錐柱式樁基礎(chǔ)明挖基坑回填土回凍過(guò)程模型試驗(yàn)研究

史向陽(yáng) 張澤 李東慶 張中瓊

摘 要：結(jié)合工程實(shí)際，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)方法，研究錐柱式樁基礎(chǔ)明挖基坑回填土在模擬實(shí)際環(huán)境溫度條件下的回凍過(guò)程.結(jié)果表明，在模擬平均溫度為-2.71 ℃的環(huán)境溫度條件下，正溫極值時(shí)刻表層土體融化深度約6.1 cm，回填土凍結(jié)深度隨著凍融次數(shù)的增加而增厚，經(jīng)歷13次凍融循環(huán)，凍結(jié)層厚度達(dá)20.0 cm；樁基沿著水平向和縱向?qū)靥钔粱貎鲞^(guò)程產(chǎn)生影響，但其影響范圍有限；土體和樁基與空氣界面溫度存在差異，樁基和空氣界面處溫度接近低溫試驗(yàn)箱內(nèi)空氣溫度，土體和空氣界面處與空氣溫度差別較大，正溫極值狀態(tài)，空氣溫度高于土表溫度5.0 ℃，負(fù)溫極值狀態(tài)，空氣溫度低于土表溫度6.7 ℃.試驗(yàn)結(jié)果有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)此類樁基回填土實(shí)際回凍過(guò)程，為確定模型試驗(yàn)控溫條件及數(shù)值模擬邊界條件提供參考.

關(guān)鍵詞：錐柱式樁基礎(chǔ)；模型試驗(yàn)；回凍過(guò)程；回填土

中圖分類號(hào)： TU47 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674—2974（2018）07—0125—10

Abstract： Based on the engineering construction method，the refreezing process of backfill is investigated by model test method under simulated ambient temperature. The results indicate that the frozen layer thickness increases with the freeze-thaw cycles when the simulated average temperature is -2.71 ℃. The thawing depth is about 6.1 cm at maximum ambient temperature in every freeze-thaw cycle， and the frozen layer thickness increases to 20.0 cm after 13 freeze-thaw cycles. The pile foundation has an effect on the refreezing process of backfill in the horizontal and longitudinal directions， but its scope of influence is limited. The interface temperature between air and pile is close to the air temperature， but the interface temperature between air and soil is very different from air temperature. The air temperature is higher than air-soil interface temperature by 5.0 ℃ at the maximum ambient temperature， and lower than air-soil interface temperature by 6.7 ℃ at the minimum ambient temperature. This experiment results help to further understand the actual refreezing process of backfill， and provide reference for determining the control conditions in model test and the boundary conditions of numerical simulation.

Key words： cone-cylindrical pile foundation；model tests；refreezing process；backfill

凍土指處于零攝氏度以下并含有冰的各類巖石和土壤，其工程性質(zhì)復(fù)雜[1]，與基礎(chǔ)工程之間作用密切.樁基礎(chǔ)因其埋置深度大，相對(duì)其他淺基礎(chǔ)而言受環(huán)境影響較小，能夠?yàn)樯喜拷Y(jié)構(gòu)提供較大的承載力，在凍土區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用.有關(guān)凍土區(qū)樁基礎(chǔ)方面的研究，多集中于鉆孔灌注樁的回凍[2]，環(huán)境升溫和太陽(yáng)輻射[3]及特殊地質(zhì)條件下[4-5]的樁基熱力穩(wěn)定性研究，研究方法包括現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等.在多年凍土區(qū)，樁基承載力的形成主要依賴于樁側(cè)凍結(jié)力的發(fā)揮[6]，維持凍土地基低溫的環(huán)境亦是目前研究的重點(diǎn)之一[7-8].在季節(jié)凍土區(qū)，淺層土體發(fā)生周期性凍融，凍融與荷載作用下土體內(nèi)部水分場(chǎng)重分布[9]，樁基因土體凍脹發(fā)生脹起或凍拔破壞，在保證樁基承載力和滿足變形要求的條件下，減小或消除樁側(cè)切向凍脹力[10]是樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工的主要原則.

