]得出了冷區(qū)樁周平均摩阻力與溫度、水分等因素的關(guān)系是非線性的結(jié)論。賴遠明等[6]在理論上對切向凍脹力的大小和其沿著樁側(cè)的分布規(guī)律進行了探索，導(dǎo)出了樁基凍脹力三維問題的積分方程。舒春生等[7]模擬了在凍結(jié)過程中，樁與凍土相互作用模型試驗，得出了樁土相對位移和樁周凍結(jié)力隨凍結(jié)時間的發(fā)展趨勢；王旭等[8]對樁與凍土相互作用進行了現(xiàn)場試驗，根據(jù)所采集的實地溫度與施加的靜荷載，得出了在再次凍結(jié)過程中樁基礎(chǔ)的豎向承載力和樁周凍結(jié)力的分布規(guī)律；孫學(xué)先等[9]對青藏高原地區(qū)的兩種樁基礎(chǔ)進行了現(xiàn)場拉拔試驗，試驗分析了不同的樁型在相同的溫度場和地質(zhì)條件下，樁基礎(chǔ)的豎向位移和抗拔承載力的變化規(guī)律；張軍偉等[10]對風(fēng)火山地區(qū)灌注樁進行了現(xiàn)場靜力試驗，得出了高溫凍土地區(qū)受擾動后樁基礎(chǔ)的極限承載力和變形規(guī)律；張向東等[11]對融化過程中樁周總摩阻力進行了試驗研究，得出了樁側(cè)摩阻力與沉降位移的關(guān)系；李永波等[12]利用自行設(shè)計的儀器，對凍土-樁模型進行水平方向動力試驗，得出了樁基的荷載-位移曲線。

值得指出的是，上述研究對樁-凍土的相互作用問題的研究具有重要意義，但目前對土體凍結(jié)過程中樁-土系統(tǒng)的一些關(guān)鍵變量隨時間的變化仍需進行系統(tǒng)研究。因此，筆者采用鎮(zhèn)江地區(qū)黏土和模型樁，以高低溫交變試驗箱作為冷源，來進行季節(jié)性凍土-樁的相互作用試驗，將凍結(jié)溫度作為主要因素，系統(tǒng)研究在凍結(jié)過程中樁周土體溫度的變化、樁頂上拔位移以及樁側(cè)摩阻力隨時間的變化規(guī)律。

1 室內(nèi)模擬試驗概況

1.1 試驗準(zhǔn)備

1)樁周土試樣制備及其物理力學(xué)性質(zhì)

試驗采用鎮(zhèn)江某工地的黏土，將采集后的土體經(jīng)過暴曬風(fēng)干碾碎過2 mm篩，取約25 kg土試樣根據(jù)土工試驗方法配置含水率為30%的土樣，凍結(jié)前粉質(zhì)黏土物理力學(xué)性質(zhì)為：液限WL為34.6，塑限WP為21.4，塑性指數(shù)IP為13.2，滲透系數(shù)為5.4×10-6cm/s,-5、-10、-15 ℃的實配含水率分別為28.7%、28.1%、29.4%。

2)模型樁的制備

由于試驗空間的限制，選取無縫鋼管作為模型樁基礎(chǔ)，鋼管截面為圓環(huán)形，其外徑為10 mm，壁厚2 mm，長度280 mm，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3。

1.2 試驗裝置與數(shù)據(jù)采集

在古希臘，城邦就是人開啟公共生活的公共空間，人以此為契機在一個公共、開放的環(huán)境中交流與行動，人的文化和精神訴求得到滿足，人的意識和肉體發(fā)展在城邦的孕育下呈現(xiàn)勃勃生機。亞里士多德稱：“人是天生的城邦動物”。人的生命存在離不開社會活動的參與，人的生存發(fā)展始終與城邦緊密相連。人在城邦生活中自由地發(fā)表言論，積極追求至善的德性。在古希臘，長期的戰(zhàn)爭環(huán)境要求每一個公民必須具備強健的體魄，能加入到保衛(wèi)城邦的戰(zhàn)爭中，斯巴達的兒童從七歲起就由國家撫養(yǎng)，每一個人都進行體育教育和軍事訓(xùn)練。也正因如此，公民意志得以凝結(jié)成強大的力量，保護自身，保護家園，人的日常生活得以有序地進行。