輸電線路是典型的非連續(xù)的線狀工程，塔基的穩(wěn)定性關(guān)系到整條線路的穩(wěn)定[11].錐柱式樁基礎(chǔ)是一種帶底座的漸擴(kuò)式錐形樁，能夠克服部分凍脹力，抗拔和抗壓承載性能良好，在輸電線路工程中得到了大量的應(yīng)用[12].在工程實(shí)際中，此類樁基的施工先明挖基坑，其后進(jìn)行支模灌樁，待混凝土形成一定的強(qiáng)度，進(jìn)行拆模，最后對(duì)基坑進(jìn)行回填施工[13].錐柱式樁基礎(chǔ)錐身部分帶有一定傾角，當(dāng)表層土體發(fā)生季節(jié)性凍融時(shí)，能夠起到減小基礎(chǔ)側(cè)表面切向凍脹力的作用，加之底座部分起到錨固作用，其抗凍拔效果較好.一般地區(qū)，樁基的穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在其力學(xué)穩(wěn)定性[14]，而在凍土地區(qū)，熱穩(wěn)定性顯得尤為重要.因而，此類樁基回填土的回凍程度直接關(guān)系到錐柱式樁基礎(chǔ)的承載力和抗凍脹性能，因此有必要對(duì)此類樁基回填施工后熱狀態(tài)做進(jìn)一步研究.目前，對(duì)此類樁基的研究依然落后于工程實(shí)踐，結(jié)合此類樁基施工的特殊性，忽略地基“冷量”沿水平向?qū)觾?nèi)回填土凍結(jié)的影響，將樁基和回填土單向回凍視為最不利情況，研究回填土的回凍過(guò)程.

本文采用室內(nèi)模型試驗(yàn)方法，研究錐柱式樁基礎(chǔ)及回填土在凍融循環(huán)作用下回填土的回凍過(guò)程，即凍結(jié)層隨凍融循環(huán)的發(fā)展規(guī)律，分析樁基礎(chǔ)在回填土回凍過(guò)程中所發(fā)揮的作用，同時(shí)結(jié)合“空氣-樁基”和“空氣-土體”界面測(cè)點(diǎn)溫度分析界面溫度差異，為進(jìn)一步探討邊界條件做準(zhǔn)備.以期對(duì)錐柱式樁基礎(chǔ)在此類施工方法下的回填土的回凍過(guò)程及樁基溫度場(chǎng)有更全面的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而為此類樁基的設(shè)計(jì)提供依據(jù).

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 樁基礎(chǔ)模型尺寸

錐柱式樁基礎(chǔ)是一種帶底座的漸擴(kuò)式錐形樁.根據(jù)無(wú)荷載條件下凍土模型試驗(yàn)相似原理，在土質(zhì)、溫度、含水量等與原型一致時(shí)，模型幾何比的平方與時(shí)間比相等[15]，即cl = ，為了方便操作和數(shù)據(jù)處理，用24 h模擬實(shí)際一年365 d，因此ct = 365，相應(yīng)的幾何比cl = 19，即縮尺比為1 ∶ 19.據(jù)此對(duì)錐柱式樁基礎(chǔ)進(jìn)行縮尺，利用不銹鋼模具倒模方法預(yù)制樁基模型，模型內(nèi)部配筋，澆筑混凝土成樁，其后對(duì)模型樁進(jìn)行養(yǎng)護(hù).其中模型樁底座為方形，邊長(zhǎng)165 mm，高20 mm，坡高10 mm，錐身高210 mm，錐底半徑100 mm，錐頂半徑40 mm，樁基模型如圖1所示.

1.2 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)采用取自現(xiàn)場(chǎng)的青藏粉土，塑限14.6%，液限22.0%，顆粒級(jí)配曲線如圖2所示.試驗(yàn)填土控制干密度約為1.83 g/cm3，參考天然場(chǎng)地土體含水量，裝箱含水量為15%.填土過(guò)程中，進(jìn)行分層填筑，采用人工擊實(shí)的方法，嚴(yán)格控制回填土密度，保證回填土壓實(shí)度在95%以上.

1.3 溫度傳感器布置

本模型試驗(yàn)在凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室小型環(huán)境溫度模型試驗(yàn)箱內(nèi)完成，模型試驗(yàn)保溫箱尺寸為50 cm × 50 cm × 35 cm，四周和底部絕熱.如圖3所示，錐柱式樁基礎(chǔ)模型位于模型箱體正中，溫度傳感器在箱體中心斷面上單側(cè)布置，土體內(nèi)部15個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，土表3個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)水平和垂向間距為7 cm.為了方便表示，坐標(biāo)軸以沿水平方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸，X軸位于土體表面，Y軸沿樁基礎(chǔ)軸心.距離土表（Y方向）0 cm、7 cm、14 cm、

21 cm、28 cm、35 cm處分別用A、B、C、D、E、F表示，距樁心（X方向）0 cm、7 cm、14 cm、21 cm分別用1、2、3、4表示，字母與數(shù)字組合表示溫度測(cè)點(diǎn)位置.樁頂布置1個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)Z1，模型箱內(nèi)部上方布置1個(gè)環(huán)境溫度測(cè)點(diǎn)H1.