凍結(jié)試驗系統(tǒng)由溫度控制系統(tǒng)、樁土試樣模型系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。

1)溫度控制系統(tǒng)采用蘇州東華儀器公司所研制的GWD-150高低溫交變試驗箱，該儀器制冷溫度最低可達到-40 ℃，最高可達到150 ℃。在試驗箱的儀表盤上能夠?qū)崟r顯示預(yù)期溫度值和實際溫度值；在試驗箱量程允許范圍內(nèi)該儀器能夠精確控制溫度的變化，其誤差不大于0.1 ℃。

2)樁土試樣模型系統(tǒng)中的填土容器采用直徑為25 cm的PVC水管，高度為25 cm，周圍裹一層聚氨酯保溫板，樁土試樣整體放入定制的保溫箱內(nèi)，保溫箱的總體尺寸為49 cm×46 cm×33 cm，保溫箱內(nèi)部能夠讓土樣四周及底部不受負溫的影響，以此來實現(xiàn)單向凍結(jié)。

3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用DH3818-2靜態(tài)應(yīng)變測試儀，該測試儀有20通道，能夠采集溫度、位移和應(yīng)變等數(shù)據(jù)，計算機能自動存儲所采集的數(shù)據(jù)。樁周土溫度分布采用T型熱電偶測得，精確度為0.01 ℃。樁頂上拔位移用5G102直線位移傳感器測得，其量程為25 mm，誤差小于0.25%。樁側(cè)應(yīng)變片采用BX120-3AA電阻式應(yīng)變片，該應(yīng)變片電阻值為120 Ω，靈敏度系數(shù)為2.08±1%，采用DH3818-2靜態(tài)應(yīng)變測試分析儀連接計算機自動采集數(shù)據(jù)。本試驗采集的數(shù)據(jù)包括：樁周土的溫度、凍結(jié)過程中樁頂?shù)纳习挝灰萍皹秱?cè)應(yīng)變。

1.3 試驗過程

試驗前在樁周按順序沿著樁頂往樁底方向粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片導(dǎo)線沿樁身延長接到DH3818-2數(shù)據(jù)采集儀上。樁身每隔2 cm間隔布置一對應(yīng)變片，為了消除凍結(jié)過程中溫度的影響，采用對稱橫豎貼片方式，一側(cè)拉伸，另一側(cè)壓縮，抵消溫度的影響，第1對應(yīng)變片距離樁頂10 cm，共布置9對，最后一對距離樁底約2 cm，應(yīng)變片外表面用704防水膠進行包裹，防止在凍結(jié)過程中水分對其造成影響和損壞應(yīng)變片。樁基礎(chǔ)應(yīng)變片布置如圖1。

圖1 樁身貼片示意Fig. 1 Distribution of strain gauge on pile

將配置好的土體分層填入試驗箱中，每填5 cm用木槌夯實，第1層土厚大約5 cm，安放粘貼好應(yīng)變片的樁基礎(chǔ)，填土過程中確保樁基礎(chǔ)始終呈豎直狀態(tài)，繼續(xù)填土至與PVC管平齊，埋入土中的樁基礎(chǔ)長度為20 cm。為監(jiān)測樁周土溫度的變化，在樁周布置9根T型熱電偶，實際埋深分別為：0、4.5、6.5、9.0、11.5、14.5、17.5、20.5、23.5 cm。準(zhǔn)備完成后，將樁土模型整個系統(tǒng)移入高低溫試驗箱。在試樁頂部布置一個直線位移傳感器，用于測量凍結(jié)過程中樁頂上拔的位移量。將應(yīng)變片、溫度傳感器和位移傳感器延長線接入DH-3818數(shù)據(jù)采集儀，設(shè)置至試驗溫度，開始試驗，每隔10 min采集一次數(shù)據(jù)，整個試驗過程中無水源補給。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 樁周土溫度場變化趨勢

正凍土中的樁基礎(chǔ)與其他常規(guī)土體中的樁基礎(chǔ)有著本質(zhì)區(qū)別，隨著凍融箱內(nèi)溫度下降到0 ℃以下(試驗前多次測驗得該土體的凍結(jié)溫度大概在-0.5 ℃)，土體中部分液態(tài)水發(fā)生相變凍結(jié)成固態(tài)冰并與樁基礎(chǔ)側(cè)面緊緊的膠結(jié)成一體形成凍結(jié)力，樁基礎(chǔ)承載能力顯著增強。文獻[13-15]表明，溫度是影響凍土強度特性的主要因素之一，因此，對樁體附近溫度的監(jiān)測非常重要，也是后續(xù)研究的前提。為了能清楚地觀察土體中溫度場的變化規(guī)律，將數(shù)據(jù)進行處理，不同凍結(jié)溫度下的溫度場分布曲線如圖2、圖3。以土體表面與樁交點為原點，樁埋深方向為正方向。

圖2 不同凍結(jié)溫度下樁周溫度隨深度變化Fig.2 Pile temperature changing with the depth at different freezing temperatures

圖3 不同凍結(jié)溫度下樁周溫度隨時間變化Fig.3 Pile temperature changing with the time at different freezing temperatures

2.1.1 不同時間溫度隨土體深度發(fā)展規(guī)律

由前述可知，樁周附近共布置有9組溫度傳感器，圖2給出了凍結(jié)過程中每隔5 h，即時間為0、5、15、20、25、30及35 h時，樁周土體溫度沿深度的變化趨勢。由圖2可以看出，在不同凍結(jié)溫度下，土體中溫度變化規(guī)律基本相似，圖2(a)、(b)和(c)中溫度總體變化都是隨時間呈下降趨勢，從劇烈凍結(jié)進入到穩(wěn)定凍結(jié)。溫度沿土體深度方向變化存在一個溫度差，這符合單向凍結(jié)條件下樁周溫度場的變化趨勢。在負溫的直接作用下土體上半段(0～12 cm)溫度變化較快，曲線傾斜較明顯，在土體表面處，10 h之內(nèi)達到了最低溫度；在土體下半段(12～25 cm)曲線變化逐漸平緩，溫度變化較為緩慢；在凍結(jié)過程中，凍結(jié)鋒面不斷下移，在不同的凍結(jié)溫度下，凍結(jié)鋒面最終到達的位置不一樣，圖2(a)中凍結(jié)鋒面位置大致在9 cm處，圖2(b)中凍結(jié)鋒面位置大概在14 cm處，圖2(c)中凍結(jié)鋒面位置大概在17 cm處。

2.1.2 不同深度溫度隨時間變化

由圖3可以看出，0～10 h，曲線斜率較大，溫度迅速下降，土體4.5 cm處溫度從初始溫度21 ℃下降到0 ℃左右，負溫直接作用在土體表面，土體上半段開始劇烈凍結(jié)；從10～35 h，曲線逐漸平緩，溫度緩慢降低，土體在穩(wěn)定凍結(jié)；對于不同的凍結(jié)溫度，凍結(jié)溫度越低，凍結(jié)鋒面不斷向土體下部移動，且到達凍結(jié)鋒面所需的時間相對越來越長，-5、-10、-15 ℃凍結(jié)時，分別在15、20、23 h后到達，且溫度穩(wěn)定的區(qū)域逐漸往下移，圖3(a)中，土體4.5 cm處溫度與土體表面溫差較大，其后溫度逐漸穩(wěn)定，溫度梯度很小，圖3(b)中，溫度梯度相差小的區(qū)域位于6.5 cm處，圖3(c)中，土體溫度相差很小的區(qū)域位于9 cm以后。

2.2 無荷載條件下凍結(jié)過程中樁頂位移與時間的關(guān)系

試樣系統(tǒng)在-5、-10和-15 ℃溫度下凍結(jié)時,凍結(jié)過程中樁頂上拔位移與時間關(guān)系曲線如圖4。

圖4 不同凍結(jié)溫度下樁頂上拔位移隨時間變化Fig.4 Uplift displacement of pile top changing with the time at different freezing temperatures