2 試驗(yàn)方法

選取青海省瑪多縣城氣象站的數(shù)據(jù)資料，根據(jù)每月的平均溫度，對(duì)年溫度變化曲線按式（1）進(jìn)行擬合.根據(jù)凍土模型試驗(yàn)相似原理，滿足如上幾何比cl =19的條件下，用室內(nèi)試驗(yàn)24 h模擬實(shí)際365 d的溫度變化，即模型試驗(yàn)凍融周期為24 h.

輸入環(huán)境模型試驗(yàn)箱控溫系統(tǒng)中，溫度變化曲線如圖4所示.

本文考慮明挖回填施工的最不利情況，研究暖季施工條件下回填土的回凍過(guò)程，因此在室溫下填筑后，調(diào)節(jié)低溫試驗(yàn)箱溫度為8.7 ℃，并維持一定時(shí)間，待土體內(nèi)部溫度達(dá)2 ～ 6 ℃后開始式（2）控溫的凍融循環(huán).試驗(yàn)過(guò)程中從模型箱底部固定水頭對(duì)土體進(jìn)行補(bǔ)水，土體表面進(jìn)行隔水處理.采用全自動(dòng)全天候數(shù)采儀，實(shí)時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)采集頻率為1/min.

輸入控溫曲線溫度與實(shí)測(cè)內(nèi)部空氣溫度有所差異，本文所涉及環(huán)境溫度均以指內(nèi)部空氣溫度.試驗(yàn)共進(jìn)行14次凍融循環(huán)，歷時(shí)14 d，主要研究?jī)鼋Y(jié)層的形成及發(fā)育過(guò)程，試驗(yàn)以凍結(jié)層發(fā)育至樁基底部作為終止標(biāo)準(zhǔn).

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

選取第1、2、4、7、10、13 凍融周期環(huán)境高溫極值和低溫極值時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)溫度，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析.為了方便表示和研究，高溫極值和低溫極值時(shí)刻分別以H和L表示，如試驗(yàn)條件，同一周期內(nèi)L時(shí)刻早于H時(shí)刻0.5 d.根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析典型周期距樁不同位置處溫度隨深度的變化、不同埋深處土體對(duì)環(huán)境溫度的響應(yīng)及混凝土和土體與空氣交界面溫度在同一環(huán)境溫度下的差異.

3.1 典型周期溫度分析

如圖5 ～ 7所示，距樁心7 cm、14 cm、21 cm位置處，自上而下分別布設(shè)有5、6、4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，其值能夠反映距樁不同位置處土體表面和土體內(nèi)部溫度在環(huán)境溫度作用下的變化.

從圖5 ～ 圖7可以看出，距樁不同距離處土體內(nèi)部溫度隨凍融過(guò)程的發(fā)展均出現(xiàn)不同程度的降低，其中初始的2個(gè)凍融周期，內(nèi)部土體溫度變化較大，土體出現(xiàn)了整體的降溫，以E3測(cè)點(diǎn)（14，28）處溫度測(cè)點(diǎn)低溫極值時(shí)刻為例，1L時(shí)刻為6.04 ℃，2L時(shí)刻1.99 ℃，降溫幅度達(dá)4.05 ℃.可見初始2個(gè)凍融循環(huán)對(duì)土體溫度表現(xiàn)為降溫的作用，但未在高溫極值時(shí)刻形成凍結(jié)層.從第4周期看出，土表以下7 cm處在高低溫極值時(shí)刻均為負(fù)溫，但凍結(jié)水平較低，表明經(jīng)歷4次凍融循環(huán)，回填土表層以下開始出現(xiàn)凍結(jié)層.第4、7、10、13周期土表以下7 cm高溫極值時(shí)刻溫度均為負(fù)溫，表明環(huán)境高溫極值時(shí)刻融化深度未超過(guò)7 cm.第4周期以后，凍結(jié)層厚度逐漸增大，且在高溫極值時(shí)刻凍結(jié)水平高于低溫極值時(shí)刻，如C4測(cè)點(diǎn)（21，14）處溫度測(cè)點(diǎn)在第10周期高低溫極值時(shí)刻分別為-0.24 ℃和-0.11 ℃.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是熱傳導(dǎo)過(guò)程與時(shí)間相關(guān)，勢(shì)必出現(xiàn)土溫和環(huán)境溫度變化周期一致但是相位角不同的情況，表現(xiàn)為土溫變化滯后于環(huán)境溫度.