由圖4可以得出，在不同溫度下凍結(jié)，樁頂會產(chǎn)生上拔位移且具有相似的變化規(guī)律。隨著高低溫交變試驗箱內(nèi)溫度逐漸降低，土樣開始凍結(jié)，樁頂產(chǎn)生上拔位移。整個曲線可以分為3個部分：無明顯位移階段(可以看出具有向上運動的趨勢)、位移快速增長階段和逐漸穩(wěn)定階段。在-5 ℃溫度下凍結(jié)時，在0～15 h階段，樁基礎(chǔ)無明顯位移，在15～30 h階段，樁頂開始向上產(chǎn)生位移，且速度較快，在30～35 h階段，位移增長緩慢，最終上拔位移量為0.95 mm。在-10、-15 ℃溫度下凍結(jié)時，樁基礎(chǔ)無明顯位移階段所延續(xù)的時間幾乎接近，都在0～10 h左右，-10 ℃中稍有后移，在快速增長階段，-15 ℃中曲線斜率始終大于-10、-5 ℃中，表明凍結(jié)溫度越低，樁基礎(chǔ)上拔進程加快。在逐漸穩(wěn)定階段，-15 ℃位移始終大于-5、-10 ℃，凍結(jié)35 h后，3者最終上拔位移量分別為0.95、1.83和2.14 mm，可見溫度從-10 ℃降低到-15 ℃，樁基礎(chǔ)上拔位移增長較小。

2.3 凍結(jié)過程中樁側(cè)摩阻力沿樁身的變化趨勢

樁側(cè)摩阻力的大小不能像溫度、位移一樣直接讀取，只能利用應(yīng)變儀采集到的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換處理而得到。凍結(jié)過程中，樁基礎(chǔ)主要受膠結(jié)力作用。根據(jù)文獻[16-17]，樁側(cè)摩阻力fi可以表達如下：

Ni=EAεii=1,2,…,9

(1)

(2)

式中：fi為第i段樁側(cè)摩阻力，向上為正；Ni和Ni+1分別為第i段樁的頂部和底部的軸力；εi為第i個軸向應(yīng)變,其由靜態(tài)應(yīng)變分析儀直接采集得到；d為樁截面外徑，m；ΔL為相鄰應(yīng)變片垂直中心距，m。

在-5、-10和-15 ℃溫度下凍結(jié)時，1、3、5、7、9、11、13和15 cm處樁側(cè)摩阻力隨時間的變化規(guī)律如圖5。由圖5可知，不同溫度下凍結(jié)時，樁周摩阻力沿樁身的變化規(guī)律相似，樁周側(cè)摩阻力沿樁身均呈正負摩阻力交替變化，具有多個極值點。在凍結(jié)初期，土體還未凍結(jié)，此時摩阻力較小，隨著土體凍結(jié)，樁基礎(chǔ)開始上拔，導(dǎo)致摩阻力開始增加，在0～15 h內(nèi)，側(cè)摩阻力增長較快，其后20 h側(cè)摩阻力只有小幅增長，側(cè)摩阻力極大值大概出現(xiàn)在5～9 cm深度處，凍結(jié)35 h后，3種溫度下的極大值的絕對值分別為107.3、143.5和160.6 kPa。此外，在整個凍結(jié)過程中，樁基礎(chǔ)的正負摩阻力大致平衡。

圖5 不同凍結(jié)溫度下側(cè)摩阻力隨埋深變化Fig.5 Side friction changing with the depth at different freezing temperatures

3 結(jié) 論

通過凍土與樁基礎(chǔ)相互作用試驗研究，可以得出如下關(guān)于樁土系統(tǒng)的溫度、樁頂位移和側(cè)摩阻力的一些結(jié)論：

1)在單向凍結(jié)過程中，熱量向上傳遞需要一個過程，因此，土體上半段溫度場波動較大，下半段變化較為緩慢，土體中存在溫度差，符合單向凍結(jié)的理論，且凍結(jié)溫度越來越低，相同時刻凍結(jié)鋒面的垂直位置越深。

2)在凍結(jié)過程中，樁基礎(chǔ)會產(chǎn)生向上的位移，整個上拔過程可分為3個階段：無明顯位移階段、位移迅速增長階段和逐漸平穩(wěn)階段。溫度越低樁基礎(chǔ)開始上拔時間越早，-5、-10、-15 ℃三種溫度所對應(yīng)的上拔時間分別為12、9和7 h；溫度越低樁基礎(chǔ)的上拔位移量越大，3種溫度下最終上拔量分別為0.95、1.83和2.14 mm；-10 ℃后，樁基礎(chǔ)上拔位移隨溫度的降低增長不明顯。