3.2 不同位置處溫度隨凍融過(guò)程變化

利用各測(cè)點(diǎn)在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)，分析凍融過(guò)程中溫度沿深度方向和水平向的變化，分析其變化規(guī)律，從而對(duì)回凍過(guò)程有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí).

3.2.1 x = 14 cm處各埋深測(cè)點(diǎn)溫度變化

圖8為距樁14 cm處土表和土體內(nèi)部不同深度處溫度隨凍融過(guò)程的變化曲線.可以看出，7 cm以下土體溫度在初始2個(gè)凍融周期受凍融影響有了大幅降低，其后周期存在小幅波動(dòng).土表0 cm受環(huán)境溫度影響較大，溫度呈現(xiàn)出明顯的周期性變化，變化趨勢(shì)與環(huán)境溫度保持一致，但與環(huán)境溫度振幅存在差異；7 cm埋深處溫度依然呈周期性波動(dòng)，但是溫度波動(dòng)幅值已明顯小于土表，且在該埋深處土體溫度變化已經(jīng)表現(xiàn)出了一定的滯后性；14 cm埋深處溫度隨凍融過(guò)程存在小幅周期性波動(dòng)，其值總體高于7 cm埋深處土溫；21 cm埋深處溫度從第3周期開始基本保持不變，其值始終高于以上埋深位置處溫度.所關(guān)注測(cè)點(diǎn)中，21 cm埋深處溫度受環(huán)境溫度變化影響最小，土體溫度沿深度方向變化的趨勢(shì)和幅值與土體性質(zhì)和上覆土層厚度存在相關(guān)性.

3.2.2 樁基對(duì)土體溫度影響分析

樁基與土體材料不同，因而在不同埋深處，距樁不同遠(yuǎn)近位置處其溫度存在一定的差異，選取土體表面、7 cm、14 cm、21 cm埋深處溫度測(cè)點(diǎn)，對(duì)比分析樁基礎(chǔ)對(duì)回填土沿水平向的影響程度.

圖9為土體表面距樁7 cm和14 cm的溫度隨時(shí)間變化曲線，從溫度變化曲線可以看出，樁基礎(chǔ)對(duì)回填土表面并未產(chǎn)生影響，表面土體溫度的控制影響因素為環(huán)境溫度.

圖10為7 cm埋深處距樁7 cm、14 cm、21 cm的溫度隨時(shí)間變化曲線，初始2個(gè)周期土體出現(xiàn)了明顯的降溫，第3 ～ 5周期存在小幅波動(dòng)，第5周期開始呈周期性波動(dòng)，但"溫度-時(shí)間"關(guān)系并非三角函數(shù)，并且滯后于表面土體溫度變化.7 cm埋深處溫度受環(huán)境溫度和樁基礎(chǔ)共同影響，但是距樁不同距離處溫度變化曲線近似重合，因此樁基礎(chǔ)對(duì)7 cm埋深范圍內(nèi)土體影響可忽略，該埋深處土體溫度控制影響因素依然為環(huán)境溫度.圖11為14 cm埋深處距樁7 cm和14 cm的溫度變化曲線，在初始2個(gè)凍融周期，其值差別很小，但是從第3周期開始，溫度出現(xiàn)一定差異，表現(xiàn)為距樁7 cm處土體溫度高于14 cm處，差值約0.1 ℃.可見，14 cm埋深處土體溫度同樣受環(huán)境溫度影響，呈周期性波動(dòng)，該埋深處樁基礎(chǔ)的熱良導(dǎo)作用開始顯現(xiàn)，沿水平向?qū)ν馏w溫度產(chǎn)生影響.