3)在單向凍結(jié)條件下，凍結(jié)初期側(cè)摩阻力增加明顯，其后變化不大，樁側(cè)摩阻力沿樁身呈正負交替分布，摩阻力大致滿足樁身的平衡條件。

[1] 程國棟. 凍土力學(xué)與工程的國際研究新進展——2000年國際地層凍結(jié)和土凍結(jié)作用會議綜述[J]. 地球科學(xué)進展, 2001, 16(3):293-299.

CHENG Guodong. International achievements of study on frozen soil mechanics and engineering—summary of the international symposium on ground freezing and frost action in soils[J].AdvanceinEarthScience, 2001, 16(3): 293-299.

[2] 李寧，程國棟，謝定義.西部大開發(fā)中的巖土力學(xué)問題[J].巖土工程學(xué)報，2001, 23(3): 268-272.

LI Ning,CHENG Guodong,XIE Dingyi.Geomechanics development in civil construction in Western China[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 2001, 23(3): 268-272.

[3] 張爽，唐春安，張向東.季節(jié)性凍土地區(qū)高鐵路基沉降研究[J].東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013, 34(8): 1202-1205.

ZHANG Shuang, TANG Chun’an, ZHANG Xiangdong. Subgrade settlement of high-speed railway in seasonal frozen soil area[J].JournalofNortheasternUniversity(NaturalScience), 2013, 34(8): 1202-1205.

[4] CHEN G S, DAVIS D, HULSEY J L. Measurement of frozen soil-pile dynamic properties: A system identification approach[J].ColdRegionsScience&Technology, 2012, 70(1):98-106.

[5] WANG J Z, ZHOU G Q, ZHOU J S, et al. Influence of the hydration heat of cast-in-situ concrete on temperature field and stability of soil-pile in high-temperature permafrost regions[C]//InternationalConferenceonElectricTechnologyandCivilEngineering. Piscataway, NJ: IEEE, 2011:427-433.

[6] 賴遠明,朱元林,吳紫汪. 樁基凍脹力三維問題的積分方程解法[J]. 鐵道學(xué)報, 1998, 20(6)：93-97.

LAI Yuanming, ZHU Yuanlin, WU Ziwang. A simple integral equation method for three dimensional frost heaving force problem of piles[J].JournaloftheChinaRailwaySociety, 1998, 20(6): 93-97.

[7] 舒春生,吳亞平,馬巍,等.凍土中木樁荷載傳遞的時間效應(yīng)分析[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報, 2006, 25(1): 17-19.

SHU Chunsheng, WU Yaping, MA Wei, et al. Effect of time on the load-transfer of lumber Piles in frozen soil[J].JournalofLanzhouJiaotongUniversity, 2006, 25(1): 17-19.

[8] 王旭,蔣代軍,趙新宇,等.多年凍土區(qū)未回凍鉆孔灌注樁承載性質(zhì)試驗研究[J].巖土工程學(xué)報,2005, 27(1): 81-84.

WANG Xu, JIANG Daijun, ZHAO Xinyu, et al. Experimental study on bearing features of bored pile under non-refreezing condition in permafrost region[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 2005, 27(1): 81-84.

[9] 孫學(xué)先，張慧，田明.多年凍土區(qū)灌注樁豎向抗拔承載力試驗研 究[J].巖土力學(xué),2007, 28(10): 2110-2114.

SUN Xuexian, ZHANG Hui, TIAN Ming. Experimental study on vertical pullout capacity of cast-in-site pile in permafrost region[J].RockandSoilMechanics, 2007, 28(10):2110-2114.

[10] 張軍偉，馬巍，王大雁，等.青藏高原多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁承載 特性試驗研究[J]. 冰川凍土，2008, 30(3): 482-487.

ZHANG Junwei, MA Wei, WANG Dayan, et al. In-situ experimental study of the bearing characteristics of cast-in-place bored pile in permafrost regions of the Tibetan plateau[J].JournalofGlaciologyandGeocryology, 2008, 30(3): 482-487.