圖12為21 cm埋深處距樁心0 cm、7 cm、14 cm的溫度隨時(shí)間變化曲線，埋深21 cm已位于樁底，其中0 cm處測(cè)點(diǎn)位于樁基正下方，7 cm處測(cè)點(diǎn)位于樁基底座邊緣下方，從溫度變化曲線可以看出，3個(gè)位置處溫度變化并不大，近似重合，可見樁基并未對(duì)21 cm埋深處土體溫度產(chǎn)生大的影響.

樁基主要由鋼筋混凝土材料構(gòu)成，其導(dǎo)熱性能優(yōu)于凍融狀態(tài)下的土體，相比于土體，樁基材料是一種熱的良導(dǎo)體.混凝土透水性能差，內(nèi)部自由水含量少，凍融過(guò)程中，受水分影響較小，對(duì)溫度的響應(yīng)更為積極，因而樁基礎(chǔ)能夠?yàn)樯畈客馏w和環(huán)境之間提供良好的熱交換通道.對(duì)回填土回凍過(guò)程在豎向和水平向產(chǎn)生影響，如14 cm埋深處，距樁7 cm相比于14 cm處土體，其影響值雖僅有0.1 ℃，但這種差異在整個(gè)凍融過(guò)程中始終存在.

綜上，回填土溫度受環(huán)境和樁基礎(chǔ)共同影響，表層一定范圍內(nèi)土體受環(huán)境溫度控制，呈周期性變化，環(huán)境溫度是回填土內(nèi)部溫度變化的主控因素.而所關(guān)注的樁基的熱良導(dǎo)作用并不對(duì)整個(gè)樁基埋深范圍內(nèi)樁周土體產(chǎn)生影響，僅對(duì)一定埋深和距樁一定水平距離范圍土體溫度產(chǎn)生影響，其影響值較小但始終存在.

3.3 界面溫度分析

樁頂和土體表面布設(shè)了溫度傳感器，用以了解“空氣-樁基”，“空氣-土體”在界面處的溫度變化，對(duì)比分析樁頂、土表與環(huán)境溫度之間的差異，為模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)值計(jì)算確定邊界條件提供依據(jù).

圖13為樁頂和環(huán)境溫度變化曲線，可以看出樁頂對(duì)環(huán)境溫度的響應(yīng)較為積極，變化趨勢(shì)與環(huán)境溫度變化保持一致并且同步，每個(gè)周期內(nèi)樁頂溫度極值和環(huán)境溫度極值較為接近.第1 ～ 6凍融周期，二者溫度極值差異較小，第7周期起樁頂溫度與環(huán)境溫度極值存在一定的差距，并且在環(huán)境正溫極值和環(huán)境負(fù)溫極值狀態(tài)二者差值不同，表現(xiàn)為負(fù)溫極值狀態(tài)差值大于高溫極值狀態(tài).以第11周期為例，正溫極值狀態(tài)時(shí)，樁頂溫度低于環(huán)境溫度2.2 ℃，負(fù)溫極值狀態(tài)時(shí)，樁頂溫度高于環(huán)境溫度2.8 ℃.

從圖9看出土體表面溫度受樁基礎(chǔ)影響不大，因而取土體表面距離樁心14 cm處溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析.從圖14看出土表溫度振幅明顯小于環(huán)境溫度，并且負(fù)溫極值差別大于正溫極值.不考慮水分遷移引起的表面土體溫度變化，極值取均值后，正溫極值狀態(tài)下土表溫度低于環(huán)境溫度5.0 ℃，負(fù)溫極值狀態(tài)下土表溫度高于環(huán)境溫度6.7 ℃.圖15為土體表面和樁頂溫度隨時(shí)間變化曲線，可看出二者變化規(guī)律一致，但土體表面小于樁頂溫度振幅，且這種差異隨凍融周期增長(zhǎng)而減小并逐漸趨于穩(wěn)定.

土體表面對(duì)環(huán)境溫度的響應(yīng)主要受土體凍融狀態(tài)熱物理性質(zhì)和土中水分變化影響.土體凍融狀態(tài)

的容積熱容量，可用下式表示[16]：

式中，C為土體的容積熱容量，下標(biāo) f和u分別表示土體凍融狀態(tài)；Csf和Csu分別表示凍融狀態(tài)的骨架比熱；W為土體含水量；下標(biāo)i和w分別表示

冰和未凍水含量，Cw為水的比熱，取4.18 kJ/（kg·℃）；Ci為冰的比熱，取2.09 kJ/（kg·℃）；ρd為土體干密度.

融化狀態(tài)的土骨架比熱總是大于凍結(jié)狀態(tài)，以亞黏土為例，Csu和Csf分別為0.84 kJ/（kg·℃）和0.77 kJ/（kg·℃），即Csu > Csf，同時(shí)Cw = 2Ci.因此，融化狀態(tài)土體容積熱容量大于凍結(jié)狀態(tài)土體容積熱容量，即存在

同時(shí)，正凍過(guò)程中，凍結(jié)鋒面向下移動(dòng)，凍土中未凍水受溫度勢(shì)影響向凍結(jié)鋒面遷移，正融過(guò)程中，水分受重力勢(shì)影響向下遷移.含水量W在宏觀上表現(xiàn)為凍融次數(shù)的函數(shù)，表面土體在反復(fù)凍融作用下，水分向下遷移，致使凍融狀態(tài)表面土體容積熱容

量差異減小，因此其溫度波動(dòng)幅值隨凍融發(fā)展趨于穩(wěn)定.

環(huán)境箱內(nèi)實(shí)測(cè)溫度與輸入溫度存在差異，本文環(huán)境溫度特指內(nèi)部實(shí)測(cè)溫度，如式（2），對(duì)輸入溫度和內(nèi)部空氣溫度差異不做討論.環(huán)境箱內(nèi)部空氣溫度擬合如下：

從圖14可看出，土表溫度與環(huán)境溫度差異較大，平均溫度相比環(huán)境平均溫度有所升高，振幅減小，但是角速度和初始相位角基本一致.因此，結(jié)合控溫曲線式（1），土表溫度寫成：

土體與空氣界面溫度測(cè)點(diǎn)反應(yīng)表面土體溫度，融化狀態(tài)土體容積熱容量大于凍結(jié)狀態(tài)，且隨著凍融次數(shù)的增加，表面土體含水量減小，使得凍融狀態(tài)土體容積熱容量差異減小.土體凍融狀態(tài)比熱的差異和含水量的減小導(dǎo)致土體表面溫度在負(fù)溫極值與環(huán)境溫度差值大于高溫極值的差值.樁頂溫度變化

振幅隨時(shí)間增加有減小的趨勢(shì)，待試驗(yàn)結(jié)束后觀察到樁頂有水漬，可能與試驗(yàn)過(guò)程中混凝土中有水分滲入有關(guān).

本試驗(yàn)中，不僅對(duì)土體內(nèi)部溫度進(jìn)行測(cè)量，而且對(duì)樁基、土體和空氣界面溫度進(jìn)行測(cè)量，對(duì)確定樁基熱分析邊界條件具有指導(dǎo)意義.從試驗(yàn)結(jié)果看出，界面溫度并非定值，隨凍融過(guò)程存在一定變化，與環(huán)境溫度和介質(zhì)自身性質(zhì)相關(guān)，并且與其熱狀態(tài)存在一定的聯(lián)系，水分是引起界面溫度變化的主要因素.因此，模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相互驗(yàn)證、確定邊界條件和室內(nèi)模擬環(huán)境條件時(shí)，須正確區(qū)分和認(rèn)識(shí)輸入溫度、內(nèi)部實(shí)際環(huán)境溫度和界面溫度.

3.4 凍結(jié)層厚度變化趨勢(shì)分析

圖16為第2、4、7、10凍融周期高溫極值時(shí)刻回填土中0 ℃等溫線圖，從圖中可以看出凍結(jié)層厚度隨凍融過(guò)程的發(fā)展變化，經(jīng)過(guò)前2個(gè)周期的凍融，能量累積，2H時(shí)刻在樁基兩側(cè)土表下埋深約10 cm處出現(xiàn)零星分布的凍結(jié)區(qū)域，尚未形成連續(xù)的凍結(jié)層；4H時(shí)刻樁基兩側(cè)形成對(duì)稱分布的兩片連續(xù)分布的凍結(jié)層，但樁側(cè)依然處于未凍結(jié)狀態(tài)；7H時(shí)刻樁周形成貫通的凍結(jié)層，凍結(jié)至樁基底座處，基底處于未凍結(jié)狀態(tài)；10H時(shí)刻除表層土體受環(huán)境溫度影響處于融化狀態(tài)外，樁身及樁底均達(dá)到凍結(jié)狀態(tài).