[11] 張向東，柴源，劉佳琦，等.凍融條件下樁基側(cè)摩阻力模型試驗研究[J]. 公路交通科技，2015, 32(4): 45-51.

ZHANG Xiangdong, CHAI Yuan, LIU Jiaqi, et al. Experimental research of pile foundation side friction model under freezing-thawing condition[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 2015, 32(4): 45-51.

[12] 李永波，張鴻儒，全克江. 凍土-樁動力相互作用模型試驗系統(tǒng)研制[J].巖土工程學(xué)報,2012,34(4):774-780.

LI Yongbo, ZHANG Hongru, QUAN Kejiang. Development of model test system for dynamic frozen soil-pile interaction[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 2012, 34(4): 774-780.

[13] 張向東，劉家順，張建俊，等. 地鐵聯(lián)絡(luò)通道人工凍結(jié)粉質(zhì)粘土變形與溫度特性試驗研究 [J].公路交通科技, 2013, 30(5): 74-81.

ZHANG Xiangdong, LIU Jiashun, ZHANG Jianjun, et al. Experimental research on relation between deformation and temperature characteristics of artificial frozen silty clay of cross passage of metro tunnel[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 2013, 30(5): 74-81.

[14] 張淑娟，賴遠明，李雙洋，等.凍土強度特性試驗研究[J].巖土工程學(xué)報, 2008, 30(4): 595-599.

ZHANG Shujuan, LAI Yuanming, LI Shuangyang, et al. Dynamic strength of frozen soils[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 2008, 30(4): 595-599.

[15] 王書娟，陳志國，秦衛(wèi)軍，等. 季節(jié)性冰地區(qū)路基凍脹機理分析[J].公路交通科技, 2012, 29(7): 20-24.

WANG Shujuan,CHEN Zhiguo,QIN Weijun, et al. Mechanism analysis on subgrade frost heaving in seasonal frozen[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 2012, 29(7): 20-24.

[16] 汪仁和，王偉，陳永峰.凍土中單樁抗壓承載力模型試驗研究[J]. 冰川凍土，2005，27(2): 188-192.

WANG Renhe, Wang Wei, CHEN Yongfeng. Model experimental study on compressive bearing capacity of single pile in frozen soil[J].JournalofGlaciologyandGeocryology, 2005, 27(2): 188-192.

[17] 魯先龍.上拔荷載作用下凍土地基混凝土單樁模型試驗[J].建井技術(shù),2012, 33(6)：17-21.

LU Xianlong. Model study single pile of concrete of pullout under frozen condition[J].MineConstructionTechnology, 2012, 33(6): 17-21.

ExperimentalStudyontheInteractionbetweenPileandSoilduringtheUnidirectionalFreezing

LU Jianfei, SHUAI Jun, LIU Jinxin

(Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, P.R.China)

Based on the self-developed single pile-freezing soil model test device, the simulation experiment about the interaction between unidirectional freezing soil and pile was conducted. With the same water content, the variation trend of the temperature field of the soil around the pile, the uplift displacement at the pile top and the lateral friction at the pile base in the freezing soil were studied when the freezing temperature was -5℃, -10℃, and -15℃ respectively. The experiment results show that during the unidirectional freezing process, the temperature of the soil around the pile is changed gradually and is related to the freezing temperature; the uplift displacement at the pile top undergoes three stages, i.e., early freezing stage without obvious displacement, rapid growth stage and gradually steady stage; and the lower the freezing temperature, the larger the uplift displacement at the pile top; the distributions of the pile side friction with different freezing temperatures exhibit the similar law that the positive and negative frictions occur alternatively.

geotechnical engineering; freezing soil; unidirectional freezing; pile; side friction; uplift displacement

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.11.11

2016-09-21；

2017-03-15

國家自然科學(xué)基金項目(11272137)

陸建飛(1967—)，男，江蘇南通人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖土工程、固體力學(xué)等方面的研究。E-mail：ljfdoctor@sina.com。

帥 軍(1991—)，男，安徽安慶人，碩士，主要從事樁基礎(chǔ)與凍土相互作用方面的研究。E-mail：1518461690@qq.com。

TU446

A

1674-0696(2017)11-056-05

(責(zé)任編輯：譚緒凱)