根據(jù)距樁14 cm處各測(cè)點(diǎn)高溫極值時(shí)刻溫度數(shù)據(jù)，采用線性內(nèi)插的方法，求解0 ℃的位置，用以了解凍結(jié)層厚度隨凍融過(guò)程的發(fā)展變化規(guī)律.從圖17可以看出，在本模型試驗(yàn)中，每個(gè)凍融周期高溫極值時(shí)刻達(dá)到的融化深度相近，約6.1 cm，為此時(shí)凍結(jié)層的上限（非凍土上限），凍結(jié)層厚度隨凍融過(guò)程持續(xù)增加，從第4周期樁周土體出現(xiàn)連續(xù)的5.4 cm凍結(jié)層，至第13周期，凍結(jié)層厚度達(dá)20.0 cm.第11周期之前，凍結(jié)層厚度發(fā)展較快，第12周期至試驗(yàn)終止，凍結(jié)層厚度增長(zhǎng)速率減緩.

環(huán)境溫度是土體凍融狀態(tài)發(fā)生變化的直接影響因素，在凍融作用下，表層土體凍結(jié)和融化交替進(jìn)行，但是對(duì)下部土體而言，其凍融狀態(tài)直接反映土體中能量的耗散和積累程度.本文所模擬環(huán)境平均溫度為-2.71 ℃，因此負(fù)溫帶來(lái)的能量積累是凍土層厚度增厚的直接原因，同時(shí)在凍結(jié)層形成過(guò)程中，凍結(jié)層下部未凍土溫度成為影響凍結(jié)層厚度發(fā)展的主要影響因素.隨著凍融循環(huán)的發(fā)展，凍結(jié)層下部的未凍土溫度持續(xù)降低，能量進(jìn)一步向環(huán)境耗散，因此，環(huán)境溫度和凍結(jié)層下部的未凍土熱狀態(tài)共同影響凍結(jié)層隨凍融循環(huán)的發(fā)展速率.試驗(yàn)結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)樁基底座下部土體中有水分集聚的現(xiàn)象，而土中水發(fā)生相變需釋放大量相變潛熱，第11周期后，凍結(jié)層厚度發(fā)展至水分集聚埋深處，凍結(jié)層厚度增長(zhǎng)速率減緩，表明在本文試驗(yàn)條件下，凍融循環(huán)作用對(duì)土體溫度影響深度趨于穩(wěn)定.在本文所模擬的環(huán)境溫度下，凍結(jié)層厚度的增長(zhǎng)規(guī)律表現(xiàn)為先快后緩的特點(diǎn)，但是總體來(lái)看回填土的回凍是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程.

4 結(jié) 論

1）回填土回凍試驗(yàn)中，環(huán)境溫度和樁基礎(chǔ)共同影響回凍過(guò)程，環(huán)境溫度是土體內(nèi)部溫度變化的主控影響因素.樁基礎(chǔ)較之土體具有良好的導(dǎo)熱性質(zhì)，但是這種熱良導(dǎo)作用并不對(duì)整個(gè)樁基埋深范圍內(nèi)樁周土產(chǎn)生影響，僅對(duì)一定埋深，距樁一定水平距離范圍內(nèi)的土體熱狀態(tài)產(chǎn)生影響，如14 cm埋深，距樁7 cm處溫度高于較距樁14 cm處約0.1 ℃，其影響值雖小，但始終存在于整個(gè)凍融過(guò)程.

2）通過(guò)對(duì)“樁基-空氣”和“土體-空氣”界面處的溫度進(jìn)行測(cè)量和對(duì)比，樁基對(duì)環(huán)境溫度響應(yīng)較為積極，溫度變化接近于環(huán)境溫度，土表溫度變化與環(huán)境溫度差別較大，正溫極值狀態(tài)，差值達(dá)5.0 ℃，負(fù)溫極值狀態(tài)差值達(dá)6.7 ℃，而這種差異主要由土體自身熱物理性質(zhì)和土中水引起.該結(jié)果對(duì)正確認(rèn)識(shí)不同材料與空氣界面熱狀態(tài)和確定數(shù)值計(jì)算邊界條件具有指導(dǎo)意義.

3）在所進(jìn)行的凍融試驗(yàn)周期內(nèi)，能量持續(xù)累積，凍結(jié)層發(fā)展至樁底，凍結(jié)層厚度經(jīng)歷快速增長(zhǎng)和緩慢增長(zhǎng)兩個(gè)階段，僅考慮環(huán)境溫度單向作用，錐柱式樁基礎(chǔ)明挖基坑回填土的回凍是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程.

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